CN109396434A - 一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其制备方法是：选用流动性好的球形钛合金粉末为原材料；使用三维软件构建所需制备的零件模型，将模型进行二维切片后导入选区激光熔化成型设备；设定合适的激光加工工艺参数，加工过程在氩气保护气氛下进行，加工完成后进行线切割，清洗，喷砂即得。与现有技术相比，本发明提供的制备钛合金零件的方法，通过不断优化激光加工工艺参数，使得制得的钛合金零件致密度高、综合机械性能强。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造领域，尤其是涉及一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法。
背景技术
3D打印技术突破了传统制造技术的切削加工或材料受迫成形原理的思路，采用新型的增材成形思路，通过离散堆积的方法由下而上逐层累积，无需传统的模具和机加工即可实现材料的成形。相对于传统的机械加工方法，3D打印技术主要有以下优点：(1)成形过程更加灵活，无需工装夹具或模具的支持，特别适用于成形结构复杂的制件，能够满足特殊制件的小批量生产和个性化定制要求；(2)能够实现材料的“净成形”或“近净成形”，提高了材料的利用率；(3)3D打印技术成形效率高，生产周期短，极大地降低了生产成本，且成形过程便于实现信息化控制；(4)由于激光热源能量密度高，3D打印成形的制件经历了快速熔化/凝固过程，其非平衡凝固特点促进了制件性能的优化，进而形成了优于传统锻造、铸造等工艺成形件的微细均匀、综合机械性能优异的快速凝固组织；(5)加工材料的适用范围广，一些传统加工方法难以加工的高熔点金属、合金及陶瓷材料等也可通过该工艺成形。
选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术作为一种典型的3D打印工艺，是在选区激光烧结技术的基础上发展而来的，此工艺实现了成形制件的完全致密化并进一步提高了其综合力学性能。选区激光熔化技术采用粉末的完全熔化机制，通过选择合理的激光工艺参数，使新铺置层金属粉末颗粒完全熔化，已沉积层部分熔化，从而实现层与层之间良好的冶金结合。目前，该技术已用于成形镍基高温合金、钛合金、模具钢、不锈钢等多种金属。
作为航空、航天领域主要结构材料之一的钛合金，由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能好、导热率低、无毒无磁、可焊接等一系列优点，目前，钛合金3D打印技术已成功用于航天发动机中的小型精密构件和航空大型复杂构件的直接成型。早在1997年，美国Sandia国家实验室就提出利用激光增材制造成形钛合金构件的想法，并采用激光熔化沉积技术制备出了第一篇Ti6Al4V钛合金发动机叶片。2012年，增材制造技术的研究、应用取得若干重大进展。如NASA使用选择性激光熔融技术制造金属零件，并计划将该技术用于制造J-2X发动机零件。美国Sciakv公司在大型钛合金构件电子束增材制造技术及装备研究方面处于国际领先地位。近年来我国在钛合金3D打印技术研究方面也取得了很大的进展，但钛合金零件在加工过程中，熔池中发生了复杂的化学反应，输入的热源对成形质量和动量变化有显著的影响，如粉末原材料(粒度、流动性、球形度等)和激光参数(激光功率、扫描速度、扫描间距等)对成形零件具有重要影响。因此，粉体材料快速熔化凝固不可避免的导致成形制件内部的气孔、裂纹和残余应力等组织缺陷，进而影响成形件的综合机械性能及使用的稳定性和可靠性因此，为了得到组织和性能优异的钛合金零件，对粉末原材料和激光参数的控制显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术钛合金零件成形过程中存在的气孔、裂纹等缺陷，本发明提供一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，包括以下步骤：
1)选用流动性好的球形钛合金粉末作原材料；
2)使用三维软件构建所需制备的零件模型，将模型进行二维切片后导入选区激光熔化成型设备；
3)设置选区激光熔化加工过程的加工工艺参数，并进行激光加工；
4)将打印完成后的零件进行线切割，清洗，喷砂即得钛合金零件。
在本发明的一个实施方式中，所述钛合金为Ti6Al4V。
选区激光熔化成形用Ti6Al4V粉末成分为：Al：5.5-6.75％，V：3.5％～4.5％，Fe：≤0.3％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，H：≤0.012％，O：≤0.13％，Ti：余量。
在本发明的一个实施方式中，步骤1)中，选区激光熔化成形用Ti6Al4V粉末粒度范围以15～53μm为主，粒度小于15μm的粉末重量占比3％～5％，粒度大于53μm的粉末重量占比不超过12％。
