一种激光增材制造方法

摘要

本发明属于增材制造技术领域，并具体公开了一种激光增材制造方法，其包括如下步骤：S1加热金属陶瓷混合材料制备厚度为s的金属陶瓷层，由于陶瓷的存在使得制备获得的金属陶瓷层存在孔洞；S2加热金属材料使其熔化，熔化后的金属材料在重力和毛细力作用下填充孔洞，获得致密实体层；S3重复步骤S1与S2完成各致密实体层的制备，获得高致密度的金属陶瓷复合零件。本发明可解决金属陶瓷增材制造成形时由于流动性差而形成大量收缩工艺孔的问题，具有制备工艺简单方便，可操作性强等优点。

权利要求

1.一种激光增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1 加热金属陶瓷混合材料制备金属陶瓷层，由于陶瓷的存在使得制备获得的金属陶瓷层存在孔洞；

S2 加热位于金属陶瓷层上方的金属材料使其熔化，熔化后的金属材料在重力和毛细力作用下填充孔洞，获得致密实体层；

S3 重复步骤S1与S2完成各层的制备，即先制备金属陶瓷层，再熔化金属材料进行孔洞填充，如此交替进行，最终获得高致密度的金属陶瓷复合零件。

2.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述金属陶瓷层的厚度为10μm～60μm。

3.如权利要求2所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述金属陶瓷层的厚度为40μm。

4.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述金属陶瓷混合材料为金属陶瓷混合粉末/丝材，金属材料为金属粉末/丝材。

5.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述金属陶瓷混合材料和金属材料的送料方式为铺粉式、送粉式或送丝式。

6.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，步骤S1利用激光加热金属陶瓷混合材料，激光功率为50W～2000W，若为铺粉式，激光扫描速度为100mm/s～5000mm/s，若为送粉或送丝式，送粉/送丝速度为100mm/min～1000mm/min。

7.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，步骤S2利用激光加热金属材料，激光功率为50W～2000W，若为铺粉式，激光扫描速度为100mm/s～5000mm/s，若为送粉或送丝式，送粉/送丝速度为100mm/min～1000mm/min。

8.如权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，金属陶瓷混合材料中陶瓷与金属的体积比为10vt％～80vt％。

9.如权利要求8所述的激光增材制造方法，其特征在于，金属陶瓷混合材料中陶瓷与金属的体积比为50vt％。

10.如权利要求1-9任一项所述的激光增材制造方法，其特征在于，金属陶瓷混合粉末的铺粉厚度与金属粉末的铺粉厚度的比为1：0.5～1.5。

11.如权利要求10所述的激光增材制造方法，其特征在于，金属陶瓷混合粉末的铺粉厚度与金属粉末的铺粉厚度的比为1:1。

说明书

一种激光增材制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种激光增材制造方法。

背景技术

[0002] 以金属为基体，添加高强度、高耐磨性的陶瓷相，制备兼具金属和陶瓷各自优点的金属基陶瓷复合材料，形成具有高耐磨性、高硬度、低密度的金属陶瓷复合材料，已广泛应用于航空航天领域。传统工艺制备金属陶瓷复合材料的方法包括热等静压、烧结、铸造等，这些方法在制备金属陶瓷复合材料零件时，工艺复杂，制造周期较长，且需要模具，更重要的是无法制备形状复杂的零件。

