一种具有2.5维周期性结构的激光制造方法技术

本发明专利技术公开了一种具有2.5维周期性结构的激光制造方法，利用超短脉冲激光在待加工金属基体的表面沿多条间隔一定距离的直线进行激光烧蚀，使金属基体表面润湿性发生改变。在间隔分布着两种不同表面润湿性的金属基体表面进行同步送粉式激光熔覆，在完成多个道次激光熔覆之后，各道次的激光熔覆层与相邻道次存在相同的正负高度差绝对值，该熔覆层整体呈现为2.5维周期性结构。通过在激光增材制造过程中重复使用该方法，可以获得密排多直通孔式金属轻量化结构。该结构具有轻量化、高强度、直通孔等优点，可用于冷却液流动冷却或贮氢等领域。可用于冷却液流动冷却或贮氢等领域。可用于冷却液流动冷却或贮氢等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种具有2.5维周期性结构的激光制造方法


[0001]本专利技术涉及激光制造领域，尤其涉及一种具有2.5维周期性结构的激光制造方法。

技术介绍

[0002]先进结构技术是研究工程结构在满足约束条件的前提下按预定目标(如减轻重量、降低成本等)对结构形式进行优化设计和制造成形的一个新兴技术门类。设计变量、目标函数和约束是结构优化的三大要素，其中，设计变量是在优化设计过程中变化的量，是结构直接优化的对象，可分为简单变量、结构几何变量和材料特性变量等；目标函数是优化过程中按照一定规律或方法使设计变量极小或极大的函数关系，是设计变量取得最优解的依据；约束即结构设计所必须满足的限制条件，常见的有几何约束、应力约束、位移约束和稳定约束等，约束是对设计变量优化求解的边界条件。通常把结构优化按设计变量类型划分为三个层次：结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。目前，尺寸优化和形状优化已得到充分的发展，但都存在着不能变更结构拓扑性质的缺陷。结构拓扑优化是近年来从结构优化研究中派生出来的技术分支，基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在已给定的设计区域内寻求材料的最优分布问题。常用的拓扑结构优化方法可以分为退化法和进化法两大类。退化法即传统的拓扑优化方法，一般通过求目标函数导数的零点或一系列迭代计算过程求最优的拓扑结构。进化法则通过选择、交叉、变异等过程使整体性能趋于最佳，从而获得全局最优解。
[0003]润湿性作为固体表面的重要特性之一，在许多领域发挥着重要作用，特别是在金属凝固过程中，凝固初期基体表面润湿性决定了金属液在基体表面异质形核点的数量。对润湿性的深入研究，发现在金属表面制备微结构对金属表面润湿性有重要影响。在高表面能金属基体表面制备微纳结构可达到某种特殊的润湿状态，因此利用金属基体优越的机械性能，制备金属基极端润湿功能表面有着非凡的应用前景。
[0004]在金属结构的激光制造中一般需要经历熔凝过程，这使金属基特定润湿功能表面微结构等拓扑优化构型的构造和维持都成为功能结构激光制造中的难以突破的技术瓶颈。一般而言，利用以粉末床铺粉作为送料方式的激光选区熔化(SLM)技术可以制造出某些不考虑表面功能化微结构的拓扑优化零件，但由于粉末床铺粉层厚受限，导致成形效率低下。而在以同步送粉作为送料方式的激光熔覆
，虽然构造效率相对较高，但由于粉末的连续输送和熔凝过程的精确控制难以兼顾，导致拓扑优化零件的制造难度极大。

