專利名稱：一種采用激光掃描制造多孔金屬零件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多孔金屬成型和粉末冶金領(lǐng)域，特別是一種利用激光掃描的方法將金屬粉末表層瞬時熔化，并且兩顆粒之間產(chǎn)生瞬間粘性流動熔合形成多孔金屬材料，并直接將多孔金屬材料形成零件的方法。
背景技術(shù)：
與致密金屬相比，多孔金屬具有體積密度小、相對質(zhì)量輕、比表面積大、比力學(xué)性能高、阻尼性能好等特點，已成為一種性能優(yōu)異的功能結(jié)構(gòu)材料。由于其優(yōu)異的物理、力學(xué)性能，且兼具功能和結(jié)構(gòu)的雙重屬性，被廣泛應(yīng)用到航空航天、原子能、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、冶金、機械、建筑、電化學(xué)和石油化工等領(lǐng)域，其應(yīng)用幾乎涵蓋了多孔材料的所有用途，而且有著許多其他多孔材料難以比擬的獨特優(yōu)勢，在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著巨大的作用。目前制備多孔金屬的工藝方法主要有以下幾類
1固態(tài)燒結(jié)法是通過粉末或纖維形式的固態(tài)金屬物質(zhì)來制備多孔金屬材料，這是一種歷史很長的工藝方法，整個加工過程僅有燒結(jié)處理或其他固態(tài)操作。2液態(tài)金屬熔體凝固法適于熔點較低的金屬或合金。由金屬熔體制取多孔材料的具體形式各不相同，有熔體直接起泡法(其中又分熔體發(fā)泡法和氣體注入法)、聚合物泡沫體間接制造法、固態(tài)占位填料鑄造法、粉末致密體熔化發(fā)泡法等。3濺射夾氣沉積法是在一定的惰性氣體分壓下，采用陰極濺射的方法在基體材料上沉積出夾雜惰性氣體原子的金屬。加熱至金屬熔點以上充分保溫，使夾雜的氣體膨脹而形成孔隙，冷卻后即得閉孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料。4噴霧夾帶沉積法是將金屬熔體連續(xù)霧化，產(chǎn)生噴霧形成技術(shù)，如果注入的粉末物質(zhì)在與熔融金屬接觸時分解并釋放大量的氣體，則會在沉積物中產(chǎn)生孔隙，從而制備出多孔金屬材料。5自蔓延高溫合成又稱燃燒合成，是近多年來發(fā)展非常迅速的材料制備新技術(shù)，它是利用化學(xué)反應(yīng)自身的生成熱來維持材料的合成，同時生成多孔的骨架結(jié)構(gòu)。腐蝕造孔法是先制取一固溶體預(yù)合金坯，然后將此合金作為陽極，調(diào)整電化學(xué)勢，使電化學(xué)活性較高的金屬溶解，從而得到多孔金屬。上述多孔金屬制備技術(shù)適合制備多孔金屬材料，無法進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔金屬零件成形制造。近十幾年間發(fā)展起來的選擇性激光熔化(Selective Laser Sintering, SLM) 快速制造技術(shù)打破了金屬零件制造的傳統(tǒng)模式，它利用激光作為加工能源，依據(jù)疊層制造原理，能夠制造出應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的復(fù)雜零部件。華中科技大學(xué)研制了 HRPM — II型SLM快速成形系統(tǒng)，主要由計算機控制系統(tǒng)，光纖激光器、激光光路系統(tǒng)、掃描鏡、工作臺、供粉筒、 鋪粉輥和工作缸構(gòu)成。SLM成形時，先將零件的數(shù)據(jù)模型輸入到SLM快速成型系統(tǒng)的計算機中，先在工作臺而上鋪 層粉末材料，然后，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件實心部分所在的粉末進(jìn)行掃描，使粉末的溫度超過其熔化點，于是粉末完全熔化，得到這一層輪廓。在非熔化區(qū)的粉末仍呈松散狀，作為制件和下一層粉末的支撐。每層熔化成形后，工作臺下降一定的高度(0.02 0. 10 mm)，再進(jìn)行下一層的鋪料和熔化，如此循環(huán)，最終形成三維制件。三維制件完成后，清除其周圍未熔化的粉末，即可得到所需要的