粒径小于15μm的粉末是造成粉末流动性低的主要原因，制备适用于选区激光熔化用Ti6Al4V粉末，要通过气流分级降低粒径小于15μm的粉末所占的比例，但是考虑到细颗粒粉末比表面积大，烧结驱动力大，有利于激光烧结的进行，同时细颗粒填充到大颗粒的空隙中，可减少成型件的空隙，提高成型件的致密度和强度，因此，需保留一部分细颗粒粉末。粒径大于53μm的粉末是造成选区激光熔化成型件表面粗糙、成型精度差的主要原因，因此，需控制粒径大于53μm的粉末含量。
在本发明的一个优选实施方式中，选区激光熔化成形用Ti6Al4V粉末流动性≤45s。
粉末流动性是影响选区激光熔化成型件质量的关键因素，铺粉流动性较差，导致某些区域的铺粉层厚不均匀，激光烧结时会产生较多飞溅，且成型件中易出现裂纹、未熔粉末等缺陷。
作为优选方案，选区激光熔化成形用Ti6Al4V粉末松装密度为2.2～2.5g/cm3。
在本发明的一个实施方式中，步骤2)中，使用三维软件构建所需模型，并将其保存为STL格式。
在本发明的一个实施方式中，步骤2)中，使用切片软件将STL格式的文件进行切片，切片厚度为0.01～0.02mm。
在本发明的一个实施方式中，步骤3)中，设定金属粉末铺粉厚度为20～40μm，激光光斑直径70～100μm，激光功率150～300W，激光扫描速率800～1500mm/s，激光扫描间距90～130μm。
选区激光熔化过程是激光高能热源与金属材料粉末快速作用的过程，快速的加热冷却使得粉体材料在短时间内产生快速熔化和凝固，这会在材料成型区与已成型区之间造成较大的热应力，如果零件的激光加工参数选择不当，将导致零件发生表面裂纹，一旦宏观裂纹产生，零件的可实用性将受到极大的限制。因此在零件的选区激光熔化成型过程中，需严格选取激光加工工艺参数，得到缺陷少、综合机械性能高的成型件。
在本发明的一个实施方式中，步骤3)中，加工过程中向成形腔内通入氩气做保护气体，保证成形腔内氧含量不超过0.1％。
在本发明的一个实施方式中，步骤3)中，基板预热温度设置为20～50℃。
在本发明的一个实施方式中，步骤4)中，所述线切割采用往复走丝电火花线切割机床，以低于10mm/s的速度走丝。
在本发明的一个实施方式中，步骤4)中，所述清洗为超声波清洗，采用清洗介质为有机溶剂和无水乙醇，清洗时间不低于0.5小时。
在本发明的一个实施方式中，步骤4)中，所述喷砂所采用砂子类型为刚玉砂，粒度为0.5～1mm，持续时间为5～12min。
作为优选方案，所述选区激光熔化快速成型设备为德国的EOS M290设备。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，采用选区激光熔化专用钛合金粉末作为原材料，通过优化金属选区激光熔化加工工艺参数，可使成型精度达到±0.05mm，表面粗糙度Ra小于7.5μm，致密度不小于98％，由此，可得到组织致密、缺陷少、综合机械性能高的钛合金零件；通过后续线切割、清洗、喷砂等处理，可使表面粗糙度Ra小于4.5μm，得到表面质量良好的钛合金零件。
附图说明
图1为实施例1中选区激光熔化成形的钛合金零件实物图。
图2为实施例1中选区激光熔化成形块体零件的腐蚀前后的显微组织结构图。
图3为实施例1中选区激光熔化成形拉伸件的断口形貌图。
图4为实施例2中选区激光熔化成形的钛合金零件实物图。
图5为实施例2中选区激光熔化成形零件的拉伸断口形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，包括以下步骤：
步骤一：选取Ti6Al4V粉末为选区激光熔化成形用原材料，其中粒度小于15μm的粉末重量占比3％～5％，粒度大于53μm的粉末重量占比不超过10％，其余粒度范围为15～53μm之间；流动性≤45s，松装密度2.2～2.5g/cm3；Ti6Al4V粉末成分为：Al：5.5-6.75％，V：3.5％～4.5％，Fe：≤0.3％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，H：≤0.012％，O：≤0.13％，Ti：余量。
步骤二：使用三维软件构建块体及拉伸片模型，并将其保存为STL格式；使用切片软件将STL格式的文件进行切片，切片厚度为0.01mm。
步骤三：采用德国EOS M290设备进行选区激光熔化成形加工，加工开始前先对基板进行预热，基板预热温度设置为35℃。然后向成形腔内通入氩气做保护气体，保证成型腔内氧含量不高于0.1％。设定金属粉末铺粉厚度30μm，激光光斑直径70μm，激光功率300W，激光扫描速率1200mm/s，激光扫描间距110μm。
步骤四：零件加工完成后采用往复走丝电火花线切割机床进行线切割；然后将切割完成后的零件进行超声波清洗，采用清洗介质为120号溶剂油和无水乙醇，清洗时间为1小时；将切割完成后的零件进行喷砂，喷砂所采用砂子类型为刚玉砂，粒度为0.5mm，持续时间为10min。
