一种低输入错位重熔SLM成形的高致密度合金的工艺方法技术

本发明专利技术公开一种低输入错位重熔SLM成形的高致密度钛合金的工艺方法，包括以下步骤：步骤1、SLM设备进行一次单次铺粉，用较低热输入大间距方式对该层合金粉末一次进行第一次成形扫描；其激光功率为p1，扫描速度为v1，扫描间距为d，层厚为h；步骤2、首次扫描结束后，不进行铺粉操作，与步骤1保持相同层厚与扫描间距，但以错位方式更低热输入进行重熔扫描，其激光扫描路径在上次扫描道间中部，激光功率为p2，扫描速度为v2，至此该层扫描结束；根据预设扫描策略旋转，准备下一层扫描；步骤3、重复上述步骤，直至打印结束。本方法采用低输入错位方式，针对成形层未熔区域有效补充，简洁高效，避免了与原成形路径重叠引起的边缘空隙难以消除的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种低输入错位重熔SLM成形的高致密度合金的工艺方法


[0001]本专利技术属于选择性激光熔化
，具体涉及一种低输入错位重熔SLM成形的高致密度钛合金的工艺方法。

技术介绍

[0002]选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是一种近净成形的新兴高精度工艺，其广泛应用于各种高精度的复杂构件的成形工作，其成形工艺具有成形精度高、成形速度快、成形质量可调控等特点。
[0003]目前SLM成形件中普遍观察到多种缺陷存在，在较高能量密度下试样的热输入过高，使得熔池内发生紊流现象，从而卷入保护气或者由于过高温度使得熔池本身气化等而引起的球化现象，而极高的冷却速度限制了这些气体的逸出，使得成形试样上出现较为明显的近球形小空洞。同时若在成形过程中能量密度较低时，粉末受到的热输入量不足，常常导致金属粉末的未熔合现象。
[0004]由此可知，单次扫描对SLM工艺的能量密度要求极高，且需同时兼顾扫描速度与激光功率和扫描间距的协调性，控制难度较大。同时，部分粉末在实际打印过程中存在难以调参的现象，同时出现两种缺陷使得不存在理论上的合适窗口。
[0005]如图1所示为SLM扫描成形常见各种道间熔池形貌，图2是SLM常见孔洞缺陷形貌图，图1中h代表层厚，d代表扫描间距，熔池单道热输入量由熔池大小体现，图1
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a为理论理想模型、图1
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b为扫描间距过小时熔池形貌、图1
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c为扫描间距过大时熔池形貌、图1
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d为激光单道热输入能量密度过小熔池形貌，图1
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e为激光单道热输入量时熔池形貌，可以明显看出当间距过大或能量密度过高时会导致未熔合区域(黑色部分)出现；这会导致如图2
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a所示的未熔合孔洞，同时，当扫描间距过小或能量密度过大时，材料重叠区域热输入量过大回引起球化现象，导致图2
‑
b中的球化气孔问题。同样会对材料的成形形貌产生影响，在实际实验中难以调参。
[0006]中国专利(申请号201911313075.4，名称为利用逐层多次激光重熔提高致密度并避免孔洞缺陷的方法)采用逐层多次激光重熔的方式有效消除了未熔合导致的较大孔洞，然而其多次重熔导致部分区域热输入过大将会影响成形件质量，且成形样件仍存在许多小型孔洞。
[0007]中国专利(申请号CN202210659875.7，名称为“优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法”)针对增材制造镍基高温合金，同样使用重熔方法对镍基高温合金进行了热处理，并同时考虑了不同层间旋转角对整体成形件翘曲变形的影响，但该方法并未考虑对整体材料致密度等打印质量的影响。
[0008]因此，本领域的技术人员亟需具有更好的调参方式，能够解决材料未熔合与球化等气孔从而提升成形件的致密度问题。

