一种多孔金属零部件的近净成形方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔金属零部件的近净成形方法，步骤为：①先设计出零件的三维ＣＡＤ模型，保存为ＳＴＬ文件，并输送到ＳＬＭ快速成形设备；②将设备抽真空后通入保护性气体；③送粉机构在金属基板上平铺一层厚度０．０５～０．１５ｍｍ、粒径为１０－１００μｍ的金属粉末；④采用激光功率≥１００Ｗ的激光束对切片边界的外轮廓进行扫描，使外轮廓熔化；⑤重复步骤③－④，直成形完毕；⑥将成形零件的外壳与装载在外壳中的粉末，整体置于高温烧结炉中进行烧结成形。该方法无需模具，具有工艺过程简单易行、可制造复杂形状的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于快速成形技术与粉末松装烧结复合成形领域，具体为一种近净成形多孔金属零件的方法。
技术介绍
多孔材料是由金属骨架与孔隙构成的一种材料。与致密材料相比，多孔材料的典型特点是内部含有大量的孔隙。因此，多孔金属具有以下优良性能，如密度小、比表面积大、导热率低、散热能力高、透过性强、吸能吸波吸声能力强，生物相容性好等。近年来，多孔材料零件已经得到了非常广泛的应用，如被用作生物材料器件、减震器、缓冲器、过滤器、吸能器、流体透过器、热交换器、灭火器、发动机排气消声器，金属电极等等。 松装粉末烧结(Loose Powder Sintering, LPS)是一种常见的多孔零件的成形方法。其具体过程是将金属粉末松装于模具内进行无压烧结，在烧结过程中粉末颗粒相互粘结，从而形成多孔烧结体。该成形方法可以生产Fe、Ni、Cu或其他合金多孔体。利用该技术可以制造出孔隙率为40% 60%的多孔零件。为进一步提高孔隙率，可加入疏松剂。 但是利用松装粉末烧结法成形各种多孔材料及零部件时，存在以下问题 (1)粉末松装烧结法难以直接成形出任意复杂形状的零件。多孔材料的应用中需要某种复杂形状，LPS则受到限制则无法直接成形。实际生产中需要机加工，这种方法不仅工艺繁琐，生产效率低，而且还造成了材料的浪费。 (2)粉末松装烧结需要使用模具成形，粉末烧结后需要将零件从模具中脱除，因 此模具的设计与烧结环节至关重要，稍有偏差就会影响零件的尺寸精度。(参考文献 曾舟山.316L不锈钢粉真空松装烧结的研究.粉末冶金材料科学与工程.1997,4(2)， 251-254;左光威.青铜合金粉松装烧结温度的确定.粉末冶金工业.1996,2(6)， 36-37 ;曾剑波，吴诚萍，邱培民.松装烧结多孔钛板.中国有色金属学会第七届全国钛 及钛合金学术交流会.1990年12月10日)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该方法无需模具， 具有工艺过程简单易行、可制造复杂形状的特点。 本专利技术提供的多孔金属零部件的近净成形方法，其特征在于该方法包括下述步 骤 (1)采用三维造型软件设计出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理为后保 存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)快速成形设备； (2)将SLM快速成形设备的成型腔抽成真空，然后通入保护性气体； (3)送粉机构在金属基板上平铺一层厚度为0. 05 0. 15mm、粒径为10-100 y m的金属粉末； (4)采用激光功率大于或等于100W的激光束对切片边界的外轮廓进行扫描，使外 轮廓熔化； (5)重复步骤(3)_(4)，直至整个零件外壳成形完毕； (6)将成形零件的外壳与装载在外壳中的粉末，整体置于高温烧结炉中进行烧结 成形。 本专利技术将选择性激光熔化(SLM)快速成形技术与松装粉末扫描(LPS)结合起来， 这种复合方法具有以下优点 (1)使用SLM单道扫描制造零件的外壳，可以成形出复杂形状结构的零件。 (2)通过LPS烧结内部松散粉末形成多孔材料，避免了使用SLM全部扫描内部粉末 时对形成的孔隙不易控制。 (3)采用SLM成形外壳，免去了设计与制造模具带来的尺寸偏差。 (4)由于可以在SLM成形的包套内填充任意粉末材料进行后续松装烧结，因而该复合成形法所涉及的成形材料广泛。 (5)工艺过程简单，避免了传统的机加工，节省材料。 附图说明 图1为本专利技术选择性激光熔化(SLM)成形金属零件外壳的示意图。 具体实施例方式下面结合附图和实例对本专利技术的具体过程作进一步详细的阐述 (1)每一层制造过程中，仅对轮廓边界的金属粉末进化熔化，而不扫描内部的松散粉末； (2)重复上述过程，多层加工结束后，即可成形出具有一定形状、一定强度的金属 零件外壳，其内部粉末由于未经激光扫描而呈现松散状，对于内部松散粉末处理有两种方 式 (a)同种粉末烧结内部松散的粉末不用倒出，直接作为后续松装烧结的粉末材 料； (b)异种粉末烧结金属零件外壳的最上端留出一小孔，将内部金属粉末倒出，然 后换入待烧结的异种粉末材料。