[0003] 例如专利CN106810268A公开的一种基于选择性激光烧结的陶瓷3D打印材料及其制备方法，其通过在陶瓷中加入陶瓷熔块填充间隙来提高3D打印陶瓷致密度，其主要为硼酸、矿化剂以及一些矿石成分，该方法适用于烧结，且添加的一些粘接剂、陶瓷熔块，在金属陶瓷复合材料的成形中会产生不利影响，性能下降；专利CN107140994A公开的一种提高陶瓷材料致密度的热压烧结制备工艺，其通过安装高强石墨压块，压制预烧结的陶瓷粉末，获取高致密度的陶瓷粉末，该方法不适用于选择性激光重熔；专利CN105002385A公开的一种提高陶瓷颗粒增强Al基复合材料烧结致密度的方法，其通过配置的硼酸溶液对陶瓷颗粒进行表面改性后，再进行烧结成形金属陶瓷复合材料，当零件尺寸大，所需粉末较多时，大量的溶液表面改性工艺将大大的增大时间和经济成本，难以工程化应用；专利CN105568024A公开的一种纳米陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其通过预制的金属包覆纳米陶瓷颗粒，后经烧结成形，获得致密度高于95％的金属陶瓷复合材料，该方法对包覆粉末的获得，成本高，工艺复杂，且最终烧结成形仍无法获得全致密的金属陶瓷复合材料。上述这些方法均是基于烧结，与增材制造相比，烧结温度恒定，液体存在时间长，流动性好，但是制备零件需要模具，特别重要的是无法制备形状特别复杂的零件。

[0004] 增材制造技术基于分层制造、层层叠加的机制，不仅无需模具，可以实现金属陶瓷零件的短周期快速成形，而且可以制备形状非常复杂的零件，实现零件所需要的功能。增材制造制备金属陶瓷零件过程中，由于其通常采用激光、电子束、电弧等热源，因此成形过程冷却速度快，凝固结晶过程在很短的时间内发生，且由于高熔点陶瓷的添加，使得熔体的流动性降低，此外，由于金属/陶瓷的物理性能差异，使得其在成形过程中极易产生大量的未熔合或收缩工艺孔，最终成形的金属陶瓷零件的致密度低，性能差，无法满足工程需要。

[0005] 目前，对于提高增材制造金属陶瓷致密度已有少量研究，但是都是基于工艺参数，即优化工艺参数，其本质是通过提高能量输入，从而提高金属/陶瓷复合材料熔体流动性和增加流动时间，该方法对于提高成形致密性有一定效果。但是由于陶瓷/金属物理性能的巨大差异，经常会造成陶瓷材料的烧损，使得陶瓷含量下降，无法满足工程需要。因此，人们一直在寻找一种新型的增材制造方法，以制备高密度金属陶瓷零件。

发明内容

[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光增材制造方法，其以交替熔化金属陶瓷混合材料和金属的方式增材制造所需的零件，即熔化成形一层金属陶瓷混合材料的基础上，再熔化成形一层金属材料，熔化的金属材料在重力和毛细力作用下填充金属陶瓷层中的孔隙，如此交替进行从而获得高致密度的零件，具有制备工艺简单方便，可操作性强等优点。

[0007] 为实现上述目的，本发明提出了一种激光增材制造方法，其包括如下步骤：

[0008] S1加热金属陶瓷混合材料制备厚度为s的金属陶瓷层，由于陶瓷的存在使得制备获得的金属陶瓷层存在孔洞；

[0009] S2加热金属材料使其熔化，熔化后的金属材料在重力和毛细力作用下填充孔洞，获得致密实体层；

[0010] S3重复步骤S1与S2完成各致密实体层的制备，获得高致密度的金属陶瓷复合零件。

[0011] 作为进一步优选的，金属陶瓷层的厚度s优选为10μm～60μm，进一步优选为40μm。

[0012] 作为进一步优选的，金属陶瓷混合材料为金属陶瓷混合粉末/丝材，金属材料为金属粉末/丝材。

[0013] 作为进一步优选的，所述金属陶瓷混合材料和金属材料的送料方式为铺粉式、送粉式或送丝式。

[0014] 作为进一步优选的，步骤S1利用激光加热金属陶瓷混合材料，激光功率为50W～2000W，若为铺粉式，激光扫描速度为100mm/s～5000mm/s，若为送粉或送丝式，送粉/送丝速度为100mm/min～1000mm/min。

