一种快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法技术

本发明专利技术涉及材料技术领域，具体地涉及一种快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法，在成型平台上安装阵列孔槽结构，阵列孔槽结构包括底模与框模构成一具有工作腔模的阵列体；阵列孔槽结构嵌置于成型区的成型平台基板内，再将配置好的金属粉末分别加入阵列孔槽结构中，将粉末表面调整至激光聚焦平面；通过对阵列实体的设定，将阵列实体的三维形状转化成二维平面结构，以映射至阵列孔槽结构内的粉末处。本发明专利技术的选区激光熔化成型方法相较于现有高通量SLM成型设备而言，成分更加灵活，单次成型的成分种类众多。未对设备整体进行任何改造，便能实现SLM高通量样品的制备，为SLM高通量成分设计与成型提供了实验支持。通量成分设计与成型提供了实验支持。通量成分设计与成型提供了实验支持。

A selective laser melting method for rapid preparation of high flux Composites

【技术实现步骤摘要】
一种快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法


[0001]本专利技术涉及材料
，更具体地，一种快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法。

技术介绍

[0002]选区激光熔化（Selective Laser melting，SLM）技术实际上是在选区激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术基础上发展起来的一种激光增材制造技术。它通过激光发射器发射一束激光，然后通过扫描镜，再通过聚焦光学器件聚焦将激光光斑作用于成型平台的粉末上，通过激光聚焦产生的热量熔化金属粉末/陶瓷粉末进行成型。
[0003]当一层成型完成后，成型平台下降一个切片厚度，粉仓上升一定厚度，再通过刮刀将粉末均匀地铺展在成型平台上，继续激光熔化成型，如此反复加热熔化，冷却凝固直至设计的三维零件成型完成。
[0004]由于SLM成型有3大优势：1. 加工周期短，缩短产品上市时间。2. 能够成型复杂的几何形状，对于任一零件，不论多复杂，都是一层一层熔化成型，基本上不存在传统难加工成型的问题。3.近净成型，零件成型后，仅需少量加工或不再加工就可以使用。因此SLM在高附加值产品的成型上，优势明显。像航空航天，军事装备等领域有许多采用镍基高温合金制造的零件，采用SLM成型，可以大幅度缩短周期，并且提升了产品设计的灵活度，因此应用前景广阔。
[0005]高通量材料是指一次制备出包含不同组分的大量材料样品，通过并行处理的方法，快速获取不同材料的组分、微观结构和宏观性能等数据，从而建立三者的映射关系，最终实现快速的材料优选。
[0006]目前市面上绝大部分选区激光烧结设备都是一次只能加入一种金属成分的粉末。由于SLM采用的是氩气保护环境，在成型前，需要对成型室内充入氩气，这个过程氩气消耗量极大，所以一次成型一种成分的金属对SLM成型金属粉末的研制十分不利。比如在进行混粉研究时，例如金属粉末A和金属粉末B，尽管提前通过成型实验知道了金属粉末A和金属粉末B的成型性能。但是对于AxB(100
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x）的合金粉末如果不逐一进行SLM成型目前是无法准确知道其性能的。如果采用传统的SLM成型方法一次成型一种金属粉末，当取x=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10时，最少需要独立进行10次实验。独立开展十次实验不仅氩气，电消耗较大，而且在进行独立实验之前，需要配置粉末，每次混粉规模都在几公斤。一旦通过SLM成型得知，这个成分粉末性能达不到要求，那么这次混粉的几公斤粉末无法重复利用，几乎浪费掉了。
[0007]因此十分有必要开发一种一次能够成型许多不同成分的SLM成型方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题是在现有的SLM设备基础上，保留原设备的优良功能，在设备的成型区域内进行结构设计，便能实现SLM高通量样品的制备，为SLM高通量成分设计与成型提供了实验支持，采用此方案进行高通量成型能节省大量成本。
[0009]本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：公开了一种快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法，在现有的选区激光熔设备的基础上，在成型平台上安装阵列孔槽结构，所述阵列孔槽结构包括底模与框模构成一具有工作腔模的阵列体；所述阵列孔槽结构嵌置于成型区的成型平台基板内，将基板上表面与成型平台上表面处于同一水平面；将配置好的金属粉末分别加入阵列孔槽结构中，铺平，通过对阵列实体的设定，将阵列实体的三维形状转化成二维平面结构，以映射至阵列孔槽结构内的粉末处；按照阵列实体的工艺参数成型阵列孔槽结构内的粉末。
[0010]其中，优选donut光斑进行成型，其次选择普通高斯光斑成型。对成型后的样品进行热分析，硬度测试、表面粗糙度，依据放热焓大小优选成分，再次兼顾硬度、表面粗糙度。
