用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法技术

一种用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，采用层间梳状拼接方法，通过合理规划拼接区的扫描路径，实现不同扫描分区之间的可靠熔合，消除了成形件拼接界面处的表面起伏现象，避免拼接区的热循环过程以及其温度场分布规律与其他区域产生差异，保障了成形件各分区微观组织的均一性，避免了因拼接区域铺粉层厚不均造成的熔合不良缺陷。本发明专利技术能够有效控制拼接区激光重复扫描过程中重熔的影响范围，避免了因层内重熔产生的拼接区的热循环过程与其他区域的差异，优化拼接区的热循环过程，有助于获得组织性能均一的大幅面零件，并提高了样件强度和塑性，并提高了样件的致密度。

【技术实现步骤摘要】
用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法
本专利技术属于金属增材制造领域，具体是一种多光束激光选区熔化的拼接方式设计以及扫描路径规划。
技术介绍
增材制造技术是一种三维实体快速自由成形制造技术，它综合了计算机的图形处理技术、数字化信息控制技术、激光技术、机电技术和材料技术等多项技术的优势。由于其能够实现传统制造技术难以完成的高性能复杂结构金属零件的制造，具有无模具、快速、致密以及近净成形的有点，近年来该技术已经成为了一种应对航空航天领域技术挑战的最佳新途径。目前，金属增材制造技术主要包含以激光立体成形技术(LaserSolidForming，LSF)为代表的同步送粉(送丝)高能束(激光、电子束、电弧等)熔覆技术，和以激光选区熔化技术(SelectiveLaserMelting，SLM)为代表的粉末床成形技术两个主要方向。二者相比：激光立体成形技术可实现“米”级别的大尺寸零件直接制造，其成形效率较高但尺寸精度一般在“毫米”级别；而激光选区熔化技术可以实现精确度达“微米”级别的尺寸要求，但由于受到现有光学器件的限制，其单光束最大成形幅面不超过300mm×300mm。由此可见，目前发展较为成熟的金属增材制造技术在成形幅面尺寸和成形精度方面尚无法实现兼顾。为了在高精度SLM成形基础上增大成形幅面尺寸，多光束激光选区熔化技术应运而生。该技术采用多个激光光束和振镜系统分区打印，有效扩大了成形幅面。同时，与单光束SLM成形方式相比，多个激光器同时工作，也能够有效提高成形效率。2012年，采用两台激光器/两台扫描振镜组成了双激光SLM设备，可成形零件的最大尺寸为500mm×280mm×325mm。2016年EOS公司也推出了EOS-M400-4型大尺寸多光束SLM设备，该设备具备四套激光系统，每个激光器成形幅面250mm×250mm，可成形最大尺寸400mm×400mm×400mm。与此同时，西安铂力特和华中科技大学也分别制造了最大可成形幅面为500mm×500mm的设备(BLT-S500和NRD-SLM-500)。德国SLM-Solution公司研究人员认为，在多光束SLM拼接成形大幅面零件时，为保证各激光分区之间实现良好结合，需在相邻分区之间定义具有特定扫描方式的拼接区[WiesnerA,SchwarzeD.Multi-LaserSelectiveLaserMelting,8thInternationalConferenceonPhotonicTechnologiesLANE[C],2014]。目前实现相邻激光分区有效熔合的方式主要是为重熔拼接，该方法是指在成形过程中完成一次铺粉后，拼接区的粉末先被一个激光器熔化凝固，再经历另一个激光器的重复扫描，再次熔化凝固，即拼接区将经历至少两次的激光重复扫描过程。该方法拼接区宽度一般不小于20mm。华中科技大学研究人员发现，重熔拼接会使得成形件表面存在落差超过层厚的台阶现象，影响成形件的尺寸精度[LiF,WangZ,ZengX.MicrostructuresandmechanicalpropertiesofTi6Al4Valloyfabricatedbymulti-laserbeamselectivelasermelting[J].MaterialsLetters,2017(199):79-83.]。西北工业大学在实验中也观察到了类似的结果，采用重熔拼接方式获得样件的表面重熔拼接区域存在约三倍层厚的高度起伏，这会降低成形件的表面质量和成形精度，在拼接区形成熔合不良缺陷，在严重的情况下还可能导致后一层粉末铺放失败，从而直接终止SLM成形过程。此外，由于拼接区存在重复扫描过程，会使得其经历的热循环过程与其他区域存在差异，导致拼接区组织不同于其他区域，破坏成形件的组织和性能的均一性，导致成形件的力学性能不能满足使用要求。综上所述，多光束激光选区熔化技术存在的问题主要在于成形件表面尺寸精度与内部熔合不良缺陷的控制，以及拼接过程热循环历史的差异对成形件组织与性能均一性的影响。现有重熔拼接方案无法获得良好的尺寸精度和表面质量，所形成的熔合不良缺陷和组织性能差异性也限制了成形件在关键重要场合的实际应用。为解决这些问题，有必要对现有重熔拼接成形方法提出改进方案。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的无法获得良好的尺寸精度和表面质量、所形成的熔合不良缺陷和组织性能差异性限制了成形件在关键重要场合的实际应用的不足，本专利技术提出了一种用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法。本专利技术的具体过程是：步骤1，材料预处理。步骤2，建立样件的分区模型。所述样件为矩形块状，采用激光选区熔化的方法加工而成。通过CAD软件建立该样件的三维模型。