零件/模具。如果將孔隙在金屬零件SLM制造中的產(chǎn)生理解轉(zhuǎn)化成一種有力的造孔控制方法， 即采用SLM技術(shù)制造金屬零件過程中，控制成形孔隙率，不僅可以制造出致密金屬零件，而且可進(jìn)行多孔金屬零件的成形制造，還可成形制造出孔隙梯度金屬零件，更能夠充分發(fā)揮多孔金屬的優(yōu)良性能，拓寬多孔金屬的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，利用上述SLM快速制造技術(shù)可以制造非常優(yōu)良的多孔金屬材料，利用多孔金屬材料根據(jù)復(fù)雜零件的形狀形成零件，不能在制造多孔金屬材料同時直接形成復(fù)雜的多孔金屬零件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種采用激光掃描方法制造復(fù)雜多孔金屬零件的新方法，該方法利用激光作為能源，綜合粉末冶金和激光疊層快速制造原理，同時將金屬零件的內(nèi)部孔隙與外形結(jié)構(gòu)一步制造出來，具有其他多孔金屬材料制備方法無法比擬的優(yōu)勢。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法，該方法利用選擇性激光熔化快速成形系統(tǒng)，同時將金屬零件的內(nèi)部孔隙與外形結(jié)構(gòu)一步制造出來，包括以下步驟
步驟A、配制金屬或者合金粉末；將金屬或合金制備成球形粉末，并進(jìn)行分選，粒度范圍跨度在±10-20ym；
步驟B、建立零件的數(shù)學(xué)模型，輸入到SLM快速成形系統(tǒng)中，所述的SLM快速成形系統(tǒng)中采用激光波長為1.06μπι、最式功率為200W光纖激光器，選擇激光功率調(diào)節(jié)范圍在40W 160W之間，掃描速度范圍為30mm/s 300mm/s之間，粉末層厚范圍30 μ m 300 μ m之間； 步驟C、在選擇性激光熔化快速成形系統(tǒng)中粉末層厚范圍30 μ m 300 μ m之間，進(jìn)行激光掃描制造孔隙金屬零件。進(jìn)一步的，上述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法中步驟A中 將金屬或合金制備成球形粉末，并進(jìn)行分選，粒度范圍跨度在士 10-20 μ m,粉末粒度根據(jù)最終零件的孔徑要求進(jìn)行調(diào)整。一般的趨勢是大孔徑需要粉末粒度較大，小孔徑需要粉末粒度較小。進(jìn)一步的，上述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法中步驟A中 所述的粉末的粒度范圍為-50目 +500目。進(jìn)一步的，上述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法中所述的金屬或合金粉末的粒形為球形或球形與不規(guī)則形狀的混合物。進(jìn)一步的，上述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法中所述的金屬粉末為不銹鋼金屬粉末，粉末選用氣霧化球形粉，粒度為-400目 +450目。更進(jìn)一步的，上述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法中采用 200W連續(xù)式光纖激光進(jìn)行掃描制造，激光功率為40 60W，掃描間距為0. 1 0. 15mm，掃描速度為50mm/s 150mm/s，制造層厚為50 μ m。進(jìn)一步的，上述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法中所述的合