(3)将上述的金属外壳连同内部松装粉末置入高温烧结炉中，在一定温度下保持 一段时间，内部松装粉末经烧结后则成为多孔材料，并在固定外壳下保持特定复杂形状。 金属零件的外壳可以采用以下步骤成形 (1)采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切 片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形设备。 (2)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0. 1 0. 2mm厚度的待加工粉末(粒径 约为10 100 iim)。 (3)采用激光功率大于等于IOOW的YAG激光器或光纤激光器扫描切片轮廓边界并使边界处的粉末熔化，其中扫描速度为20 200mm/S。 (4)重复上述步骤(2)_(3)，直到整个零件的外壳加工结束。 本专利技术的实质是将选择性激光熔化(SLM)技术与粉末松装烧结(LPS)技术结合。 利用SLM技术可以成形复杂形状的优势为PLS成形出金属外壳，即是松装烧结的模具，从而 保证LPS成形出的金属零件具有SLM成形外壳的形状。因此，使用SLM与LPS结合，可以成形出具有任意复杂形状的、内部具有多孔结构的零件。 实例1 (1)利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出多孔零件的CAD三维模型，然后 由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输入到SLM快速成形设备。 (2)由送粉机构在金属基板上平铺一层约为0. 1 0. 2mm厚度的316L不锈钢粉 末，不锈钢粉末的粒径约为10 lOOym，粉末中含有10wt^甲基纤维素作为疏松剂。 以甲基纤维素作为疏松剂时，其加入量一般可以为5_40wt%。 (3)采用激光功率为100W的YAG激光器或光纤激光器扫描切片轮廓边界并使边界 处的粉末熔化，其中扫描速度为150mm/S。 (4)重复上述步骤(2)-(3)，直到整个零件的外壳加工结束，此时金属外壳为后续松装烧结所需要的模具，内部316L不锈钢粉末为后续松装烧结所用粉末。 (5)将金属外壳包含内部316L不锈钢粉末送入到真空烧结炉，抽真空，设定工艺路线为室温下经1小时升温到130(TC，保温20分钟，然后冷却到室温出炉。 (6)最后，对成形出的316L不锈钢零件进行后续加工，使零件的尺寸和形状满足零件要求。 如图l所示，上述过程中，激光束只扫描切片外轮廓使其熔化，而内部为松装粉 末。对金属外壳和内部粉末整体进行烧结，则可形成具有一定形状的多孔零件。 实例2 (1)利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出多孔零件的CAD三维模型，然后 由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输入到SLM快速成形设备。 (2)由送粉机构在金属基板上平铺一层约为O. 1 0. 2mm厚度的铁粉，粉末粒径约 为10 100iim，其中含有硼酸作为疏松剂，加入量为2wt%。 以硼酸作为疏松剂时，其加入量一般可以为l_4wt%。 (3)采用激光功率为100W的YAG激光器或光纤激光器扫描切片轮廓边界并使边界 处的粉末熔化，其中扫描速度为100mm/s。 (4)重复步骤(2)-(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔金属零部件的近净成形方法，其特征在于该方法包括下述步骤：（１）采用三维造型软件设计出零件的三维ＣＡＤ模型，然后由切片软件处理为后保存为ＳＴＬ文件，将ＳＴＬ文件的数据信息输送到选择性激光熔化快速成形设备；（２）将择性激光熔化快速成形设备的成型腔抽成真空，然后通入保护性气体；（３）送粉机构在金属基板上平铺一层厚度为０．０５～０．１５ｍｍ、粒径为１０－１００μｍ的金属粉末；（４）采用激光功率大于或等于１００Ｗ的激光束对切片边界的外轮廓进行扫描，使外轮廓熔化；（５）重复步骤（３）－（４），直至整个零件外壳成形完毕；（６）将成形零件的外壳与装载在外壳中的粉末，整体置于高温烧结炉中进行烧结成形。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史玉升，李瑞迪，王志刚，魏青松，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]