[发明专利]一种激光选区熔化与激光切割复合的增材制造方法

说明书

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种激光选区熔化与激光切割复合的增材制造方法。方法包括以下步骤：1)采用碱性溶液清洗基板表面以去除油污，然后打磨去除基板表面的氧化膜并用丙酮擦拭干；2)首先发射加热模式的激光束对粉末床进行扫描预热，使粉末材料加热到微烧结温度，使之产生微烧结；3)接着发射选区熔化模式的激光束对预热好的粉末床进行扫描熔化，形成所需的工件截面层；4)最后发射激光切割模式的激光束对工件截面的内外轮廓进行一次或多次切割扫描，去除或切除轮廓上的粗糙边缘和熔接粉末，以获得精确平顺的零件截面内外轮廓；5)重复上述加热、选区熔化、切割过程，最终得到所需的三维实体工件。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种激光选区熔化与激光切割复合的增材制造方法。

背景技术

高精度柔性制造是制造业追求的目标，为此，增材制造(或称3D打印)技术的研究和产业发展成为当今的一个热点。选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术是一种近几年出现的最新的快速成形技术，应用分层制造进行增材制造，通过粉末将CAD模型转换为实物零件。其采用激光快速熔化选区金属粉末与快速冷却凝固技术，可以获得非平衡态过饱和固溶体及均匀细小的金相组织，并且成形材料范围广泛，制造过程不受金属零件复杂结构的限制，无需任何工装模具，工艺简单，可实现金属零件的快速制造，降低成本，还能实现材料组分连续变化的梯度功能材料制造。

但是，与其它增材制造工艺类似，由于选区激光熔化是一个快速成形过程，熔化的金属表面张力很大，所以容易产生球化效应，导致制件内部空洞增多，密度和强度降低；金属粉末熔化快，熔池存在时间短，快速凝固成形时存在较大的温度梯度，以至于容易产生较大的热应力，不同组织的热膨胀系数不一样，会产生组织应力，凝固组织还存在残余应力，这三种应力综合作用将会导致制件产生裂纹。另外，激光选区熔化工艺制造的零件的表面粗糙度较差，需要后续机械加工或者抛光来改善制件的表面光洁度和精度。这些后续加工步骤不但降低了零件的制造效率，更重要的是，对于一些刀具无法进入的部位(如内孔道等)无法实施加工，无法改善其表面质量。因此，制件的表面光洁度较差已经成为增材制造技术的一个瓶颈问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种激光选区熔化与激光切割复合的增材制造方法，包括以下步骤：

1)采用碱性溶液清洗基板表面以去除油污，然后打磨去除基板表面的氧化膜并用丙酮擦拭干；

2)首先发射加热模式的激光束对粉末床进行扫描预热，使粉末材料加热到微烧结温度，即金属粉末T_s＝(0.3～0.4)T_m，无机盐类粉末T_s＝0.57T_m，硅酸盐类粉末T_s＝(0.8～0.9)T_m，T_s为粉末的微烧结温度，T_m为粉末的熔点温度，使之产生微烧结，其中发射的连续激光束聚焦在成形平面的上方5～10μm或下方5～10μm，激光功率10～100W，扫描速度0.01～10m/s，且两次相邻的扫描路径之间不重叠，扫描间距11～30μm。

3)接着发射选区熔化模式的激光束对预热好的粉末床进行扫描熔化，形成所需的工件截面层，其中发射的脉冲激光束聚焦在成形平面上，激光功率200～1000W，光斑直径10～100μm，激光波长为1.06～1.10μm，铺粉层厚为0.01～0.1mm，扫描速度0.01～10m/s，且两次相邻的扫描路径之间不重叠，扫描间距11～30μm。

4)最后发射激光切割模式的激光束对工件截面的内外轮廓进行一次或多次切割扫描，去除或切除轮廓上的粗糙边缘和熔接粉末，以获得精确平顺的工件内外轮廓，其中发射的连续激光束聚焦在工件截面平面上，激光功率100～4000W，扫描速度0.01～10m/s，且两次相邻的扫描路径完全重叠或扫描间距小于8μm。

5)重复上述加热、选区熔化、切割过程，最终得到所需的三维实体工件。