4金粉末為一種對各種腐蝕介質(zhì)都具有優(yōu)良耐蝕性的低碳鎳鉻鉬鈮合金粉末，所述的粉末為氣霧化球形粉末，粒度為-200目 250目。更進(jìn)一步的，上述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法中采用 200W連續(xù)式光纖激光進(jìn)行掃描制造，激光功率為60 100W，掃描間距為0. 15 0. 2mm，掃描速度為80mm/s 300mm/s，制造層厚為80 μ m。本發(fā)明中零件孔隙的產(chǎn)生是靠激光的熱作用使金屬或合金粉末顆粒的表層瞬時熔化，并且兩顆粒之間產(chǎn)生瞬間粘性流動熔合，在熔合的同時縮小了最初松裝粉末的孔隙， 形成了新孔隙率。制造過程就是利用激光能量輸入與粉末種類及粒度的相互作用與孔隙收縮率巧的關(guān)系，達(dá)到目標(biāo)孔隙率^，當(dāng)原粉末松裝孔隙為Oi時，則最終零件的孔隙率為
根據(jù)上述孔隙率與粉末粒度、種類及成形參數(shù)的關(guān)系，可以在零件制造過程中采用不同的制造參數(shù)而在零件的不同區(qū)域得到不同的目標(biāo)孔隙率，如此制造出不同區(qū)域具有不同孔隙率的復(fù)雜結(jié)構(gòu)多孔金屬零件。
具體實施例方式本發(fā)明實施例的具體步驟
1根據(jù)孔隙直徑和孔隙率的要求配制金屬或合金粉末，粉末的粒度范圍為-50目 +500目，每種金屬粉末粒度上下限范圍在50目，如-50目 +100目，所需金屬或合金粉末的粒形為球形或球形與不規(guī)則形狀的混合物，配制的目標(biāo)為達(dá)到一定的松裝密度。2采用UG等零件數(shù)模軟件建立所要制造零件的數(shù)模，并根據(jù)零件各部分所需孔隙度的要求進(jìn)行具體劃分，將所要制造零件的數(shù)模輸入到SLM快速成形系統(tǒng)中。本實施例中，SLM快速成形系統(tǒng)采用的激光器為200W光纖激光器，使用的激光波長為1.06μπι，制造多孔金屬零件的激光功率調(diào)節(jié)范圍在40W 160W，掃描速度范圍為30mm/s 300mm/s，粉末層厚范圍30 μ m 300 μ m。3將配制好的粉末進(jìn)行激光掃描制造孔隙金屬零件，根據(jù)激光能量輸入、激光投射深度以及零件目標(biāo)孔隙率的要求進(jìn)行成形參數(shù)的設(shè)計，一般情況下，制造每層厚度為粉末粒徑的上限值，而激光功率、掃描速度和掃描間距的大小具體根據(jù)粉末粒度及孔隙率要求而定。本實施例中，零件孔隙的產(chǎn)生是靠激光的熱作用使金屬或合金粉末顆粒的表層瞬時熔化，并且兩顆粒之間產(chǎn)生瞬間粘性流動熔合，在熔合的同時縮小了最初松裝粉末的孔隙，形成了新孔隙率。制造過程就是利用激光能量輸入與粉末種類及粒度的相互作用與孔隙收縮率”的關(guān)系，達(dá)到目標(biāo)孔隙率！，當(dāng)原粉末松裝孔隙為ff時，則最終零件的孔隙率為
根據(jù)上述孔隙率與粉末粒度、種類及成形參數(shù)的關(guān)系，可以在零件制造過程中采用不同的制造參數(shù)而在零件的不同區(qū)域得到不同的目標(biāo)孔隙率，如此制造出不同區(qū)域具有不同孔隙率的復(fù)雜結(jié)構(gòu)多孔金屬零件。
實例 1 配制不銹鋼316L金屬粉末，粉末選用氣霧化球形粉，粒度為-400目 +450目。采用 200W連續(xù)式光纖激光進(jìn)行掃描制造，激光功率為40 60W，掃描間距為0. 1 0. 15mm，掃描速度為50mm/s 150mm/s，制造層厚為50 μ m。產(chǎn)生的目標(biāo)孔隙率為20% 30%。不銹鋼 316L又稱鈦鋼、316L精鋼。添加Mo 0 3%)，優(yōu)秀的耐點蝕性，高溫蠕變強度優(yōu)秀。實例2
配制高溫合金hc0nel625粉末，粉末為氣霧化球形粉末，粒度為-200目 250目。采用200W連續(xù)式光纖激光進(jìn)行掃描制造，激光功率為60 100W，掃描間距為0. 15 0. 2mm, 掃描速度為80mm/s 300mm/s，制造層厚為80 μ m。產(chǎn)生的目標(biāo)孔隙率為30% 35%。這里hcone1625是一種對各種腐蝕介質(zhì)都具有優(yōu)良耐蝕性的低碳鎳鉻鉬鈮合金。由于碳含量低并經(jīng)過穩(wěn)定化熱處理，即使在650-900°C高溫保溫50小時以后仍然不會有敏化傾向。供貨狀態(tài)為軟化退火態(tài)，其應(yīng)用范圍包括濕腐蝕環(huán)境，并且獲得了應(yīng)用于-196 450°C溫度壓力容器的TÜV認(rèn)證。另有性能略作調(diào)整的適用于高溫應(yīng)用領(lǐng)域。通過時效硬化可以提高機械性能。