在建立所述矩形块状样件的三维模型时，将该样件分为两部分，分别是第一分区模型1与第二分区模型2，并且所述第一分区模型1与第二分区模型2均为块状，一个端面为平面，另一个端面呈梳齿状。拼接时，将其中的第二分区模型翻转180°，将该第二分区模型端面的梳齿逐个插入所述第一分区模型端面的梳齿间隙中，使二者拼接成为完整的矩形块状样件。在拼接时，需根据原材料成形过程中熔池直径设置相邻分区的层内补偿量△，该层内补偿量△为所述第一分区模型1与第二分区模型2接插部位的重叠量。所述层内补偿量△与原材料成形过程中熔池直径大小相同。将所述矩形块状样件三维模型的数据导入多光束激光选区熔化装置中。步骤3，设定成形工艺参数。根据原材料的熔点与粒径确定各成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度。当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，该锰铜合金球形粉末的粒径为17～53μm；当选用钛合金球形粉末作为原材料时，该钛合金球形粉末的粒径为15～45μm；当选用铝合金球形粉末作为原材料时，该铝合金球形粉末的粒径为15～53μm；当选用纯钨球形粉末作为原材料时，该纯钨球形粉末的粒径为5～25μm；当选用高温合金球形粉末作为原材料时，该高温合金球形粉末的粒径为15～45μm；当选用不锈钢球形粉末作为原材料时，该不锈钢球形粉末的粒径为3～40μm；当选用钛镍合金球形粉末作为原材料时，该钛镍合金球形粉末的粒径为35～75μm。当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，该锰铜合金球形粉末的的激光功率为150～200W，激光扫描速度为800～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为30～60μm。当选用钛合金球形粉末作为原材料时，该钛合金球形粉末的激光功率为120～200W，激光扫描速度为600～1200mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.2mm，铺粉层厚度为30～60μm。当选用铝合金球形粉末作为原材料时，该铝合金球形粉末的激光功率为150～200W，激光扫描速度为600～1000mm/s，激光扫描线距离为0.105～0.150mm，铺粉层厚度为25～50μm。当选用纯钨球形粉末作为原材料时，该纯钨球形粉末的激光功率为300～450W，激光扫描速度为200～1000mm/s，激光扫描线距离为0.08～0.105mm，铺粉层厚度为25～40μm。当选用高温合金球形粉末作为原材料时，该高温合金球形粉末的激光功率为120～200W，激光扫描速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，材料预处理；步骤2，建立样件的分区模型；所述样件为矩形块状，采用激光选区熔化的方法加工而成；通过CAD软件建立该样件的三维模型；在建立该样件的三维模型时，将该样件分为两部分，分别是第一分区模型1与第二分区模型2，并且所述第一分区模型与第二分区模型均为块状，一个端面为平面，另一个端面呈梳齿状；拼接时，将其中的第二分区模型翻转180°，将该第二分区模型2端面的梳齿逐个插入所述第一分区模型端面的梳齿间隙中，使二者拼接成为完整的矩形样件；在拼接时，需根据原材料成形过程中熔池直径设置相邻分区的层内补偿量△，该层内补偿量△为所述第一分区模型1与第二分区模型2接插部位的重叠量；所述层内补偿量△与原材料成形过程中熔池的直径相同；将该样件三维模型的数据导入多光束激光选区熔化装置中；步骤3，设定成形工艺参数；根据原材料的熔点与粒径确定各成形工艺参数；所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度；步骤4，建立坐标系；以所述第一分区模型平面端下表面的任意一个直角处为该坐标系的原点0，以该样件的长度方向作为该坐标系的x方向，以该样件的高度方向作为该坐标系的z方向，以该样件的宽度方向作为该坐标系的y方向；步骤5，安放基板；将基板固定在多光束激光选区熔化装置加工室的工作台上，设定该基板上表面处于坐标系中z轴的0处；步骤6，预热基板；步骤7，加工室中充入保护气；步骤8，成形样件；按照设定的工艺参数，通过1#激光器成形该样件的第一分区模型，使用2#激光器拼接成形该样件的第二分区模型；拼接成形的具体过程是：第一步，成形样件的第一层；通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ；将原材料的球形粉末通过刮刀铺覆在所述基板上表面；所铺覆的原材料球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面；启动1#激光器成形第一分区模型的第一层；启动2#激光器成形第二分区模型的第一层；第二步，成形样件的第二层；通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ；将原材料球形粉末通过刮刀铺覆在所述熔凝成形后的样件第一层的上表面；所铺覆的原材料球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面；启动1#激光器成形第一分区模型的第二层；启动2#激光器成形第二分区模型的第二层；重复上述移动扫描过程，并使重复中的奇数层与第一层的成形过程相同，偶数层与第二层的成形过程相同；每完成一层粉末的熔凝成形，工作台下降一个铺粉层厚度，以实现逐层铺粉、逐层熔凝成形的过程，直至完成该样件的成形。...

