[发明专利]双激光束熔敷成形冲击锻打复合增材制造方法

说明书

本发明公开了双激光束熔敷成形冲击锻打复合增材制造方法，包括如下技术特征：1)两束不同功能的激光束同时且相互协同逐层堆叠熔敷区材料形成工件；2)第一束连续激光利用热效应对金属粉末进行熔敷，与此同时第二束短脉冲激光直接作用在锻造温度范围内的熔敷金属表面，利用第二束短脉冲激光冲击波力学效应对处于锻造温度范围内的熔敷层进行冲击锻打。本发明的特点在于，双激光束充分利用了热效应和冲击波力学效应，同时同步耦合工作，打使每一层熔敷层晶粒细化，提高了整个块体材料的强度和塑性以及晶粒尺寸的均匀性，消除了熔敷层的气孔等内部缺陷和热应力，显著提高了金属零件的内部质量和机械力学综合性能，并有效控制宏观变形与开裂问题。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种双激光束熔敷成形冲击锻打复合增材制造方法。

背景技术

增材制造区别于传统的“去除”制造，不需要原胚和模具，直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，是先进制造技术的重要发展方向。

现有单纯激光熔敷3D成形工艺其实质是“自由增材成形”工艺，普遍存在如下共性技术问题：(1)内部缺陷：工艺参数、外部环境、熔池熔体状态的波动及变化、扫描填充轨迹的变换等，都可能在零件内部局部区域产生各种特殊的内部冶金缺陷，例如，气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷等。这些内部缺陷是承力结构件致命的疲劳萌生源，其影响最终成形零件的内部质量、力学性能及构件的服役使用安全。增材制造金属材料所呈现出的组织特征与常见的铸态、锻态、焊态金属存在着一定的差异。这种组织特征在很多情况下对金属材料而言是不利的，例如，镍基合金Inconel 718选区激光熔化成型的显微组织出现了织构现象，ν基固溶体中还存在有Nb、Mo元素的偏析。(2)热应力与变形开裂：3D打印成形是一个“逐点扫描熔化-逐线扫描搭接-逐层凝固堆积”的不断循环过程，零件截面不同部位传热效率不同，芯部材料冷却较慢，表层材料冷却较快。在这种强约束下移动熔池的快速凝固收缩、循环加热及非均匀冷却下的非平衡固态相变过程中，零件内产生复杂热应力、组织应力及应力集中和变形，严重影响零件几何尺寸和力学性能，导致零件严重翘曲变形和开裂。

因此，如何在通过金属增材制造金属零件时，尽量避免气孔、未融合和缩松问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。中国专利CN 103862050 A基于层间冲击强化工艺的金属3D打印机及打印方法，该发明专利的特殊之处在于，采取每熔敷一定的层数后，停止3D打印成形，然后通过加热装置将熔敷层上表面加热到100℃-700℃，再对熔敷层进行激光冲击强化或机械喷丸强化。这是熔敷-加热-强化三道工序的组合，加热和强化是熔敷层的后处理工艺，不是复合加工。这三道工序的工艺参数选择各自独立，不影响，单独实施。其存在如下影响实用性的问题：(1)熔敷层冷却后再激光冲击强化，其塑性变形小，很难消除熔敷层内部的空洞、缩松、微裂纹等内部缺陷；(2)熔敷层加热装置复杂程度随着熔敷零件的尺寸增大和结构复杂性增加将成倍增加，甚至难以实现，局部加温技术难度更大。将一个冷却后的3D打印大型构件加热到700℃将需要非常长的时间，熔敷数层后就一次加温循环，则效率十分低下。(3)机械喷丸很难实现局面区域喷丸强化，而且喷丸的丸粒清理十分困难。中国专利CN 105935771 A一种金属模具3D打印激光微区处理方法，采用分层激光熔敷沉积后，再对熔敷层进行第二次激光表面淬火处理，由此类推，形成金属模具。该方法是通过两次工艺形成金属模具，加工效率低。而且，激光表面淬火仅能够改变零件表面硬度，很难消除熔敷沉积层的内部缺陷，多次反复的激光淬火使得内应力更大，更容易发生变形与开裂。