[发明专利]基于自愈合机制的激光金属直接成形实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于激光金属直接成形制造、激光表面熔覆和易损零 部件的激光修复等方法，特别涉及一种基于自愈合机制的激光金属直接成形 实验方法。

背景技术

激光金属直接成形技术融合了快速成形技术和激光熔覆技术，以“离散 一堆积”成形原理为基础。首先在计算机中生成最终功能零件的三维模型； 然后将零件的三维数据信息转换为一系列的二维轮廓几何信息，层面几何信 息融合成形参数生成扫描路径数控代码，控制成形系统采用同步送料激光熔 覆的方法按照轮廓轨迹逐层扫描堆积材料；最终形成三维实体零件或仅需进 行少量加工的近形件。激光金属直接成形除了具有与快速原型技术相同的特 点之外，还具有一些独特的优点：(1)制造速度快，节省材料，降低成本； (2)不需采用模具，使得制造成本降低15％～30％，生产周期节省40％～ 70％；(3)可以生产用传统方法难于生产甚至不能生产的形状复杂的零件； (4)可在零件不同部位形成不同成分和组织的梯度功能材料结构；(5)金属 零件完全致密、组织细小，力学性能超过锻件，近成形件可直接使用或者仅 需少量的后续机加工便可使用。由于具有以上优点，激光金属直接成形技术 逐渐成为先进制造技术研究的热点，并在航空航天、汽车船舶和武器装备等 领域得到广泛应用。然而，由于成形工艺条件复杂，熔池形状受基材与粉末 合金物理化学性能、激光成形工艺参数等诸多因素的影响，随着激光成形高 度的逐层增加，成形表面会产生凹凸不平现象，并具有累积效应。在开环控 制系统下，多层堆积后会因为凹凸累积出现严重锯齿状而无法继续堆积。调 节工艺参数(改变Z轴增量)能解决该问题，但同时又引入了成形零件高度 不可预测等新的问题；引入闭环控制能有效解决该问题，但却增加了系统复 杂程度，同时增大成本，操作也不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自愈合机制的激光金属直接成形实验方 法，该方法可以消除激光金属直接制造零件时，产生的成形表面凹凸不平现 象，使成形过程能平稳进行。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种基于自愈合机制的激光金属直接成形实验方法，包括以下步骤：

(1)设定基本工艺参数为：激光光斑直径为0.5mm，扫描速度为6mm/s， 送粉量为8.8g/min，载气量为8L/min；

(2)采用相同的基本工艺参数，分别在不同粉末离焦量情况下进行激光 金属成形实验，测量不同粉末离焦量情况下激光金属成形熔覆层厚度，得到 粉末离焦量对熔覆层厚度影响规律为：粉末汇聚时，熔覆层厚度最大；粉末 负离焦时，单层熔覆层厚度h随负离焦量增大而减小；粉末正离焦时，单层 熔覆层厚度h随正离焦量增大而减小；

(3)分析粉末离焦量对熔覆层厚度影响规律，得到粉末在负离焦情况下， 多层堆积存在自愈合效应，即成形面出现凸凹时，凹陷处负离焦量减小，下 一层熔覆时熔覆层厚度会增大，凹陷被填平；凸起处负离焦量较大，下一层 熔覆时，熔覆层厚度会减小，凸起处变平缓；

(4)根据步骤(3)粉末在负离焦情况下，多层堆积成形存在自愈合效 应，选用粉末离焦量为负的工艺条件进行激光金属直接成形，从而实现自动 愈合或消除成形过程中因工艺参数不稳定而出现的工件表面凹凸不平现象。

上述方案中，所述粉末离焦量参数定义如下：粉末汇聚点O距喷粉头出 口为4mm，基板形成熔池处在XOY坐标系下纵坐标值为y，y＝0mm时粉末 汇聚于基板；y＜0mm时为粉末负离焦；y＞0mm时为粉末正离焦；产生自愈 合效应最强的粉末负离焦量为：y＝-1.5mm。所述激光金属成形包括单道激 光金属成形或薄壁零件堆积成形。