CN115090899A - 一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，属于增材制造领域。为解决金属增材制造工件存在应力不均的现象。本发明第一激光器的光路经过第一扩束准直镜进行准直后，进入第一动态聚焦装置，形成汇聚光，再经过第一扫描振镜反射，在待成形表面形成较大尺寸的光斑，对材料表面进行预热处理；第二激光器的光路经过第二扩束准直镜进行准直后，进入第二动态聚焦装置，形成汇聚光，再经过第二扫描振镜反射，在预热处理后的待成形表面形成较小尺寸的光斑，使得粉材熔化成形；第三激光器的光路经过第三扩束准直镜进行准直后，进入第三动态聚焦装置，形成汇聚光，再经过第三扫描振镜反射，在待成形表面形成适中尺寸的光斑，对表面已成型区域进行重熔。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法。
背景技术
金属增材制造技术是近年来机械制造领域发展的重要方向，该技术融合了信息学，材料学，热力学和机械制造工艺学等相关学科的前沿思想，目前对于热门行业的研究发展已经覆盖到了航空航天，生物医疗，汽车模组等产业。
金属增材制造技术利用高能激光束逐层扫描金属粉末，使金属粉末在短时间内熔化、凝固，从而实现复杂结构一体化的增材成形技术。尽管其在成形复杂精密零件方面具有很大的优势，但由于金属增材制造过程中急热急冷的成形特点，成形件中普遍存在孔隙、球化等缺陷，同时由于局部加热不均匀，局部温度难以控制，成形过程中会产生较大的温度梯度，出现应力集中现象，导致零部件出现裂纹、翘曲等。
目前的技术方案，主要是根据加工经验进行工艺参数调整，或者是打印完成后再对工件进行热等静压等后处理，对打印过程中成型件局部的温度控制效果非常有限。
发明内容
本发明要解决的问题是增材制造工件存在应力不均的现象，提出一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，包括如下步骤：
S1、金属增材制造表面成形区域的预热处理：第一激光器的光路经过第一扩束准直镜进行准直后，进入第一动态聚焦装置，形成汇聚光，再经过第一扫描振镜反射，在待成形表面形成较大尺寸的光斑，对材料表面进行预热处理；
S2、金属增材制造表面成形区域的正式成形：第二激光器的光路经过第二扩束准直镜进行准直后，进入第二动态聚焦装置，形成汇聚光，再经过第二扫描振镜反射，在步骤S1预热处理后的待成形表面形成较小尺寸的光斑，使得粉材熔化成形；
S3、金属增材制造表面成形区域的后热处理：第三激光器的光路经过第三扩束准直镜进行准直后，进入第三动态聚焦装置，形成汇聚光，再经过第三扫描振镜反射，在待成形表面形成适中尺寸的光斑，对表面已成型区域进行重熔。
进一步的，步骤S1中所述第一束激光光斑的直径为300-500μm，激光功率为80-200W，预热温度为400-1250K。
进一步的，步骤S2中所述第二束激光光斑的直径为100-200μm，激光功率为80-1500W。
进一步的，步骤S3中所述第三束激光光斑的直径为200-400μm，激光功率为80-250W，重熔温度为1000-2250K。
进一步的，第一激光器、第二激光器以及第三激光器的光路两两相互平行，且第一束激光、第二束激光以及第三束激光的光束中点共线。
进一步的，所述第二束激光光束中点与所述第一束激光光束中点的距离为第一束激光光斑的直径的0.5倍，所述第三束激光光束中点与所述第二束激光光束中点的距离为第二束激光光斑的直径的0.5倍。
进一步的，所述第一束激光的光斑直径与所述第二束激光的光斑直径之比为3:1-2:1，所述第二束激光的光斑直径与所述第三束激光的光斑直径之比为1:1.5-1:2。
进一步的，第一扫描振镜和第二扫描振镜以及第三扫描振镜的角度调整范围为1-60°，使得第一束激光光斑和第二束激光光斑以及第三束激光光斑在保持相对位置不变而同时在待成形表面移动。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，包含三个激光束。第一束激光光斑尺寸最大，用于对材料表面进行预热处理，目的在于降低熔覆过程的温度梯度，第二束激光光斑尺寸最小，用于正式的激光熔覆成形，第三束激光尺寸适中，用于对已成形表面进行后热处理，降低成形体内的残余应力，并消除熔覆层内的孔隙与裂纹。有助于提高金属增材制造的成形质量。针对成型件的局部温度控制，使得成型件在打印之前粉末层能够被预热，打印后成型件能够进行热处理以消除残余应力，减少整个打印过程的温度梯度变化。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图详细说明如下：
具体实施方式一：
一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，包括如下步骤：
S1、金属增材制造表面成形区域的预热处理：第一激光器101的光路经过第一扩束准直镜102进行准直后，进入第一动态聚焦装置103，形成汇聚光，再经过第一扫描振镜104反射，在待成形表面401形成较大尺寸的光斑，对材料表面进行预热处理；
