一种选区激光熔化成形金属材料的工艺开发方法与流程

1.本发明涉及选区激光熔化增材制造技术领域，特别是涉及一种选区激光熔化成形金属材料的工艺开发方法。


背景技术：

2.随着增材制造技术的快速发展，选区激光熔化(selective laser melting，slm)技术基于“离散 堆积”的基本原理，利用高能激光束将金属粉末逐层熔化并堆积成实体金属构件，可以实现高性能复杂结构件的快速、无模具成形。目前，选区激光熔化技术被广泛应用于航空航天，汽车，医疗及模具工业等领域。在选区激光熔化成形过程中，工艺参数是保证材料成形的关键因素，主要包含了激光功率p、扫描速度v、扫描间距h以及扫描层厚t四项核心工艺参数。对于全新材料的slm成形工艺参数的开发，往往需要设计大量的工艺实验进行探索，然后逐步缩小工艺参数的筛选范围，直至找到一组最佳的工艺参数，这种工艺开发过程需要耗费大量的时间，效率较低。


技术实现要素：

3.本发明的一目的是，提供一种选区激光熔化成形金属材料的工艺开发方法，该方法可以高效地实现最佳工艺参数的开发，有效地缩短全新材料工艺参数的开发时间。
4.本发明提供了一种选区激光熔化成形金属材料的工艺开发方法，包括步骤：
5.s1、选择球形度在90％以上的待成形金属粉末；
6.s2、测量待成形金属粉末的粒度分布，确定d50和d90的值，根据d50或d90的值设定选区激光熔化工艺的扫描层厚t；
7.s3、设计关于激光功率p和扫描速度v的二维参数矩阵；
8.s4、利用上述设计的扫描层厚t、激光功率p和扫描速度v的二维参数矩阵成形单道单层试样；
9.s5、在成形的单道单层试样中筛选出成形形貌良好，成形性连续均匀的试样；
10.s6、利用线切割沿垂直于扫描方向在步骤s5筛选出的试样中间部位切开，制备成金相试样，测量并计算金相试样的孔隙率η，筛选出孔隙率η最低的试样；
11.s7、判断最低孔隙率η是否满足使用要求，若是，则执行步骤s8，若否，则返回步骤s3；
12.s8、观察步骤s6中筛选出的孔隙率η最低的试样的内部组织，测量孔隙率η最低的试样的熔池深度d；
13.s9、判断熔池深度d是否满足熔池深度d》扫描层厚t，若是，则执行步骤s10，若否，则返回步骤s3；
14.s10、通过拟合和测量的方式确定孔隙率η最低的试样的熔池尺寸r，根据测得的熔池尺寸r和扫描层厚t计算出临界扫描间距h
′
；
15.s11、根据临界扫描间距h
′
计算得到扫描间距h；
16.s12、利用步骤s2中确定的扫描层厚t、步骤s6筛选出的孔隙率η最低的试样对应的激光功率p和扫描速度v、以及步骤s11中计算得到的扫描间距h成形方块试样，观察方块试样的成形性是否良好，若是，则开发完毕，若否，则返回步骤s3。
17.在本发明的一实施例中，在步骤s1中，采用扫描电镜观察待成形金属粉末的粉末形貌，所述待成形金属粉末为钛合金粉末、铝合金粉末、铜合金粉末、铁碳合金粉末的任一种，或者所述待成形金属粉末为高温合金粉末。
18.在本发明的一实施例中，在步骤s2中，采用激光粒度仪测量待成形金属粉末的粒度分布，设定扫描层厚t时，按照四舍五入法取d50或d90值的临近十的整数倍数值。
19.在本发明的一实施例中，步骤s3中设定的激光功率p的范围为50w～900w，扫描速度v的范围为300mm/s～1500mm/s。
20.在本发明的一实施例中，步骤s4中，成形的单道单层试样的长度为4～8mm。
21.在本发明的一实施例中，步骤s5中采用激光共聚焦显微镜观察成形的单道单层试样。
22.在本发明的一实施例中，步骤s6中利用阿基米德排水法测量并计算金相试样的孔隙率η。
23.在本发明的一实施例中，步骤s7中，最低孔隙率η满足η＜0.5％时，满足使用要求。
24.在本发明的一实施例中，步骤s8中采用金相显微镜观察步骤s6中筛选出的孔隙率η最低的试样的内部组织。
25.在本发明的一实施例中，步骤s10中，临界扫描间距h
′
＝2(r
2-t2)
1/2
。
26.在本发明的一实施例中，步骤s11中，扫描间距h为h
′
的0.5至0.8倍，即扫描间距h的范围为0.5h
′
～0.8h
′
。
27.在本发明的一实施例中，步骤s12中的方块试样的尺寸为10mm～15mm。
28.本发明的所述选区激光熔化成形金属材料的工艺开发方法能够有效减少slm工艺参数开发过程的实验数量，缩短工艺开发时间，不仅可用于一般工艺参数的开发过程，也可用于优化现有的工艺参数。利用此方法开发出的工艺参数可以保障slm成形构件的稳定性与一致性，综合性能满足使用要求。