[0015] 作为进一步优选的，步骤S2利用激光加热金属材料，激光功率为50W～2000W，若为铺粉式，激光扫描速度为100mm/s～5000mm/s，若为送粉或送丝式，送粉/送丝速度为100mm/min～1000mm/min。

[0016] 作为进一步优选的，金属陶瓷混合材料中陶瓷与金属的体积比为10vt％～80vt％，优选为50vt％。

[0017] 作为进一步优选的，金属陶瓷混合粉末的铺粉厚度与金属粉末的铺粉厚度的比为1：0.5～1.5，优选为1:1。

[0018] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0019] 1.本发明通过金属陶瓷混合材料/金属材料交替式成形流程，在已成形的不致密的金属陶瓷混合实体上熔化成形金属材料，利用毛细力和重力的作用使金属液体流入金属陶瓷混合实体的孔隙，从而填充孔隙，获得高致密度的实体层，依次交替成形金属陶瓷混合材料/金属材料，最终获得致密的金属陶瓷实体，解决了金属陶瓷增材制造成形时由于流动性差而形成大量收缩工艺孔的问题。

[0020] 2.通过研究发现金属陶瓷层的厚度是决定金属液能否有效进入金属陶瓷层以填补金属陶瓷中所有孔洞的关键，通过研究本发明确定出最佳厚度参数，使得金属陶瓷层的厚度优选为10μm～60μm，进一步优选为40μm，进而保证后续的金属材料能有效的进入金属陶瓷混合实体的孔隙，使得该厚度下的金属陶瓷层中的孔隙均得到有效填补，保证金属陶瓷复合零件的致密度。

[0021] 3.本发明还对各层的制备工艺进行了研究与设计，利用功率为50W～2000W的激光，铺粉式的激光扫描速度为100mm/s～5000mm/s，送粉/送丝式的送粉/送丝速度为100mm/min～1000mm/min，对金属陶瓷粉末/丝材加热，以加热熔化金属陶瓷材料从而制备获得金属陶瓷混合层，采用该工艺制备的金属陶瓷混合层致密度一般低于80％；利用功率为50W～2000W的激光，铺粉式的激光扫描速度为100mm/s～5000mm/s，送粉/送丝式的送粉/送丝速度为100mm/min～1000mm/min，以加热熔化金属材料从而使得液态金属有效进入金属陶瓷混合层的孔洞中，采用该工艺使得金属陶瓷复合材料致密度达到99％；

[0022] 4.本发明还对金属陶瓷混合材料中陶瓷与金属的配比进行了研究与设计，使陶瓷与金属的体积比为10vt％～80vt％，优选为50vt％，使得后续金属液能对金属陶瓷层的孔洞进行填充，以此保证金属陶瓷复合材料的高致密度。

[0023] 5.通过本发明可制备获得致密度高达99％以上的高致密度金属陶瓷复合材料，并且在本发明的扫描制备工艺下，不仅能制备获得性能优良的各层，同时不会造成陶瓷材料的烧损，使得最终制备的金属陶瓷零件中的陶瓷含量保持不变，满足工程需要。

[0024] 6.金属材料的送入量直接决定孔洞的填补效果，本发明通过以下研究来保证金属材料的送入量，进而保证金属液能充分填补孔洞，提高产品的致密度：对于铺粉式而言，将金属粉末的铺粉厚度与金属陶瓷混合粉末的铺粉厚度的比设计为0.5～1.5：1，优选设计为1:1，以保证金属材料的送入量，对于送粉/送丝式而言，将送粉/送丝速度设计为100mm/min～1000mm/min，并配合设定厚度的金属陶瓷层，以保证金属材料的送入量，由此保证金属液足够填补金属陶瓷层的孔洞，但不至于过剩，影响最终成形件的成分均匀性。

附图说明

[0025] 图1(a)-(f)是本发明实施例提供的一种激光增材制造方法的流程图。

具体实施方式

[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0027] 图1(a)-(f)是本发明实施例提供的一种激光增材制造方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