[0011]本专利技术的快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法，包括以下步骤：S1.依据目标合金成分，调配金属粉末；S2.将混合好的金属粉末加粉至成型区内的表面阵列孔槽结构内，将粉末平铺均匀；S3.将粉末表面调整至激光聚焦平面；S4.为对应的每一个阵列孔槽结构内的粉末设置成型工艺参数；按照预先设计好的程序应用；按照表面阵列孔槽结构的设计使用激光依次进行照射，本方案优选激光进行搅拌熔化，从阵列孔槽结构边缘至中心，由内向外螺旋搅拌熔化，这样可以实时观察充分熔化后的样品；S5.熔化金属粉末直至成型完成，将表面阵列孔槽结构的材料取出。
[0012]进一步地，步骤S3的具体操作为：将基板上表面调整至设定的焦平面位置；再将成型平台上移孔深距离；将基板厚度记为tj，将表面阵列孔槽结构上表面至基板上表面距离记为td，将阵列孔槽结构的孔深度记为h，将需要调整高通量成型平台的高度为H，将铺粉高度度记为T将成型平台上移至上极限后，H的范围为
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tj
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td+h
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T+1.94mm~
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tj
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td+h
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T+2mm，计算结果正号表示上升，负号表示下降。因为以往的选区激光熔化成型方法都是将金属粉末放置在平台基板上，其焦平面的设定比较简单，可以直接作用在金属粉末表面，而本申请中的将粉末表面调整至激光聚焦平面的过程是实现整个产品保证了成品材料一致性的重要步骤，可以使整个阵列孔槽结构内的金属粉末得到充分熔化。
[0013]进一步地，所述阵列孔槽结构的孔槽形状的开口端内壁尺寸大于成型端的内壁尺寸。此种结构为了防止相邻阵列孔槽结构内的粉末在激光熔化是产生溅射。
[0014]进一步地，阵列实体的形状为孔槽结构的表面形状沿着纵向方向逐层叠置形成的；根据激光熔化复合材料的目标形状设计孔槽结构的表面形状，所述孔槽结构的表面形状为正方形、长方形、圆形、菱形、星形的至少一种。本专利设计阵列实体，通过对阵列实体设置SLM成型工艺参数，使得激光按照阵列实体所设置的工艺参数加工高通量小尺度样品，达到了借助阵列实体赋予小尺度样品加工工艺参数的目的。而本专利设计的阵列实体，并非按照传统SLM成型方式一样，设计何种形状的阵列实体，最终成型的样品就是阵列实体的形状。本专利设计的是三维阵列实体，实际可能成型样品为二维。将阵列实体的形状为孔槽结构的表面形状沿着纵向方向逐层叠置形成的，使每次映射的形状都是一致的，大大增加了成型的一致性和稳定性。
[0015]进一步地，激光光斑为donut光斑或高斯光斑。所述激光的扫描照射的路径为杂
序、条状或棋盘状。其中，棋盘状有利于降低残余应力。
[0016]进一步地，所述目标合金成分包括：基础成分为金属单质、二元合金、三元合金、四元合金的至少一种；添加成分为占总质量百分比不足10%的陶瓷相、金属间化合物、金属粉末、合金的至少一种。
[0017]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术的快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法相较于现有高通量SLM成型设备而言，本专利高通量SLM成型成分更加灵活，单次成型的成分种类众多。并且未对设备整体进行任何改造，便能实现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法，其特征在于，在成型平台上安装阵列孔槽结构，所述阵列孔槽结构包括底模与框模构成一具有工作腔模的阵列体；所述阵列孔槽结构嵌置于成型区的成型平台基板内，再将配置好的金属粉末分别加入阵列孔槽结构中，铺平，将粉末表面调整至激光聚焦平面；通过对阵列实体的设定，将阵列实体的三维形状转化成二维平面结构，以映射至阵列孔槽结构内的粉末处；按照阵列实体的工艺参数选区激光熔化成型阵列孔槽结构内的粉末。2.根据权利要求1所述快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.依据目标合金成分，调配金属粉末；S2.将混合好的金属粉末加粉至成型区内的表面阵列孔槽结构内，将粉末平铺均匀；S3.将粉末表面调整至激光聚焦平面；S4.为对应的每一个阵列孔槽结构内的粉末设置成型工艺参数；按照预先设计好的程序应用；按照表面阵列孔槽结构的设计使用激光依次进行照射；S5.熔化金属粉末直至成型完成，将表面阵列孔槽结构的材料取出。3.根据权利要求2所述快速制备高通量复合材料的选区激光熔化成型方法，其特征在于，步骤S3的具体操作为：将基板上表面调整至设定的焦平面位置；再将成型平台上移孔深距离；将基板厚度记为tj，将表面阵列孔槽结构上表面至基板上表面距离记为td，将阵列孔槽结构的孔深度记为h，将需要调整高通量成型平台的高度为H，将铺粉高度度记为T将成型平台上...

【专利技术属性】
技术研发人员：计效园，涂先猛，周建新，陈嘉龙，殷亚军，李天佑，伍缘杰，沈旭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：