[发明专利]一种利用激光3D打印获得合金构件的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及合金构件制备技术领域，尤其涉及一种利用激光3D打印获得合金构件的方法及装置。

背景技术

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。目前，3D打印成形方式主要包括熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结成形(Selective Laser Sintering，SLS)、光固化成形( stereo lithography apparatus，SLA )、选择性激光熔化成形（Selective Laser Melting,SLM）。

利用激光3D打印技术成型合金已经在国内外开始有少量探索性的尝试，目前激光3D打印合金主要存在以下两个问题：（1）3D打印合金构件在接卸性能上存在很大的缺陷，主要表现在由于激光 3D打印属于层层堆叠，打印过程中会出现孔隙、过烧现象及球化现象，所以导致打印成的金属工件致密度低；（2）激光3D打印过程中的高升降温速率所引起的热应力和残余应力会使所打印的金属构件发生严重的变形、翘曲和开裂问题。上述的问题这严重降低了合金优异的力学性能，那么，如何在保证较高打印效率的基础上抑制其裂纹产生，从而获得大尺寸无裂纹的金属合金构件，是目前激光3D打印合金构件迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于保证较高打印效率的基础上抑制3D打印的合金构件裂纹产生和致密度低的问题，有别于传统的合金成分优化、粉末烧结等方式，本发明通过气雾化制粉技术将合金制备成粉末，采用激光3D打印技术，控制打印成型过程，对粉末进行堆积成型获得具有一定尺寸、低孔隙率、优异性能的合金构件构件。

为实现本发明所述的上述目的，本发明具体采用如下技术方案：

本发明提供了一种利用激光3D打印获得合金构件的方法，该方法包括如下步骤：

（1）3D打印成型前的准备

a：利用计算机建立要打印的合金构件的三维模型，利用切片软件将几何模型分层离散为若干二维切片，各二维切片的几何轮廓生成扫描模型；

b：合金粉末的准备：采用气雾化将合金制备呈粉末状，该合金为FeaCrbMocCdBe的Fe基合金，式中a、b、c、d、e均为原子百分数，且43≤a≤52，13≤b≤19，26≤c≤33，2≤d≤5，1≤e≤3，其中a+b+c+d+e=100；

（2）3D打印成型过程

根据步骤（1）中的扫描模型，使用激光3D打印装置，将步骤（1）中的合金粉末逐层堆积制造成合金构件模型，具体步骤如下：

a：预先向成型室内通入惰性气体使成型室内氧含量低于8ppm；

b：调节自动送粉装置的送粉管的送粉角度，设置送粉流量为20-40g/min，保证能均匀送粉且不干扰激光光束；

c：调节打印激光器出光口与成型基板的垂直高度为4-5mm，控制离焦量，使打印激光路径的光斑在成型基板表面聚焦于一圆点，并使自动送粉装置开始输送合金粉末；

d：调节激光器发射激光束，使其聚焦于成型基板表面打印激光器路径光斑后方；

e：设定激光器按预先设计的轨迹在成型基板上按“点-线-面-体”的方式进行辐照熔覆，层状叠加，熔覆结束后，保持惰性保护气体继续输送，待成型试样自然冷却，用砂纸将成型试样表面烧损氧化部分打磨掉，控制表面粗糙度Ra0.63～1.25μm，并用无水乙醇擦洗试样，然后晾干。

作为本发明对上述方案的优选，所述惰性保护气体为Ar气。

2、通过降低激光扫描速度能够适当降低成型试样的内应力，避免裂纹出现，同时因激光扫描速度过慢会使单位热输入量过大，所述打印激光器的移送速度为400-1000mm/min，打印激光器功率为1000-1200W。

本发明还提供了上述方法中所提到的一种利用激光3D打印获得合金构件的装置，其包括成型室、成型基板、激光束筒、自动送粉装置及激光器，其中成型室分别设有惰性气体输入口和惰性气体输出口，所述成型基板设于成型室下方，自动送粉装置固定于激光束筒外部并随激光束筒移动，所述激光器与激光束筒通过连接器相对固定，所述激光束筒通过一位移机构在成型室内沿水平和垂直方向移动，所述自动送粉装置还包括对称设置在激光束筒出光口两侧的送粉管，所述送粉管由一调节装置调节送粉管自身与出光口所呈夹角。