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一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法技术

技术编号:11330321 阅读:145 留言:0更新日期:2015-04-22 20:45
本发明专利技术涉及一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法,包括以下步骤:第一步,将镁粉装入激光成型设备的密封舱内,通入氩气进行保护;第二步,用刮刀将一层镁粉均匀铺在镁合金基板上,镁粉纯度为99.5%;第三步,激光器中发射出一定功率的激光束照射在粉末上,形成一个一定直径的圆形光斑;第四步,激光束按照一定速度和方向移动,根据预先设定的纯镁块体尺寸和形状对镁粉末进行扫描,扫描间隔均为0.1mm,使被扫描的粉末发生熔化,而后由于热量迅速向周围镁粉末和基板散失而快速凝固;第五步,不断重复上述第二步、第三步和第四步,直到末达到预先设定的纯镁块体尺寸和形状。本发明专利技术制备的纯镁块体相对密度高,使纯镁产品的选区激光熔化成型制造成为可能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及增材制造成型工艺,特别涉及一种纯镁块体的选区激光熔化成型方 法。 技术背景 镁及镁合金具有高的比强度、比刚度和低密度,减震性能好、导电导热性能良好, 而且资源丰富,应用前景广泛。但其室温变形能力差,塑性加工困难,难以成型复杂形状零 部件,在很大程度上制约了镁的工程应用。选区激光熔化(SLM)成型技术作为一种新型的 金属增材制造成型工艺,正受到越来越多学者的青睐。该成型方法特别适合于复杂结构件 成型和产品个性化制造,并且其生产周期短、材料损耗少、产品性能优良。选区激光熔化成 型技术为金属镁产品的制造和应用开辟了一条新道路。金属镁粉具有活性特别高、容易氧 化、流动性差等特点,采用选区激光熔化成型特别困难。近年来,有人研究了纯镁粉末的单 道单层的选区激光熔化成型技术,也报道了镁与铝等抗氧化性较好的金属组成的混合粉末 的选区激光熔化成型的研究结果。CN 101856724 A公开的一种医用镁合金金属零件的选 区激光熔化成型装置,包括控制装置、送铺粉装置、激光传输机构、气体净化装置和封闭的 成型室,送铺粉装置包括料斗和安装于料斗下方两侧的铺粉刷,料斗上方与成型室上方的 填料口对应设置,铺粉刷的下方与成型缸的上表面水平对应;激光传输机构设于成型室的 外上方,且对应成型缸设置;成型室的侧壁上设有便于气体进出的进气口和出气口,气体净 化装置分别与进气口和出气口连接;控制装置分别连接送铺粉装置、激光传输机构、成型 缸和气体净化装置。该专利技术还提供了由上述装置实现的医用镁合金金属零件的选区激光 熔化成型方法。该专利技术能够直接制造出满足医学领域复杂形状零件,具有成型效率高等优 点。但利用选区激光熔化成型技术来制作纯镁块体还没有获得成功,原因在于SLM纯镁块 体的成形和相比较SLM镁合金块体的成形困难在于,纯镁具有活性特别高、容易氧化、流动 性差等特点。镁的平衡电位在金属中是很负的,其标准电极电位为-2. 37V,比铁低约2V, 比铝低0.7V左右,因此化学稳定性很差。CN 101856724 A公开的镁合金成型方法严格要 求材料化学成分(质量分数)为:Mg 95. 0 %?97. 0 %,Al 2. 50 %?3. 50 %,Zn 0· 60 %? I. 40%,Mn 0· 20%?I. 0%,Si < 0· l%,Fe < 0· l%,Cu < 0· 05%,其中 Mg 的标准电极电 位为-2. 37V,Fe的标准电极电位为-0. 440V,Al的标准电极电位为-I. 66V,Zn的标准电极 电位为-0. 763V,Cu的标准电极电位为0. 337V,Si的标准电极电位为-0. 26V,Mn的标准电 极电位为-I. 18V。以上元素的标准电极电位均高于Mg,因此有助于提高镁合金的化学稳定 性。SLM成形纯镁的难点在于,我们利用纯度为99. 5%镁粉,不添加其他元素,纯镁化学稳 定性很差。另外,由于纯镁特别容易被氧化,对成形仓的氧气含量及其敏感。需要在成型室 内通入氩气保护气氛,降低氧气含量。CN 101856724 A公开的镁合金成型方法,严格要求成 型室内的氧浓度控制在5?IOppm的浓度范围内,即氧浓度控制在0. 0005%?0. 001%。
技术实现思路