29.通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
30.图1为本发明的所述选区激光熔化成形金属材料的工艺开发方法的流程示意图。
31.图2为具体实施1中采用的316l不锈钢粉末的扫描电镜图。
32.图3为试样熔池拟合示意图。
具体实施方式
33.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
34.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
35.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.如图1所示，本发明的所述选区激光熔化成形金属材料的工艺开发方法，包括步骤：
38.s1、选择球形度在90％以上的待成形金属粉末；
39.s2、测量待成形金属粉末的粒度分布，确定d50和d90的值，根据d50或d90的值设定选区激光熔化工艺的扫描层厚t；
40.s3、设计关于激光功率p和扫描速度v的二维参数矩阵；
41.s4、利用上述设计的扫描层厚t、激光功率p和扫描速度v的二维参数矩阵成形单道单层试样；
42.s5、在成形的单道单层试样中筛选出成形形貌良好，成形性连续均匀的试样；
43.s6、利用线切割沿垂直于扫描方向在步骤s5筛选出的试样中间部位切开，制备成金相试样，测量并计算金相试样的孔隙率η，筛选出孔隙率η最低的试样；
44.s7、判断最低孔隙率η是否满足使用要求，若是，则执行步骤s8，若否，则返回步骤s3；
45.s8、观察步骤s6中筛选出的孔隙率η最低的试样的内部组织，测量孔隙率η最低的试样的熔池深度d；
46.s9、判断熔池深度d是否满足熔池深度d》扫描层厚t，若是，则执行步骤s10，若否，则返回步骤s3；
47.s10、通过拟合和测量的方式确定孔隙率η最低的试样的熔池尺寸r，根据测得的熔池尺寸r和扫描层厚t计算出临界扫描间距h
′
；
48.s11、根据临界扫描间距h
′
计算得到扫描间距h；
49.s12、利用步骤s2中确定的扫描层厚t、步骤s6筛选出的孔隙率η最低的试样对应的激光功率p和扫描速度v、以及步骤s11中计算得到的扫描间距h成形方块试样，观察方块试样的成形性是否良好，若是，则开发完毕，若否，则返回步骤s3。
50.可以理解的是，为了满足slm技术的使用要求，在步骤s1中需要筛选出球形度在90％以上的待成形金属粉末。
51.具体地，在步骤s1中，采用扫描电镜观察待成形金属粉末的粉末形貌，所述待成形金属粉末为钛合金粉末、铝合金粉末、铜合金粉末、铁碳合金粉末的任一种，或者所述待成
形金属粉末为高温合金粉末，或者所述成形金属粉末为全新的适用于slm成形工艺的金属粉末材料，本发明对此不作限制。
52.具体地，在步骤s2中，采用激光粒度仪测量待成形金属粉末的粒度分布，设定扫描层厚t时，按照四舍五入法取d50或d90值的临近十的整数倍数值。
53.值得一提的是，步骤s3中的二维参数矩阵中的激光频率p应根据使用slm设备中激光器的最大额定激光功率值而定。如果激光器的最大额定激光功率值为500w，则激光功率p设定值为50w～450w范围内；如果激光器的最大额定激光功率值为1000w，则激光功率p设定值为100w～900w范围内。也就是说，步骤s3中设定的激光功率p的范围为50w～900w。
54.此外，还值得一提的是，步骤s3中扫描速度v根据激光功率p的选定不同而不同，在激光功率大则选择高扫描速度，激光功率小则选择低的扫描速度，其中扫描速度v设定范围为300mm/s～1500mm/s。
55.进一步地，步骤s4中，成形的单道单层试样的长度为4～8mm。而且步骤s4还包括将成形的单道单层试样按自然数进行编号的步骤，以便于在后续步骤中筛选出对应编号的单道单层试样，方便后续测试记录。
56.具体地，在步骤s5中，采用激光共聚焦显微镜观察成形的单道单层试样。
57.可以理解的是，步骤s6中筛选出孔隙率最低的试样，孔隙率最低代表成形质量最优。应该理解的是，对于不同金属材料来讲，孔隙率η对应有不同的取值。
58.值得一提的是，在步骤s6中，利用阿基米德排水法测量并计算金相试样的孔隙率η。
59.具体地，步骤s7中，最低孔隙率η满足η＜0.5％时，满足使用要求。