[0028] S1如图1(a)所示，通过能源3对送入的金属陶瓷混合粉末/丝材2加热，熔化成形一层厚度为s的金属陶瓷层4，由于陶瓷的加入使得金属陶瓷熔体的流动性差，且金属和陶瓷的物理性能差异大，使得制备获得的金属陶瓷层存在大量的孔洞1；

[0029] S2如图1(b)所示，第二层加工，采用合适的工艺参数对送入的金属粉末/丝材5进行熔化获得液态金属，由于毛细力和重力作用，液态金属6填充孔洞1，从而形成如图1(c)所示的致密实体7；

[0030] S3交替重复步骤S1与S2，最终获得如图1(f)所示的高致密度的金属陶瓷复合材料。

[0031] 由于孔洞在沉积金属陶瓷层的过程中形成，在沉积金属材料时进行填补与修复，该金属陶瓷层的厚度直接决定了后续填补与修复的效果，因此金属陶瓷层的厚度参数非常关键，发明人通过不断的研究发现，当金属陶瓷层厚度为10μm～60μm，尤其为40μm，使得后续加热熔化的液态金属能够有效的进入金属陶瓷层的各孔洞中，实现孔洞的完美填补，使得最终制备的金属陶瓷复合材料的致密度达到99％以上。具体的，陶瓷可以是氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等，金属可以是铝合金、高温镍基合金、钛合金、铁基合金和铜合金等。

[0032] 由于金属陶瓷成形的孔洞通过后续熔化的金属材料进行填充，因此该金属材料的送入量非常讲究，若送入过多除进入孔洞以填充孔洞的液态金属外，多余的液态金属将沉积在金属陶瓷层上形成金属层，该金属层将影响产品的整体性能。发明人通过不断的研究与探索，获得了金属材料的最佳输送工艺，当为铺粉式时，使金属粉末的铺粉厚度与金属陶瓷混合粉末的铺粉厚度的比为0.5～1.5：1，优选为1:1，以此保证金属液足够填补金属陶瓷层的孔洞，但不至于过剩，保证最终制备的成形件的成分均匀性，制备获得成分均匀近全致密的金属陶瓷复合材料成形件；当为送粉/送丝式时，将送粉/送丝速度设计为100mm/min～1000mm/min，并搭配厚度为10μm～60μm，优选为40μm的金属陶瓷层，以此保证金属液足够填补金属陶瓷层的孔洞，但不至于过剩，最终成形成分均匀近全致密的金属陶瓷复合材料成形件。

[0033] 为了保证各层的有效制备，其加热工艺也非常重要，其中加热能源可以是激光、电子束、电弧等能够熔化金属的能源。对于步骤S1而言，优选利用激光加热金属陶瓷混合材料，激光功率为50W～2000W。当金属陶瓷混合材料为金属陶瓷混合粉末时，对于铺粉式，其首先进行铺粉，铺粉厚度为10μm～60μm，然后采用功率为50W～2000W的激光以100mm/s～5000mm/s的扫描速度进行激光扫描加工，对于送粉式，送粉速度为100mm/min～1000mm/min，然后采用功率为50W～2000W的激光熔化金属陶瓷混合粉末制备获得所需厚度的金属陶瓷层，其中，金属陶瓷混合粉末中陶瓷与金属的体积比为10vt％～80vt％，优选为
50vt％；当金属陶瓷混合材料为金属陶瓷混合丝材时，其以100mm/min～1000mm/min速度送丝，并采用功率为50W～2000W的激光以熔化金属陶瓷混合丝材制备获得所需厚度的金属陶瓷层，其中，金属陶瓷混合丝材中陶瓷与金属的体积比为10vt％～80vt％，优选为50vt％，金属陶瓷混合丝材的直径优选为1.2mm。