權(quán)利要求
1.一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法，該方法利用選擇性激光熔化快速成形系統(tǒng)，同時將金屬零件的內(nèi)部孔隙與外形結(jié)構(gòu)一步制造出來，其特征在于包括以下步驟步驟A、配制金屬或者合金粉末；將金屬或合金制備成球形粉末，并進(jìn)行分選，粒度范圍跨度在±10-20ym；步驟B、建立零件的數(shù)學(xué)模型，輸入到SLM快速成形系統(tǒng)中，所述的SLM快速成形系統(tǒng)中采用激光波長為1.06μπι、最式功率為200W光纖激光器，選擇激光功率調(diào)節(jié)范圍在40W 160W之間，掃描速度范圍為30mm/s 300mm/s之間，粉末層厚范圍30 μ m 300 μ m之間；步驟C、在選擇性激光熔化快速成形系統(tǒng)中粉末層厚范圍30 μ m 300 μ m之間，進(jìn)行激光掃描制造孔隙金屬零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法，其特征在于步驟A中所述的粉末的粒度范圍為-50目 +500目。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法，其特征在于所述的金屬或合金粉末的粒形為球形或球形與不規(guī)則形狀的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法，其特征在于所述的金屬粉末為不銹鋼金屬粉末，粉末選用氣霧化球形粉，粒度為-400目 +450目。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法，其特征在于采用200W連續(xù)式光纖激光進(jìn)行掃描制造，激光功率為40 60W，掃描間距為0. 1 0. 15mm,掃描速度為50mm/s 150mm/s，制造層厚為50 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法，其特征在于所述的合金粉末為一種對各種腐蝕介質(zhì)都具有優(yōu)良耐蝕性的低碳鎳鉻鉬鈮合金粉末， 所述的粉末為氣霧化球形粉末，粒度為-200目 250目。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用激光掃描制造復(fù)雜多孔金屬零件的方法，其特征在于采用200W連續(xù)式光纖激光進(jìn)行掃描制造，激光功率為60 100W，掃描間距為0. 15 0. 2mm,掃描速度為80mm/s 300mm/s，制造層厚為80 μ m。 全文摘要
目前的多孔金屬制備技術(shù)適合制備多孔金屬材料，無法進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔金屬零件成形制造。近十幾年間發(fā)展起來的SLM快速制造技術(shù)打破了金屬零件制造的傳統(tǒng)模式，它利用激光作為加工能源，依據(jù)疊層制造原理，能夠制造出應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的復(fù)雜零部件。采用SLM技術(shù)制造金屬零件過程中，通過激光熔化粉末顆粒表面層并使顆粒熔合的方法控制成形孔隙率，不僅可以制造出致密金屬零件，而且可進(jìn)行多孔金屬零件的成形制造，還可成形制造出孔隙梯度金屬零件，更能夠充分發(fā)揮多孔金屬的優(yōu)良性能，拓寬多孔金屬的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號B22F3/11GK102166651SQ20111007616
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者丁元柱, 何萬濤, 劉錦輝, 孟祥林, 謝文娟, 趙燦 申請人:黑龍江科技學(xué)院