60.具体地，步骤s8中，采用金相显微镜观察步骤s6中筛选出的孔隙率η最低的试样内部组织，即观察孔隙率η最低的试样的熔池形貌，测量其熔池宽度w和熔池深度d。
61.可以理解的是，步骤s9中需要确保熔池深度d大于扫描层厚t才进行后续步骤，是为了满足slm成形工艺的需求。
62.具体地，步骤s10中，采用曲线拟合熔池形貌，如图3所示，并通过拟合的熔池测量熔池尺寸r，根据测量得到的熔池尺寸r和步骤s2中确定的扫描层厚t计算临界扫描间距h
′
＝2(r
2-t2)
1/2
。
63.也就是说，步骤s10通过拟合加测量的方式确定出熔池尺寸r，计算出临界扫描间距h
′
。
64.具体地，如图3所示，熔池宽度w与熔池尺寸r的关系是：熔池尺寸r的起点(图3中的b点)为熔池宽度w(图3中ac段距离)的中点。
65.进一步地，步骤s11中，根据步骤s10计算得到的临界扫描间距h
′
计算得到扫描间距h，其中扫描间距h为h
′
的0.5至0.8倍，即扫描间距h的范围为0.5h
′
～0.8h
′
。
66.值得一提的是，步骤s12中的方块试样的尺寸为10mm～15mm，即在步骤s12中可以成形10mm
×
10mm
×
10mm的方块试样来观察成形性，也可以采用15mm
×
15mm
×
15mm的方块试样来观察成形性，本发明对成形的方块试样的尺寸不作限制。
67.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
68.实施案例1
69.步骤一、选用316l不锈钢粉末材料作为案例进行阐述，316l不锈钢粉末的扫描电
镜图(sem图)请参考图2，其球形度》90％；
70.步骤二、利用激光粒度仪测量316l不锈钢粉末的粒度分布，其中d50＝45.9μm，d90＝67.3μm，根据d50设定扫描层厚t＝50μm；
71.步骤三、设置关于激光功率p、扫描速度v的二维参数矩阵，如下表1所示：
72.表1-激光功率p和扫描速度v的二维参数矩阵
[0073][0074]
步骤四、利用步骤二中设计的扫描层厚t＝50μm与步骤三中的二维参数矩阵，成形单道单层试样；
[0075]
步骤五、利用激光共聚焦显微镜观察所有成形的单道单层试样，其中成形形貌良好，成形性连续均匀的试样编号包括(1)、(8)、(9)、(10)、(15)、(16)、(17)、(18)、(22)、(23)、(24)；
[0076]
步骤六、利用线切割将步骤五中筛选出的试样，制备金相试样，利用阿基米德排水法测量并计算其孔隙率，其中编号为(17)的试样的孔隙率最低，小于0.5％；
[0077]
步骤七、判断最低孔隙率小于0.5％，满足使用要求，执行步骤八；
[0078]
步骤八、使用金相显微镜观察编号为(17)的试样的熔池形貌，实际测量其熔池宽度w＝155μm(图3中ac距离)，熔池深度d＝135μm(图3中bg距离)，熔池尺寸r＝88μm(图3中bi距离)；
[0079]
步骤九、基于步骤八测量得到的熔池深度d，满足熔池深度d》扫描层厚t，执行步骤十；
[0080]
步骤十、采用曲线拟合熔池形貌，熔池形貌主要指熔池在纵向截面的形状,如图3所示，通过金相显微镜测量熔池尺寸r，根据测量的熔池尺寸r和扫描层厚t计算临界扫描间距h
′
＝2(r
2-t2)
1/2
＝145μm(图3中o1o2或gh距离)；
[0081]
步骤十一、根据临界扫描间距h
′
计算扫描间距h＝0.75h
′
＝110μm；
[0082]
步骤十二、根据步骤二确定的扫描层厚t＝50μm，步骤六筛选出的编号为(17)的试样对应的激光功率p＝350w，扫描速度v＝900mm/s，以及步骤十一计算得到的扫描间距h＝
110μm，成形10mm
×
10mm
×
10mm的方块试样，成形性良好，slm工艺参数开发完毕。
[0083]
总的来讲，本发明提供了一种能够快速开发slm工艺参数的工艺开发方法，本发明的所述选区激光熔化成形金属材料的工艺开发方法能够有效减少slm工艺参数开发过程的实验数量，缩短工艺开发时间，不仅可用于一般工艺参数的开发过程，也可用于优化现有的工艺参数。利用此方法开发出的工艺参数可以保障slm成形构件的稳定性与一致性，综合性能满足使用要求。
[0084]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0085]
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。