提高激光选区熔化零部件质量性能的工艺条件设计方法技术

本发明专利技术提出提高激光选区熔化零部件质量性能的工艺条件设计方法。利用改进的激光选区熔化工艺设备制取正交试验样件，综合考虑成形工艺与后处理工艺的协同关系以及两者所涉及的工艺参数之间的交互耦合作用，基于BP神经网络建立预测模型，将各个指标预测值的平均值和均匀性加权作为统一控制优化目标，利用所提出的灰色关联度和粒子群算法结合的方法进行科学的、高效的、准确的求解，最终给出提高激光选区熔化零部件成形质量与力学性能的工艺条件设计方法，充分发挥后处理的技术优势，对后处理在增材制造的串行生产应用意义重大，促进增材制造技术进一步推广应用。材制造技术进一步推广应用。材制造技术进一步推广应用。

【技术实现步骤摘要】
提高激光选区熔化零部件质量性能的工艺条件设计方法


[0001]本专利涉及先进制造控形控性
，尤其涉及提高激光选区熔化零部件质量性能的工艺条件设计方法。

技术介绍

[0002]激光选区熔化(selective laser melting，SLM)技术是20世纪90年代发展出现的一种新型的增材制造技术，其成形过程受到多种机制影响，包括热传递材料物理性质和相变等。SLM工艺能在极短时间内完成金属粉末的熔化、润湿、流动、铺展、熔覆线搭接和层间冶金结合，在激光作用下经历一次加热
‑
熔化
‑ꢀ
凝固
‑
冷却的微区熔炼、非平衡凝固结晶过程后，已成形的沉积层在后续激光熔化沉积过程中会经历多次重熔
‑
冷却和再加热
‑
冷却的热循环过程。显然，这种复杂的热循环能直接决定熔池尺寸、形貌和显微组织，并控制后续的组织转变类型。
[0003]SLM成形过程随激光工艺参数的改变将表现出高度敏感性及复杂多变性，给成形零件力学性能的调控造成很大难度，该工艺涉及长时间循环往复的激光逐行、逐层局部熔凝过程，主要工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度等)、成形气氛环境及熔池熔体状态都不可避免存在波动，再加之激光扫描轨迹周期性变化引起的不连续性及不稳定性，在成形件局部区域(单道烧结线内部，线与线之间；单一烧结层内部，层与层之间)都有可能产生冶金缺陷。特别是，在粉体完全熔化及激光动态扫描条件下，熔池本身具有很强的不稳定性，液相凝固收缩效应明显，极易在激光成形件中形成复杂的残余内应力，严重时产生变形和开裂。
[0004]再者，在SLM成形过程中微细激光光斑以极快的速度扫描(通常达到1m/s)，与粉末作用时间仅有10
‑5～10
‑6秒。熔池沿激光扫描方向数百微米，宽度和高度仅有100微米左右。激光的快速移动导致微尺度熔池以非常快的冷却速度凝固，形成的晶粒来不及长大，一般形成晶间距小于1微米的细小柱状晶和胞状晶，晶粒尺度远小于铸造(几十毫米)和锻件(数毫米)的微观组织。细晶将赋予其优良的力学性能，如较高的强度和韧性。研究表明，SLM成形的大多材料其强度远高于同质铸件水平，与锻件相当，有些材料甚至超过锻件水平。但是，由于SLM零件中微孔、裂纹和熔池边界等冶金缺陷，导致SLM零件的韧性略低。
[0005]因此，SLM技术成形过程是一个激光能量直接作用于金属粉末表面使之完全熔化并急速冷却的过程，使得成形后的合金样件普遍面临着残余应力与结构缺陷等问题，力学性能较差，从而导致其无法更好地满足使用要求。通过调整工艺参数和优化结构，可以在一定程度上改善这些缺陷，但无法完全避免，因此需要通过适当的后处理改善成形件的综合性能。
[0006]传统的锻造和铸造技术中常见的后处理有热处理和振动处理，SLM成形件后处理方法基于改善成形件出现的结构缺陷、残余应力和机械性能，考虑到SLM 加工工艺的特殊性，SLM成形件的后处理工艺不能完全参照传统成形制造后处理，如对加热温度和保温时间的控制，因为SLM加工成形件的晶体组织相对于传统制造的工件更加细小和排列不均匀，而
温度和保温时间会对晶体的变化产生重要影响；更重要的是，SLM成形件的后处理方式的选取和调整也和加工工艺参数有很大关系，因此，必须充分考虑SLM成形过程工艺参数与后处理工艺参数之间的关联性，进行统筹协同优化配置。
[0007]总的来说，SLM是实现制造难度大、成本高等复杂结构件快速精准制造的变革性技术，该技术的实现在冶金机理、微观组织、结构形式、缺陷形式等方面与传统的制造有着很大的差异，因此传统的标准及其评价方法已经无法适应新的产品的需求，而现有关于增材制造工艺条件的设计优化研究更多地关注 SLM成形工艺或后处理工艺中的一种，鲜有涉及SLM成形与后处理工艺两者协同优化的研究，同时，也未有一种公认的科学的增材制造成形质量与力学性能统一评价方法，不能系统、全面的反映工艺参数对成形质量与力学性能的综合作用效果，严重制约SLM技术的工程应用与全面推广。