进一步的，步骤S1中所述第一束激光光斑的直径为300-500μm，激光功率为80-200W，预热温度为400-1250K；从而降低熔覆过程的温度梯度，第一束激光的激光功率较小，预热温度应低于粉末材料熔点；
S2、金属增材制造表面成形区域的正式成形：第二激光器201的光路经过第二扩束准直镜202进行准直后，进入第二动态聚焦装置203，形成汇聚光，再经过第二扫描振镜204反射，在步骤S1预热处理后的待成形表面401形成较小尺寸的光斑，使得粉材熔化成形；
进一步的，步骤S2中所述第二束激光光斑的直径为100-200μm，激光功率为80-1500W；
S3、金属增材制造表面成形区域的后热处理：第三激光器301的光路经过第三扩束准直镜302进行准直后，进入第三动态聚焦装置303，形成汇聚光，再经过第三扫描振镜304反射，在待成形表面401形成适中尺寸的光斑，对表面已成型区域进行重熔；降低成形体内的残余应力，并消除熔覆层内的孔隙与裂纹。第三束激光的激光功率适中，后热处理温度略高于于粉末材料熔点。
进一步的，步骤S3中所述第三束激光光斑的直径为200-400μm，激光功率为80-250W，重熔温度为1000-2250K。
进一步的，第一激光器101、第二激光器201以及第三激光器301的光路两两相互平行，且第一束激光、第二束激光以及第三束激光的光束中点共线。
进一步的，所述第二束激光光束中点与所述第一束激光光束中点的距离为第一束激光光斑的直径的0.5倍，所述第三束激光光束中点与所述第二束激光光束中点的距离为第二束激光光斑的直径的0.5倍。
进一步的，所述第一束激光的光斑直径与所述第二束激光的光斑直径之比为3:1-2:1，所述第二束激光的光斑直径与所述第三束激光的光斑直径之比为1:1.5-1:2。所述第一束激光与所述第二束激光以及所述第三束激光的光斑直径根据粉末材料类型和光斑扫描速度的不同保持固定比例。
进一步的，第一激光器101、第一扩束准直镜102、第一动态聚焦系统103、第一扫描振镜104及第二激光器201、第二扩束准直镜202、第二动态聚焦系统203、第二扫描振镜204及第三激光器301、第三扩束准直镜302、第三动态聚焦系统303、第三扫描振镜304、待成形表面401的相对位置固定不变。
进一步的，第一扫描振镜104和第二扫描振镜204以及第三扫描振镜304的角度调整范围为1-60°，使得第一束激光光斑和第二束激光光斑以及第三束激光光斑在保持相对位置不变而同时在待成形表面401移动。
进一步的，待成形表面401置于底座402上部。
具体实施方式二：
一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，包括如下步骤：
S1、金属增材制造表面成形区域的预热处理：第一激光器101的光路经过第一扩束准直镜102进行准直后，进入第一动态聚焦装置103，形成汇聚光，再经过第一扫描振镜104反射，在待成形表面401形成较大尺寸的光斑，对材料表面进行预热处理；
进一步的，步骤S1中所述第一束激光光斑的直径为300μm，激光功率为125W，预热温度为600K；
S2、金属增材制造表面成形区域的正式成形：第二激光器201的光路经过第二扩束准直镜202进行准直后，进入第二动态聚焦装置203，形成汇聚光，再经过第二扫描振镜204反射，在步骤S1预热处理后的待成形表面401形成较小尺寸的光斑，使得粉材熔化成形，熔化峰值温度为3200K；
进一步的，步骤S2中所述第二束激光光斑的直径为100，激光功率为200W；
S3、金属增材制造表面成形区域的后热处理：第三激光器301的光路经过第三扩束准直镜302进行准直后，进入第三动态聚焦装置303，形成汇聚光，再经过第三扫描振镜304反射，在待成形表面401形成适中尺寸的光斑，对表面已成型区域进行重熔；
进一步的，步骤S3中所述第三束激光光斑的直径为200μm，激光功率为100W，重熔温度为1800K。
以上所述步骤中，粉末材料采用GH3536镍基高温合金，熔点为1568K；
进一步的，第一激光器101、第二激光器201以及第三激光器301的光路两两相互平行，且第一束激光、第二束激光以及第三束激光的光束中点共线。
进一步的，所述第二束激光光束中点与所述第一束激光光束中点的距离为第一束激光光斑的直径的0.5倍，所述第三束激光光束中点与所述第二束激光光束中点的距离为第二束激光光斑的直径的0.5倍。
进一步的，所述第一束激光的光斑直径与所述第二束激光的光斑直径之比为3:1，所述第二束激光的光斑直径与所述第三束激光的光斑直径之比为1:2。
进一步的，第一扫描振镜104和第二扫描振镜204以及第三扫描振镜304的角度调整范围为1-60°，使得第一束激光光斑和第二束激光光斑以及第三束激光光斑在保持相对位置不变而同时在待成形表面401移动。
进一步的，待成形表面401置于底座402上部。
具体实施方式三：
一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，包括如下步骤：