技术实现思路

[0005]为了解决以同步送粉作为送料方式的激光熔覆制造拓扑优化零件过程中粉末连续输送和熔凝过程精确控制难以兼顾的问题，本专利技术提供了一种具有2.5维周期性结构的激光制造方法：在金属基体表面以一定的距离为间隔，对金属表面的润湿性进行周期性间隔式改变，使相邻激光熔覆道次的待熔覆表面与激光熔覆粉末熔体之间的润湿角分别是钝角和锐角，在间隔分布着两种不同表面润湿性的金属基体表面进行同步送粉式激光熔覆，
使相邻激光熔覆道次的金属表面与激光熔覆粉末熔体之间的润湿角分别是钝角和锐角，对应地，相邻道次的激光熔覆层横截面轮廓分别为优弧和劣弧，由于每一道次的熔覆添加物质质量的相等性，在完成多个道次的激光熔覆之后，各道次的激光熔覆层与相邻道次存在相同的正负高度差绝对值，该熔覆层整体呈现为2.5维周期性结构。对本专利技术所述方法进行多层重复实施，并利用高熔点粉末对结构中的凹槽进行填充支撑，待构造完毕后清除未熔化的高熔点粉末，即构造出密排多直通孔式金属基轻量化结构。
[0006]该方法包括以下步骤：
[0007]S1：烧蚀孔加工：以一定距离为间隔，使用超短脉冲激光在待加工金属基体的表面沿多条平行直线进行烧蚀孔加工，在金属基体表面形成多道直线型密排烧蚀孔点阵微结构，并与未经烧蚀的间隔区域平行交错排列，使相邻待激光熔覆道次的金属表面与激光熔覆粉末熔体之间的润湿角分别是钝角和锐角；
[0008]S2：激光熔覆：在已形成密排烧蚀孔点阵微结构的金属表面进行多道次同步送料式激光熔覆，搭接率为0，每一熔覆道次与S1所述直线型密排烧蚀孔道次重合，或与S1所述间隔相重合，使相邻道次的激光熔覆层横截面轮廓分别为优弧和劣弧，在相邻熔覆道次之间形成待填充凹槽；
[0009]S3：在待填充凹槽内填充碳化钨粉末并压实，使得碳化钨粉末填充体上表面与熔覆层的凸脊平齐，此时熔覆层和碳化钨粉末填充体表面形成新的待熔覆表面；
[0010]S4：在S3中所述新的待熔覆表面采用多道次同步送料式激光熔覆制备熔覆层；
[0011]S5：以S4中所述熔覆层为加工表面，重复多次进行S1
‑
S4，直至制备出立体结构；
[0012]S6：将S5所述立体结构与S1所述金属基体进行分割，去除立体结构中待填充凹槽内的碳化钨粉末并进行通风除尘和清洗，得到具有多直通孔的金属轻量化结构。
[0013]进一步地，在S1中，脉冲激光为飞秒脉冲激光、皮秒脉冲激光或纳秒脉冲激光的任意一种。
[0014]进一步地，S2中，激光熔覆使用的激光光斑为圆形。
[0015]进一步地，S1中形成的各个直线型密排烧蚀深孔点阵微结构区域的宽度与相邻未加工间隔区域的宽度相等，且均与S2中激光熔覆使用的圆形光斑直径相等。
[0016]进一步地，S1中，直线型密排烧蚀孔点阵微结构中的相邻两个烧蚀孔的孔距为5
‑
15微米。
[0017]进一步地，S2中，熔覆层完全覆盖在直线型密排烧蚀孔点阵微结构表面。
[0018]进一步地，S4中，激光熔覆的搭接率为40％
‑
60％。
[0019]进一步地，S3中采用机械方式将碳化钨粉末进行压实；S6中，取下所述三维立体结构并将其翻转，使侧面向下，向其施加机械振动，清空所述三维立体结构中未熔化的碳化钨粉末，并对所述所有直通孔进行通风除尘和清洗，完成所述三维立体金属轻量化结构的成形。
[0020]进一步地，S3中采用无机粘结剂或有机粘结剂将碳化钨粉末粘结在待填充凹槽，S6中，采用加热方式将无机粘结剂或有机粘结剂去除，以便清理碳化钨粉末。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]本专利技术利用超短脉冲激光在待加工金属基体的表面，沿多条间隔一定距离的直线进行激光烧蚀钻孔，在金属表面制备密排烧蚀孔点阵，使烧蚀孔深度大于后续激光熔覆在
金属基体表面的熔深。超短脉冲烧蚀形成的密排微孔结构与未经烧蚀的原始表面间隔排列，使金属基体表面润湿性发生了周期性改变。在间隔分布着两种不同表面润湿性的金属基体表面进行同步送粉式激光熔覆，使相邻激光熔覆道次的金属表面与激光熔覆粉末熔体之间的润湿角分别是钝角和锐角，对应地，相邻道次的激光熔覆层横截面轮廓分别为优弧和劣弧，由于每一道次的熔覆添加物质质量的相等性，在完成多个道次的激光熔覆之后，各道次的激光熔覆层与相邻道次存在相同的正负高度差绝对值，该熔覆层整体呈现为2.5维周期性结构。通过在激光增材制造过程中重复使用该方法，可以获得密排多直通孔式金属轻量化结构。该结构具有轻量化、高强度、直通孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有2.5维周期性结构的激光制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：烧蚀孔加工：以一定距离为间隔，使用超短脉冲激光在待加工金属基体的表面沿多条平行直线进行烧蚀孔加工，在金属基体表面形成多道直线型密排烧蚀孔点阵微结构，并与未经烧蚀的间隔区域平行相间排列，使相邻待激光熔覆道次的金属表面与激光熔覆粉末熔体之间的润湿角分别是钝角和锐角；S2：激光熔覆：在已形成密排烧蚀孔点阵微结构的金属表面进行多道次同步送料式激光熔覆，搭接率为0，每一熔覆道次与S1所述直线型密排烧蚀孔道次重合，或与S1所述间隔相重合，使相邻道次的激光熔覆层横截面轮廓分别为优弧和劣弧，在相邻熔覆道次之间形成待填充凹槽；S3：在待填充凹槽内填充碳化钨粉末并压实，使得碳化钨粉末填充体上表面与熔覆层的凸脊平齐，此时熔覆层和碳化钨粉末填充体表面形成新的待熔覆表面；S4：在S3中所述新的待熔覆表面采用多道次同步送料式激光熔覆制备熔覆层；S5：以S4中所述熔覆层为加工表面，多次重复进行S1
‑
S4，直至制备出立体结构；S6：将S5所述立体结构与S1所述金属基体进行分割，去除立体结构中待填充凹槽内的碳化钨粉末并进行通风除尘和清洗，得到具有多直通孔的金属轻量化结构。2.根据权利要求1所述的一种具有2.5维周期性结构的激光制造方法，其特征在于：在S1中，所述超短脉冲激光为飞秒脉冲、皮...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙福臻，刘阳，李军，李晓旭，
申请(专利权)人：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司烟台分公司，
类型：发明
国别省市：