[0008]综上，依据SLM技术的特征，探索综合性能评价标准及评价方法。如何有效评估工艺参数的作用效果，以及如何寻求SLM成形与后处理协同优化的最佳工艺条件，最大限度地提高激光选区熔化零部件成形质量与力学性能，已成为实现该技术工程化应用的关键核心问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提出提高激光选区熔化零部件质量性能的工艺条件设计方法。利用改进的激光选区熔化工艺设备制取正交试验样件，综合考虑成形工艺与后处理工艺的协同关系以及两者所涉及的工艺参数之间的交互耦合作用，基于BP神经网络为零部件的屈服强度、延伸率、硬度、残余应力、粗糙度、表面缺陷损伤指数、内部缺陷损伤指数、晶粒度与致密度建立预测模型，将各个指标预测值的平均值和均匀性加权组合作为统一控制优化目标，利用所提出的灰色关联度和粒子群算法结合的方法进行科学的、高效的、准确的求解，最终给出提高激光选区熔化零部件成形质量与力学性能的工艺条件设计方法。
[0010]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]提高激光选区熔化零部件质量性能的工艺条件设计方法，包括以下步骤：
[0012](a)为提高铺粉均匀性与一致性，利用装有耐高低温耐震压力传感器的刮刀预先在基板上铺设一定厚度的粉末，开启氩气瓶阀门和保护气出口阀门通入氩气以保证成形腔内氧气含量始终保持在极低的范围内，光纤激光器根据计算机控制系统导入的模型参数，选择相应的工艺参数，并控制激光束通过扫描振镜和保护镜后按照一定的扫描方式和路径对当前层粉末进行熔化凝固成形，设备循环工作，逐层累积形成成形件；
[0013](b)对成形件内腔粉末进行清理，对于成形件中难清理的密实粉末，可通过开启激振装置进行振动清粉处理将密实粉末振散，使其易于脱落，达到更彻底的清粉效果，粉末也能得到更有效的回收，清粉和粉末回收完成后，关闭氩气瓶阀门和保护气出口阀门，展开粉末缸隔热伸缩挡板和成形缸隔热伸缩挡板，开启氮气罐阀门，通入液氮使成形腔保持恒定的低温，开启激振装置，之后对成形件进行低温
‑
振动处理，一定时间后关闭激振装置及氮气罐阀门，成形件温度回升至室温，此过程可促进成形件材料内部位错大量增殖，细化晶粒，提高致密度，消除表面及内部缺陷，提高材料综合力学性能；
[0014]进一步地，对于步骤(a)所述的成形件宜在8小时内进行低温
‑
振动处理。
[0015]进一步地，低温
‑
振动处理结束后，成形件可采用出成形腔温度回升或随成形腔温
度回升，但均须保证成形件回升到室温才可进行后续处理。
[0016](c)根据成形件材料特性，可选择直接进行空气气氛热处理，或开启氩气瓶阀门进行惰性气氛保护热处理，或开启真空泵阀门并启动真空泵进行真空热处理，选定合适的成形腔气氛，关闭相应的阀门和设备后，即关闭氩气瓶阀门后，或关闭真空泵阀门和真空泵后，开启加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.提高激光选区熔化零部件质量性能的工艺条件设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(a)为提高铺粉均匀性与一致性，利用装有耐高低温耐震压力传感器的刮刀预先在基板上铺设一定厚度的粉末，开启氩气瓶阀门和保护气出口阀门通入氩气以保证成形腔内氧气含量始终保持在极低的范围内，光纤激光器根据计算机控制系统导入的模型参数，选择相应的工艺参数，并控制激光束通过扫描振镜和保护镜后按照一定的扫描方式和路径对当前层粉末进行熔化凝固成形，设备循环工作，逐层累积形成成形件；(b)对成形件内腔粉末进行清理，对于成形件中难清理的密实粉末，可通过开启激振装置进行振动清粉处理将密实粉末振散，使其易于脱落，达到更彻底的清粉效果，粉末也能得到更有效的回收，清粉和粉末回收完成后，关闭氩气瓶阀门和保护气出口阀门，展开粉末缸隔热伸缩挡板和成形缸隔热伸缩挡板，开启氮气罐阀门，通入液氮使成形腔保持恒定的低温，开启激振装置，之后对成形件进行低温
‑