图1为实施例1中选区激光熔化成形的钛合金零件，图2为实施例1中选区激光熔化成形块体零件的腐蚀前后的显微组织结构图。图3为实施例1中选区激光熔化成形拉伸件的断口形貌图。
参考图1、图2、图3，可知本实施例所得钛合金零件成型精度达到±0.05mm，表面粗糙度Ra小于4.5μm，致密度不小于98％。
实施例2：
一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，包括以下步骤：
步骤一：选取工艺纯Ti粉末为选区激光熔化成形用原材料，其中粒度小于15μm的粉末重量占比4％～5％，粒度大于53μm的粉末重量占比不超过12％，其余粒度范围为15～53μm之间；流动性≤45s，松装密度2.5～2.9g/cm3；Ti6Al4V粉末成分为：Al：5.5-6.75％，V：3.5％～4.5％，Fe：≤0.3％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，H：≤0.012％，O：≤0.13％，Ti：余量。
步骤二：使用三维软件构建块体及拉伸片模型，并将其保存为STL格式；使用切片软件将STL格式的文件进行切片，切片厚度为0.01mm。
步骤三：采用德国EOS M290设备进行选区激光熔化成形加工，加工开始前先对基板进行预热，基板预热温度设置为40℃。然后向成形腔内通入氩气做保护气体，保证成型腔内氧含量不高于0.1％。设定金属粉末铺粉厚度30μm，激光光斑直径70μm，激光功率250W，激光扫描速率1400mm/s，激光扫描间距130μm。
步骤四：零件加工完成后采用往复走丝电火花线切割机床进行线切割；然后将切割完成后的零件进行超声波清洗，采用的清洗介质为120号溶剂油和无水乙醇，清洗时间为1小时；将切割完成后的零件进行喷砂，喷砂所采用砂子类型为刚玉砂，粒度为0.5mm，持续时间为12min。
图4为实施例2中选区激光熔化成形的钛合金零件实物图。图5为实施例2中选区激光熔化成形零件的拉伸断口形貌图。
参考图4、图5，可知本实施例所得钛合金零件成型精度达到±0.05mm，表面粗糙度Ra小于4.5μm，致密度不小于98％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选用球形钛合金粉末作原材料；
2)构建所需制备的零件模型，将模型进行二维切片后导入选区激光熔化成型设备；
3)设置选区激光熔化加工过程的加工工艺参数，并进行激光加工；
4)将打印完成后的零件进行线切割，清洗，喷砂即得钛合金零件。
2.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，步骤1)中，所述球形钛合金粉末中，粒度小于15μm的粉末重量占比3％～5％，粒度大于53μm的粉末重量占比不超过12％。
3.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，步骤1)中，所述球形钛合金粉末流动性≤45s，所述钛合金粉末松装密度为2.2～2.5g/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，步骤2)中，使用三维软件构建所需模型，并将其保存为STL格式，使用切片软件将STL格式的文件进行切片，切片厚度为0.01～0.02mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，步骤3)中，设定金属粉末铺粉厚度为20～40μm，激光光斑直径70～100μm，激光功率150～300W，激光扫描速率800～1500mm/s，激光扫描间距90～130μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，步骤3)中，加工过程中向成形腔内通入保护气体，使得成形腔内氧含量不超过0.1％。
7.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，步骤3)中，基板预热温度设置为20～50℃。
8.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，步骤4)中，所述线切割采用往复走丝电火花线切割机床，以低于10mm/s的速度走丝。
9.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，步骤4)中，所述清洗为超声波清洗，采用清洗介质为有机溶剂和无水乙醇，清洗时间不低于0.5小时。
10.根据权利要求1所述的一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法，其特征在于，步骤4)中，所述喷砂所采用砂子类型为刚玉砂，粒度为0.5～1mm，持续时间为5～12min。
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