本专利技术针对镁塑性加工困难,而目前还没有成功实现纯镁块体的选区激光熔化成 型的现状,通过大量理论和试验研究,提供,利用该 方法制备的纯镁块体相对密度高(相对密度=块体密度/理论密度),具有工业应用前景, 使金属镁产品的选区激光熔化成型制造成为可能。 本专利技术所述的,包括以下步骤: 第一步,将镁粉装入激光成型设备(型号为EOS M280)的密封舱内,通入氩气进行 保护; 第二步,当密封舱内的含氧量低于0. 1 %时,用刮刀将一层镁粉均匀铺在镁合金基 板上,镁粉纯度为99. 5% (重量百分数); 第三步,采用Yb-fibre激光器中发射出功率80?100W的激光束照射在镁粉末 上,形成一个直径为〇. 09?0. 12mm的圆形光斑;当激光器的功率小于80w时,由于输入能 量太低,镁粉末不能被加热到足够的温度,熔化不充分,不能得到足够致密的纯镁块体。当 功率大于IOOw时,输入能量过高,局部温度快速升高,甚至导致镁粉的明显气化(熔点低, 吸收过多能量),使得成型件孔隙率增加、残余应力过大,成型块体很脆而无法使用。激光束 的圆形光斑直径过小会导致能量密度过大,容易引起明显的气化。而激光束的圆形光斑直 径过大,导致能量密度过低,不能使镁粉充分熔化。 第四步,激光束按扫描照镁粉层,根据预先设定的纯镁块体尺寸和形状对镁粉末 进行扫描,扫描间隔均为〇. 1_,使被扫描的镁粉末发生熔化,而后由于热量迅速向周围镁 粉末和基板散失而快速凝固;每层只需进行一次激光扫描; 第五步,不断重复上述第二步、第三步和第四步,直到被激光扫描的镁粉末达到预 先设定的纯镁块体尺寸和形状。 所述的,其采用的激光束扫描速度为 0. 08?0. 12m/s。当激光束扫描速度低于0. 08m/s时,由于扫描速度过慢,导致激光束扫描 于一定区域时注入能量越多,激光作用时间较长,基体因热传导而升温,导致熔池冷却速度 减慢,晶粒变得越粗大,而且金属镁在高温下的时间过长,氧化加剧;因此成型性恶化甚至 不能成型。当扫描速率高于〇. 12m/s,激光束的作用时间短,不能使扫描区域内的粉末充分 熔化,也难以成型。 所述的,其特征是:铺镁粉层的厚度为 0. 02?0. 05mm。铺镁粉层的厚度过小,激光扫描时热影响区深度增加,冷却速度减慢,氧化 严重,难以成型,并且降低生产效率。铺镁粉层的厚度过大,激光无法将该层镁粉充分熔化, 成型件致密度下降甚至无法成型。 在激光成型设备的密闭舱体内通入氩气进行保护,利用刮刀将镁粉分层铺平在 镁合金基板上;每铺上一层后,根据预先设定的形状和尺寸,利用激光束对需要成型的镁粉 末进行扫描,使这部分镁粉末迅速熔化并快速凝固成一个薄片,然后再铺下一层镁粉末并 进行激光扫描;该过程不断重复,快速凝固的薄片层层叠加并产生冶金结合,从而通过增材 制造的方式得到三维纯镁块体。 本专利技术解决了镁塑性加工困难,而目前还没有成功实现纯镁块体的选区激光熔化 成型的问题,利用本专利技术制备的纯镁块体相对密度高可以达到95%以上;由于成型只需要 成型室氧含量在〇. 1%以下,从而更容易降低成型成本;本专利技术具有工业应用前景,使金属 镁产品的选区激光熔化成型制造成为可能。【具体实施方式】 下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明。 实施例1 : 用粒度为-400目、纯度99. 5%制备尺寸为IOmm(宽)X15mm(长)X15mm(高)的 纯镁块体,其具体工艺步骤是: 第一步,将金属镁粉装入型号为EOS M280的激光成型设备的密封舱内,通入氩气 进行保护; 第二步,当密封舱内的含氧量低于0. 1 %时,用刮刀将镁粉均匀铺在镁合金基板 上,镁粉厚度为〇.〇3mm; 第三步,激光器中发射出80W功率的激光束照射在镁粉末上,形成一个圆形的光 斑,光斑直径0. 09mm ; 第四步,激光束按照一定方向,并且按照0.08m/s的速度移动,对镁粉末进行扫 描,扫描间隔〇. 1mm,扫描范围为1本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种纯镁块体的选区激光熔化成型方法,包括以下步骤:    第一步,将镁粉装入激光成型设备的密封舱内,通入氩气进行保护;    第二步,当密封舱内的含氧量低于0.1%时,用刮刀将一层镁粉均匀铺在镁合金基板上,镁粉纯度为99.5%;    第三步,采用Yb‑fibre激光器中发射出功率80~100W的激光束照射在镁粉末上,形成一个直径为0.09~0.12mm的圆形光斑;    第四步,激光束按扫描照镁粉层,根据预先设定的纯镁块体尺寸和形状对镁粉末进行扫描,扫描间隔均为0.1mm,使被扫描的镁粉末发生熔化,而后由于热量迅速向周围镁粉末和基板散失而快速凝固;每层只需进行一次激光扫描;    第五步,不断重复上述第二步、第三步和第四步,直到被激光扫描的镁粉末达到预先设定的纯镁块体尺寸和形状。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:王勇程龙胡东乔丽英张丁非傅广
申请(专利权)人:重庆大学
类型:发明
国别省市:重庆;85

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