振动处理，一定时间后关闭激振装置及氮气罐阀门，成形件温度回升至室温，此过程可促进成形件材料内部位错大量增殖，细化晶粒，提高致密度，消除表面及内部缺陷，提高材料综合力学性能；(c)根据成形件材料特性，可选择直接进行空气气氛热处理，或开启氩气瓶阀门进行惰性气氛保护热处理，或开启真空泵阀门并启动真空泵进行真空热处理，选定合适的成形腔气氛，关闭相应的阀门和设备后，即关闭氩气瓶阀门后，或关闭真空泵阀门和真空泵后，开启加热组件使成形腔保持恒定的高温，同时开启激振装置，之后对成形件进行高温
‑
振动处理，一定时间后关闭激振装置及加热组件，成形件冷却至室温，使成形件材料内部位错产生剧烈的滑移与攀移运动，伴随着位错增殖与湮灭交互作用的现象，促进材料内部弹性变形能的释放，大幅消减材料内部残余应力；(d)通过各种检测手段结合数据分析获取后处理成形件各个选定区域的屈服强度、延伸率、硬度、残余应力、粗糙度、表面缺陷损伤指数、内部缺陷损伤指数、晶粒度、致密度；(e)在保证试验结果可靠性、有效性的前提下，重复步骤(a)至步骤(d)，依据工艺参数约束范围，开展多因素多水平的正交试验，建立预测激光选区熔化零部件成形质量与力学性能的BP神经网络模型，模型输入层的节点为激光功率P、光斑直径d、扫描速率v、扫描间距h、单层厚度t
z
、铺粉压力p、低温温度T
l
、低温时间t
l
、低温
‑
振动处理时激振装置的频率f
l
、振幅a
l
、振动时间t
vl
、高温温度T
h
、高温时间t
h
、高温
‑
振动时激振装置的频率f
h
、振幅a
h
、振动时间t
vh
，根据设计经验和试验结果确定隐含层单元的数目，输出层的节点依次为成形件某个特定区域i的屈服强度延伸率δ
i
、硬度H
i
、残余应力粗糙度Ra
i
、表面缺陷损伤指数α
i
、内部缺陷损伤指数α
′
i
、晶粒度Z
i
、致密度K
i
；其中式中，n和n
′
分别为表面和内部的缺陷数量，S和S
′
分别为表面和内部缺陷的等效面积，d为缺陷中心距最近表面的距离；取正交试验结果中80％的数据用于BP神经网络模型的训练，其余20％的数据用于模型回归测试，最终得到激光选区熔化零部件成形质量与力学性能的BP神经网络预测模型；(f)记录步骤(e)中所有正交试验结果中成形件屈服强度最大值σ
smax
和最小值σ
smin
、延伸率最大值δ
max
和最小值δ
min
、硬度最大值H
max
和最小值H
min
、残余应力最大值σ
RSmax
和最小值σ
RSmin
、粗糙度最大值Ra
max
和最小值Ra
min
、表面缺陷损伤指数最大值α
max
和最小值α
min
、内部缺
陷损伤指数最大值α
′
max
和最小值α
′
min
、晶粒度最大值Z
max
和最小值Z
min
、致密度最大值K
max
和最小值K
min
；(g)结合灰色关联度和基本粒子群算法寻求最佳工艺条件组合，全面提高激光选区熔化零部件成形质量与力学性能，建立各个指标(即输出层)的目标评价函数g1(X),g2(X),g3(X),g4(X),g5(X),g6(X),g7(X),g8(X),g9(X)作为适应度函数来评价粒子对应解的优劣，其值越小说明粒子对应的解越好，其表达式分别为：式中，X—设计变量，λ1,λ2,λ3,λ4,λ5,λ6,λ7,λ8,λ9—加权系数，取值范围为0至1；需要说明的是，公式(1)中各个适应度函数的第一项用于评估指标的平均值水平，第二项用于评估指标的均匀性，且需要保证各项分式中的分母不为零；同时给出适应度函数的约束条件为：(h)粒子群初始化，定义初始种群粒子个数m，粒子位置最小值和最大值分别为和设定粒
子运动最大速度V
max
，将最大迭代次数t
max
作为寻优终止条件；随机产生m个粒子的初始位置X
j
(0)(j＝1,2,
…
,m)和初始速度V
j
(0)(j＝1,2,
…
,m)，定义在第t次迭代后第j个粒子所记忆的最好位置为个体极值P
j
(t)，第t次迭代后整个群体记忆的最好位置为全局极值G(t)，令个体极值初始值P
j
(0)＝X
j
(0)，则可求得全局极值初始值G(0)＝argmin{g(P1(0)),
…
,g(P
j
(0)),
…
,g(P
m
(0))}，并令当前迭代次数t＝0；(i)进行从t＝1到t＝t
max
的迭代循环，设定动态学习因子c1＝2/(1+t
0.25
)和c2＝t/t
max
的值，并在每一次迭代中利用公式(3)计算更新每个粒子的位置X
j
(t)和速度V

【专利技术属性】
技术研发人员：宋和川，张清东，周晓敏，张勃洋，李海泉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：