[0034] 对于步骤S2而言，优选利用激光加热金属材料，激光功率为50W～2000W。当金属材料为金属粉末时，对于铺粉式，其首先进行铺粉，铺粉厚度为10μm～60μm，然后采用功率为50W～2000W的激光以100mm/s～5000mm/s的扫描速度进行激光扫描加工，对于送粉式，送粉速度为100mm/min～1000mm/min，并采用功率为50W～2000W的激光，以熔化金属粉末使其填充金属陶瓷层的孔洞，获得致密实体层；当金属材料为金属丝材时，其以100mm/min～
1000mm/min速度送丝，并采用功率为50W～2000W的激光，以熔化金属粉末使其填充金属陶瓷层的孔洞，获得致密实体层，其中，金属丝材的直径优选为1.2mm。

[0035] 以下为本发明的实施例：

[0036] 实施例1

[0037] 本实施例中粉末为含Al2O3陶瓷体积分数40vt％的AlSi10Mg/Al2O3混合粉末，金属材料为AlSi10Mg粉末，采用铺粉式，包括如下步骤：

[0038] S1成形第一层时，在基板上预铺一层40μm厚的AlSi10Mg/Al2O3混合粉末，用200W激光功率、200mm/s扫描速度对混合粉末进行加工熔化，形成金属陶瓷实体4；

[0039] S2第二层加工，在金属陶瓷实体上预铺一层40μm厚的AlSi10Mg粉末，用200W激光功率、200mm/s扫描速度对AlSi10Mg粉末进行加工熔化，利用毛细力使液态金属6填充上一层金属陶瓷冷却凝固过程中形成的大量收缩工艺孔，从而形成致密实体7；

[0040] S3交替重复步骤S1与S2，完成“混合成分—合金成分—混合成分”的交替变化，最终获得致密度达到99.3％的高致密度金属陶瓷复合材料。

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例中粉末为含Al2O3陶瓷体积分数10vt％的AlSi10Mg/Al2O3混合粉末，金属材料为AlSi10Mg粉末，采用铺粉式，包括如下步骤：

[0043] S1成形第一层时，在基板上预铺一层30μm厚的AlSi10Mg/Al2O3混合粉末，用150W激光功率、150mm/s扫描速度对混合粉末进行加工熔化，形成金属陶瓷实体4；

[0044] S2第二层加工，在金属陶瓷实体上预铺一层20μm厚的AlSi10Mg粉末，用100W激光功率、100mm/s扫描速度对AlSi10Mg粉末进行加工熔化，利用毛细力使液态金属6填充上一层金属陶瓷冷却凝固过程中形成的大量收缩工艺孔，从而形成致密实体7；

[0045] S3交替重复步骤S1与S2，完成“混合成分—合金成分—混合成分”的交替变化，最终获得致密度达到99％的高致密度金属陶瓷复合材料。

[0046] 实施例3

[0047] 本实施例中粉末为含Al2O3陶瓷体积分数70vt％的AlSi10Mg/Al2O3混合粉末，金属材料为AlSi10Mg粉末，采用铺粉式，包括如下步骤：

[0048] S1成形第一层时，在基板上预铺一层60μm厚的AlSi10Mg/Al2O3混合粉末，用1500W激光功率、2000mm/s扫描速度对混合粉末进行加工熔化，形成金属陶瓷实体4；

[0049] S2第二层加工，在金属陶瓷实体上预铺一层65μm厚的AlSi10Mg粉末，用2000W激光功率、1500mm/s扫描速度对AlSi10Mg粉末进行加工熔化，利用毛细力使液态金属6填充上一层金属陶瓷冷却凝固过程中形成的大量收缩工艺孔，从而形成致密实体7；