【技术特征摘要】
1.一种用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，材料预处理；步骤2，建立样件的分区模型；所述样件为矩形块状，采用激光选区熔化的方法加工而成；通过CAD软件建立该样件的三维模型；在建立该样件的三维模型时，将该样件分为两部分，分别是第一分区模型1与第二分区模型2，并且所述第一分区模型与第二分区模型均为块状，一个端面为平面，另一个端面呈梳齿状；拼接时，将其中的第二分区模型翻转180°，将该第二分区模型2端面的梳齿逐个插入所述第一分区模型端面的梳齿间隙中，使二者拼接成为完整的矩形样件；在拼接时，需根据原材料成形过程中熔池直径设置相邻分区的层内补偿量△，该层内补偿量△为所述第一分区模型1与第二分区模型2接插部位的重叠量；所述层内补偿量△与原材料成形过程中熔池的直径相同；将该样件三维模型的数据导入多光束激光选区熔化装置中；步骤3，设定成形工艺参数；根据原材料的熔点与粒径确定各成形工艺参数；所述的成形工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描线距离，以及铺粉层厚度；步骤4，建立坐标系；以所述第一分区模型平面端下表面的任意一个直角处为该坐标系的原点0，以该样件的长度方向作为该坐标系的x方向，以该样件的高度方向作为该坐标系的z方向，以该样件的宽度方向作为该坐标系的y方向；步骤5，安放基板；将基板固定在多光束激光选区熔化装置加工室的工作台上，设定该基板上表面处于坐标系中z轴的0处；步骤6，预热基板；步骤7，加工室中充入保护气；步骤8，成形样件；按照设定的工艺参数，通过1#激光器成形该样件的第一分区模型，使用2#激光器拼接成形该样件的第二分区模型；拼接成形的具体过程是：第一步，成形样件的第一层；通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ；将原材料的球形粉末通过刮刀铺覆在所述基板上表面；所铺覆的原材料球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面；启动1#激光器成形第一分区模型的第一层；启动2#激光器成形第二分区模型的第一层；第二步，成形样件的第二层；通过所述工作台带动基板向z轴的负方向移动一个铺粉层厚δ；将原材料球形粉末通过刮刀铺覆在所述熔凝成形后的样件第一层的上表面；所铺覆的原材料球形粉末的上表面位于坐标系的xoy平面；启动1#激光器成形第一分区模型的第二层；启动2#激光器成形第二分区模型的第二层；重复上述移动扫描过程，并使重复中的奇数层与第一层的成形过程相同，偶数层与第二层的成形过程相同；每完成一层粉末的熔凝成形，工作台下降一个铺粉层厚度，以实现逐层铺粉、逐层熔凝成形的过程，直至完成该样件的成形。2.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于，当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，该锰铜合金球形粉末的粒径为17～53μm；当选用钛合金球形粉末作为原材料时，该钛合金球形粉末的粒径为15～45μm；当选用铝合金球形粉末作为原材料时，该铝合金球形粉末的粒径为15～53μm；当选用纯钨球形粉末作为原材料时，该纯钨球形粉末的粒径为5～25μm；当选用高温合金球形粉末作为原材料时，该高温合金球形粉末的粒径为15～45μm；当选用不锈钢球形粉末作为原材料时，该不锈钢球形粉末的粒径为3～40μm；当选用钛镍合金球形粉末作为原材料时，该钛镍合金球形粉末的粒径为35～75μm。3.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于：当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量△为0.08mm；当选用钛合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量△为0.1mm；当选用铝合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量△为0.15mm；当选用纯钨球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量△为0.1mm；当选用高温合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量△为0.085mm；当选用不锈钢球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量△为0.09mm；当选用钛镍合金球形粉末作为原材料时，相邻分区的层内补偿量△为0.205mm。4.如权利要求1所述用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法，其特征在于：当选用锰铜合金球形粉末作为原材料时，该锰铜合金球形粉末的的激光功率为150～200W，激光扫描速度为800～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王猛，张思远，张云鹏，林鑫，黄卫东，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61