S1、金属增材制造表面成形区域的预热处理：第一激光器101的光路经过第一扩束准直镜102进行准直后，进入第一动态聚焦装置103，形成汇聚光，再经过第一扫描振镜104反射，在待成形表面401形成较大尺寸的光斑，对材料表面进行预热处理；
进一步的，步骤S1中所述第一束激光光斑的直径为400μm，激光功率为150W，预热温度为800K；
S2、金属增材制造表面成形区域的正式成形：第二激光器201的光路经过第二扩束准直镜202进行准直后，进入第二动态聚焦装置203，形成汇聚光，再经过第二扫描振镜204反射，在步骤S1预热处理后的待成形表面401形成较小尺寸的光斑，使得粉材熔化成形，熔化峰值温度为3600K；
进一步的，步骤S2中所述第二束激光光斑的直径为200μm，激光功率为225W；
S3、金属增材制造表面成形区域的后热处理：第三激光器301的光路经过第三扩束准直镜302进行准直后，进入第三动态聚焦装置303，形成汇聚光，再经过第三扫描振镜304反射，在待成形表面401形成适中尺寸的光斑，对表面已成型区域进行重熔；
进一步的，步骤S3中所述第三束激光光斑的直径为300μm，激光功率为125W，重熔温度为2000K。
以上所述步骤中，粉末材料采用GH3536镍基高温合金，熔点为1568K；
进一步的，第一激光器101、第二激光器201以及第三激光器301的光路两两相互平行，且第一束激光、第二束激光以及第三束激光的光束中点共线。
进一步的，所述第二束激光光束中点与所述第一束激光光束中点的距离为第一束激光光斑的直径的0.5倍，所述第三束激光光束中点与所述第二束激光光束中点的距离为第二束激光光斑的直径的0.5倍。
进一步的，所述第一束激光的光斑直径与所述第二束激光的光斑直径之比为2:1，所述第二束激光的光斑直径与所述第三束激光的光斑直径之比为1:1.5。
进一步的，第一扫描振镜104和第二扫描振镜204以及第三扫描振镜304的角度调整范围为1-60°，使得第一束激光光斑和第二束激光光斑以及第三束激光光斑在保持相对位置不变而同时在待成形表面401移动。
进一步的，待成形表面401置于底座402上部。
具体实施方式四：
一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，包括如下步骤：
S1、金属增材制造表面成形区域的预热处理：第一激光器101的光路经过第一扩束准直镜102进行准直后，进入第一动态聚焦装置103，形成汇聚光，再经过第一扫描振镜104反射，在待成形表面401形成较大尺寸的光斑，对材料表面进行预热处理；
进一步的，步骤S1中所述第一束激光光斑的直径为270μm，激光功率为80W，预热温度为500K；
S2、金属增材制造表面成形区域的正式成形：第二激光器201的光路经过第二扩束准直镜202进行准直后，进入第二动态聚焦装置203，形成汇聚光，再经过第二扫描振镜204反射，在步骤S1预热处理后的待成形表面401形成较小尺寸的光斑，使得粉材熔化成形，熔化峰值温度为3000K；
进一步的，步骤S2中所述第二束激光光斑的直径为100μm，激光功率为175W；
S3、金属增材制造表面成形区域的后热处理：第三激光器301的光路经过第三扩束准直镜302进行准直后，进入第三动态聚焦装置303，形成汇聚光，再经过第三扫描振镜304反射，在待成形表面401形成适中尺寸的光斑，对表面已成型区域进行重熔；
进一步的，步骤S3中所述第三束激光光斑的直径为200μm，激光功率为80W，重熔温度为1600K。
进一步的，第一激光器101、第二激光器201以及第三激光器301的光路两两相互平行，且第一束激光、第二束激光以及第三束激光的光束中点共线。
进一步的，所述第二束激光光束中点与所述第一束激光光束中点的距离为第一束激光光斑的直径的0.5倍，所述第三束激光光束中点与所述第二束激光光束中点的距离为第二束激光光斑的直径的0.5倍。
进一步的，所述第一束激光的光斑直径与所述第二束激光的光斑直径之比为3:1，所述第二束激光的光斑直径与所述第三束激光的光斑直径之比为1:2。
进一步的，第一扫描振镜104和第二扫描振镜204以及第三扫描振镜304的角度调整范围为1-60°，使得第一束激光光斑和第二束激光光斑以及第三束激光光斑在保持相对位置不变而同时在待成形表面401移动。
进一步的，待成形表面401置于底座402上部。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (9)
1.一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、金属增材制造表面成形区域的预热处理：第一激光器(101)的光路经过第一扩束准直镜(102)进行准直后，进入第一动态聚焦装置(103)，形成汇聚光，再经过第一扫描振镜(104)反射，在待成形表面(401)形成光斑，对材料表面进行预热处理；
S2、金属增材制造表面成形区域的正式成形：第二激光器(201)的光路经过第二扩束准直镜(202)进行准直后，进入第二动态聚焦装置(203)，形成汇聚光，再经过第二扫描振镜(204)反射，在步骤S1预热处理后的待成形表面(401)形成光斑，使得粉材熔化成形；