[0050] S3交替重复步骤S1与S2，完成“混合成分—合金成分—混合成分”的交替变化，最终获得致密度达到99.2％的高致密度金属陶瓷复合材料。

[0051] 实施例4

[0052] 本实施例中送粉为含SiC陶瓷体积分数80vt％的AlSi10Mg/SiC混合粉末，金属材料为AlSi10Mg粉末，包括如下步骤：

[0053] S1成形第一层时，AlSi10Mg/SiC混合粉末用200mm/min送粉速度，以1000W激光功率对混合粉末进行加工熔化，形成金属陶瓷实体4；

[0054] S2第二层加工，AlSi10Mg粉末用400mm/s送粉速度，以1000W激光功率对AlSi10Mg粉末进行加工熔化，利用毛细力使液态金属6填充上一层金属陶瓷冷却凝固过程中形成的大量收缩工艺孔，从而形成致密实体7；

[0055] S3交替重复步骤S1与S2，完成“混合成分—合金成分—混合成分”的交替变化，最终获得致密度达到99％的高致密度金属陶瓷复合材料。

[0056] 实施例5

[0057] 本实施例中送粉为含TiC陶瓷体积分数50vt％的TiC/Ti合金混合粉末，金属为Ti合金粉末，包括如下步骤：

[0058] S1成形第一层时，TiC/Ti合金混合粉末用300mm/min送粉速度，以2000W激光功率对混合粉末进行加工熔化，形成金属陶瓷实体4；

[0059] S2第二层加工，Ti合金用600mm/min送粉速度，以1500W激光功率对Ti合金粉末进行加工熔化，利用毛细力使液态金属6填充上一层金属陶瓷冷却凝固过程中形成的大量收缩工艺孔，从而形成致密实体7；

[0060] S3交替重复步骤S1与S2，完成“混合成分—合金成分—混合成分”的交替变化，最终获得致密度达到99.5％的高致密度金属陶瓷复合材料。

[0061] 实施例6

[0062] 本实施例中送丝为含Al2O3陶瓷体积分数50vt％的Al2O3/6060铝合金混合材料，丝直径为1.2mm，金属为6060铝合金丝材，直径为1.2mm，包括如下步骤：

[0063] S1成形第一层时，Al2O3/6060铝合金混合丝材用400mm/min送丝速度，以2000W激光功率对混合丝材进行加工熔化，形成金属陶瓷实体4；

[0064] S2第二层加工，6060铝合金用500mm/min送丝速度，以3000W激光功率对6060铝合金进行加工熔化，液态金属6在毛细力作用下填充上一层金属陶瓷冷却凝固过程中形成的大量收缩工艺孔，从而形成致密实体7；

[0065] S3交替重复步骤S1与S2，完成“混合成分—合金成分—混合成分”的交替变化，最终获得致密度达到99.2％的高致密度金属陶瓷复合材料。

[0066] 实施例7

[0067] 本实施例中送丝为含TiC陶瓷体积分数50vt％的TiC/Ti合金混合材料，丝直径为1.2mm，金属为Ti合金丝材，直径为1.2mm，包括如下步骤：

[0068] S1成形第一层时，TiC/Ti合金混合丝材用100mm/min送丝速度，以1500W激光功率对混合丝材进行加工熔化，形成金属陶瓷实体4；

[0069] S2第二层加工，Ti合金用200mm/min送丝速度，以2000W激光功率对Ti合金进行加工熔化，利用毛细力使液态金属6填充上一层金属陶瓷冷却凝固过程中形成的大量收缩工艺孔，从而形成致密实体7；

[0070] S3交替重复步骤S1与S2，完成“混合成分—合金成分—混合成分”的交替变化，最终获得致密度达到99.3％的高致密度金属陶瓷复合材料。

[0071] 本发明采用金属陶瓷/金属交替送粉末/丝材，热源熔化粉末/丝材交替成形金属陶瓷复合材料零件的方法，可制备高致密的金属陶瓷实体，解决了金属陶瓷增材制造成形时由于流动性差而形成大量收缩工艺孔的问题，具有制备工艺简单方便，可操作性强等优点。

[0072] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。