技术实现思路

[0009]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是：SLM成形件中普遍观察到多种缺陷存在，在较高能量密度下试样的热输入过高，使得熔池内发生紊流现象，从而卷入保护气或者由于过高温度使得熔池本身气化等而引起的球化现象，而极高的冷却速度限制了这些气体的逸出，使得成形试样上出现较为明显的近球形小空洞。同时若在成形过程中能量密度较低时，粉末受到的热输入量不足，常常导致金属粉末的未熔合现象的问题。
[0010]为实现上述目的，本专利技术通过控制熔池的方式，设计了一种低输入错位重熔SLM成形的高致密度钛合金的工艺方法，具体包括以下步骤：
[0011]步骤1、SLM设备进行一次单次铺粉，采用较低热输入大间距方式对该层合金粉末一次进行第一次成形扫描；其激光功率为p1，扫描速度为v1，扫描间距为d，层厚为h。
[0012]步骤2、首次扫描结束后，不进行铺粉操作，与步骤1保持相同层厚与扫描间距，但以错位方式更低热输入进行重熔扫描，其激光扫描路径在上次扫描道间中部，激光功率为p2，扫描速度为v2，至此该层扫描结束。根据预设扫描策略旋转，准备下一层扫描。
[0013]步骤3、重复步骤1～步骤2，直至打印结束。
[0014]进一步的，增材过程采用低输入错位重熔的方式，通过改变熔池形貌有效消除未熔合缺陷，同时保证了不与原扫描路径发生重叠，避免单位置热输入过高导致的球化现象。
[0015]进一步的，重熔激光扫描策略与第一次扫描策略相同，扫描路径与第一次形成错位。
[0016]进一步的，重熔激光热输入能量密度应低于第一次扫描成形热输入能量密度。
[0017]进一步的，单次扫描激光功率p1为100
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140W，扫描速率v1为600
‑
1200mm/s，扫描间距d为0.06
‑
0.14mm，层厚h为0.025
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0.040mm。
[0018]进一步的，错位重熔扫描激光功率p2为80
‑
110W，扫描速率v2为600
‑
1400mm/s。
[0019]进一步的，扫描策略为棋盘式或条纹式，且每层旋转60
°‑
75
°
。
[0020]相比现有技术，本专利技术至少具备以下有益效果：
[0021]与普通SLM成形合金相比，本方法成形具有更便捷准确的调参手段，成形件基本解决了低热输入引起的未熔合与高热输入引起的球化现象等带来的孔洞，具有着更高的成形致密度，其致密度可达到99.9％以上。
[0022]与现有SLM重熔工艺相比，本方法采用低输入错位方式，针对成形层未熔区域有效补充，更加简洁高效，避免了与原成形路径重叠引起的边缘空隙难以消除的问题。
[0023]与采用其他后处理手段相比，本专利技术采用单激光器SLM成形，无需对原有设备进行改装，降低工艺优化成本。
附图说明
[0024]图1是常规SLM成形常见道间熔池形貌示意图。
[0025]图2是常规SLM成形常见孔洞缺陷形貌示意图。
[0026]图3是本专利技术采用的低输入错位重熔成形方法道间熔池形貌对比示意图。
[0027]图4是本专利技术采用的低输入错位重熔成形方法扫描策略示意图。
[0028]图5是本专利技术中各实施例与对比例成形件孔隙观测图片。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。
[0030]图1是常规SLM成形常见道间熔池形貌示意图，已经在
技术介绍
中阐述过。这里不再累述。
[0031]图2是本专利技术在道间熔池形貌示意对比图，从熔池可以明显看出本专利技术在第一次扫描时采用较低输入大间距方式，通过避免熔池热影响区的过分重叠来解决成形球化问题，但会在道间形成一定未熔合区域，在重熔扫描时针对未熔合区域低输入重熔，解决成形问题保证材料成形质量。
[0032]图3是本专利技术的扫描策略示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低输入错位重熔SLM成形的高致密度钛合金的工艺方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、SLM设备进行一次单次铺粉，采用较低热输入大间距方式对该层合金粉末一次进行第一次成形扫描；其激光功率为p1，扫描速度为v1，扫描间距为d，层厚为h；步骤2、首次扫描结束后，不进行铺粉操作，与步骤1保持相同层厚与扫描间距，但以错位方式更低热输入进行重熔扫描，其激光扫描路径在上次扫描道间中部，激光功率为p2，扫描速度为v2，至此该层扫描结束；根据预设扫描策略旋转，准备下一层扫描；步骤3、重复步骤1～步骤2，直至打印结束。2.如权利要求1所述的低输入错位重熔SLM成形的高致密度钛合金的工艺方法，其特征在于，所述增材过程采用较低输入大间距扫描方式，降低单次扫描道间能量密度，所述重熔扫描采用错位低输入重熔方式，对第一次扫描道间未熔合区域进行重熔。3.如权利要求2所述的低输入错位重熔SLM成形的高致密度钛合金的工艺方法，其特征在于，所述重熔扫描激光在第一次扫描道间中间位置进行扫描，与第一次扫描路径间距为d/2。4.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周琦，李友坤，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：