S3、金属增材制造表面成形区域的后热处理：第三激光器(301)的光路经过第三扩束准直镜(302)进行准直后，进入第三动态聚焦装置(303)，形成汇聚光，再经过第三扫描振镜(304)反射，在待成形表面(401)形成光斑，对表面已成型区域进行重熔。
2.根据权利要求1所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，其特征在于：步骤S1中所述第一束激光光斑的直径为300-500μm，激光功率为80-200W，预热温度为400-1250K。
3.根据权利要求2所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，其特征在于：步骤S2中所述第二束激光光斑的直径为100-200μm，激光功率为80-1500W。
4.根据权利要求3所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，其特征在于：步骤S3中所述第三束激光光斑的直径为200-400μm，激光功率为80-250W，重熔温度为1000-2250K。
5.根据权利要求4所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，其特征在于：第一激光器(101)、第二激光器(201)以及第三激光器(301)的光路两两相互平行，且第一束激光、第二束激光以及第三束激光的光束中点共线。
6.根据权利要求5所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，其特征在于：所述第二束激光光束中点与所述第一束激光光束中点的距离为第一束激光光斑的直径的0.5倍，所述第三束激光光束中点与所述第二束激光光束中点的距离为第二束激光光斑的直径的0.5倍。
7.根据权利要求6所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，其特征在于：所述第一束激光的光斑直径与所述第二束激光的光斑直径之比为3:1-2:1，所述第二束激光的光斑直径与所述第三束激光的光斑直径之比为1:1.5-1:2。
8.根据权利要求7所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，其特征在于：第一扫描振镜(104)和第二扫描振镜(204)以及第三扫描振镜(304)的角度调整范围为1-60°，使得第一束激光光斑和第二束激光光斑以及第三束激光光斑在保持相对位置不变而同时在待成形表面(401)移动。
9.根据权利要求8所述的一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法，其特征在于：待成形表面(401)置于底座(402)上部。
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| CN202210867033.0A CN115090899A (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 一种基于分阶段热处理的金属增材制造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| US20180141160A1 (en) * | 2016-11-21 | 2018-05-24 | General Electric Company | In-line laser scanner for controlled cooling rates of direct metal laser melting |
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-
2022
- 2022-07-22 CN CN202210867033.0A patent/CN115090899A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180141160A1 (en) * | 2016-11-21 | 2018-05-24 | General Electric Company | In-line laser scanner for controlled cooling rates of direct metal laser melting |
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| CN109702194A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-03 | 南京航空航天大学 | 一种双激光快速增材制造表面质量提升方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 吴文杰;俞桂英;王碧霞;王春蔚;杨勇;: "复合光斑选区熔化成形技术研究" * |
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