一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法

摘要

一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，步骤如下：(1)激光选区熔化金属粉末3D打印，获得具有不同激光功率P，扫描速度v，扫描间距t和铺粉层厚h工艺参数的金属构件；(2)对获得的不同金属构件进行拉伸性能测试，获得其屈服强度σy和延伸率δ；(3)以vth/P值为横坐标，分别以σy和δ为纵坐标绘制σy‑vth/P和δ‑vth/P关系图；并通过线性拟合求得拟合曲线的斜率k1、k2和拟合曲线的截距b1、b2；(4)通过步骤拟合的曲线进一步预测金属构件拉伸性能最大值σy和δ；并计算求得拉伸性能预测值。本发明方法得到的3D打印成型件均匀致密，强塑性高；本发明方法能简单方便的实现拉伸性能的高效预测。

权利要求

1.一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，其特征在于，所述方法步骤如下：(1)激光选区熔化金属粉末3D打印，获得具有不同激光功率P，扫描速度v，扫描间距t和铺粉层厚h工艺参数的金属构件；

(2)对获得的不同金属构件进行拉伸性能测试，获得其屈服强度σy和延伸率δ；

(3)利用工艺和性能数据，以vth/P值为横坐标，分别以σy和δ为纵坐标绘制σy‑vth/P和δ‑vth/P关系图；并通过线性拟合求得参数k1，k2，b1和b2，其中k1和k2为拟合曲线的斜率，b1和b2为拟合曲线的截距；

(4)通过步骤(3)拟合的曲线进一步预测金属构件拉伸性能最大值σy和δ；或者将工艺参数P，v，t，h与参数值k1，k2，b1和b2直接代入以下公式：σy＝k1(vth/P)+b1

δ＝k2(vth/P)+b2

经计算求得拉伸性能预测值。

2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，其特征在于，所述金属粉末为316不锈钢，成分中质量百分比Cr为16.0‑18.0％，Ni为10.0‑

14.0％，Mo为2.0‑3.0％，Mn为2.00％，Si为1.00％，Fe余量。

3.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，其特征在于，所述3D打印过程中的保护气体为高纯氩气；打印之前预铺一层不锈钢粉末，粉末粒径控制在25‑53μm；基板预热至80℃；刮刀选用钢刮刀。

4.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，其特征在于，所述激光功率为200‑300W，扫描速率为800‑1000mm/s，扫描间距为0.1mm，铺粉层厚为0.02‑0.04mm。

5.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，其特征在于，所述步骤(2)对系列金属构件在相同实验条件下进行拉伸性能测试。

6.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，其特征在于，所述步骤(3)对数据的拟合采用专业的数据处理软件，且线性相关度不得低于

0.95。

说明书

一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，属3D打印技术领域。

背景技术

[0002] 316L不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能，在石油管道、核电站、海洋设备等领域中具有广泛的应用。激光选区熔化技术是金属增材制造的主要手段之一，具有精细成形复杂结构金属部件的优点，但是激光选区熔化成形过程中工艺参数影响内部缺陷，进而对成形件性能产生重大影响。其中拉伸性能(包括屈服强度、延伸率等)是结构材料基本性能，它不但影响了其他静态力学性能，例如硬度、韧性等，也直接影响了材料最终使用时的服役性能。

[0003] 鉴于拉伸性能的基础重要性，一方面工程材料研发过程中拉伸性能的评估是不可或缺的，另一方面也常常以拉伸强度与塑性的综合改善为目标。因此准确评估拉伸性能对工程材料研发与应用具有重要作用。然而目前，在拉伸性能预测3D打印金属材料方面十分匮乏，因此建立一种拉伸性能与激光工艺参数直接的量化关系，实现拉伸性能的快速预测，成为目前3D打印领域亟待解决的问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是，为了建立激光工艺与拉伸性能的关系，提高激光选区熔化成型不锈钢的强塑性，本发明提供一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法。

[0005] 本发明实现的技术方案如下，一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，所述方法步骤如下：

[0006] (1)激光选区熔化金属粉末3D打印，获得具有不同激光功率P，扫描速度v，扫描间距t和铺粉层厚h工艺参数的金属构件；

[0007] (2)对获得的不同金属构件进行拉伸性能测试，获得其屈服强度σy和延伸率δ；

[0008] (3)利用工艺和性能数据，以vth/P值为横坐标，分别以σy和δ为纵坐标绘制σy‑vth/P和δ‑vth/P关系图；并通过线性拟合求得参数k1，k2，b1和b2，其中k1和k2为拟合曲线的斜率，b1和b2为拟合曲线的截距；

[0009] (4)通过步骤(3)拟合的曲线进一步预测金属构件拉伸性能最大值σy和δ；或者将工艺参数P，v，t，h与参数值k1，k2，b1和b2直接代入以下公式：

[0010] σy＝k1(vth/P)+b1

[0011] δ＝k2(vth/P)+b2

[0012] 经计算求得拉伸性能预测值。

[0013] 所述金属粉料为316不锈钢，成分中质量百分比Cr为16.0‑18.0％，Ni为10.0‑14.0％，Mo为2.0‑3.0％，Mn为2.00％，Si为1.00％，Fe余量。

[0014] 步骤(1)中3D打印过程中的保护气体为高纯氩气；打印之前预铺一层不锈钢粉末，粉末粒径控制在25‑53μm；基板预热至80℃；刮刀选用钢刮刀。

[0015] 步骤(1)中，所述激光功率为200‑300W，扫描速率为800‑1000mm/s，扫描间距为0.1mm，铺粉层厚为0.02‑0.04mm。

[0016] 步骤(2)对系列金属构件在相同实验条件下进行拉伸性能测试。

[0017] 步骤(3)对数据的拟合采用专业的数据处理软件，且限行相关度不得低于0.95。

[0018] 本发明的有益效果是，本发明方法得到的3D打印成型件均匀致密，强塑性高；本发明方法能简单方便的实现拉伸性能的高效预测。

附图说明

[0019] 图1为激光选区熔化成形金属构件拉伸性能预测方法流程图；

[0020] 图2为激光选区熔化316L不锈钢在不同激光工艺参数η＝vth/P下的拉伸工程应力‑应变曲线图；

[0021] 图3为σy‑(vth/P)线性关系图；

[0022] 图4为δ‑(vth/P)线性关系图；

[0023] 图5为激光选区熔化在0.009mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；

[0024] 图6为激光选区熔化在0.012mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；

[0025] 图7为激光选区熔化在0.013mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；

[0026] 图8为激光选区熔化在0.016mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；

[0027] 图9为激光选区熔化在0.018mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；

[0028] 图10为拉伸性能预测结果验证，激光选区熔化在0.020mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图。

具体实施方式

[0029] 本发明的具体实施方式如图1所示。

[0030] 本实施例一种激光选区熔化成形金属构件拉伸性能的预测方法，包括以下步骤：

[0031] (1)在激光选区熔化金属粉末进行3D打印，获得具有不同激光功率P，扫描速度v，扫描间距t和铺粉层厚h等工艺参数的金属构件；

[0032] 3D打印过程中的保护气体为高纯氩气；打印之前预铺一层不锈钢粉末，粉末粒径控制在25‑53μm；基板预热至80℃；刮刀选用钢刮刀。

[0033] 本实施例激光选区熔化316L不锈钢在不同激光工艺参数η＝vth/P下的拉伸工程应力‑应变曲线图如图2所示。

[0034] (2)对上述金属构件进行拉伸性能测试，获得屈服强度σy和延伸率δ。

[0035] (3)利用工艺和性能数据，以vth/P值为横坐标，分别以σy和δ为纵坐标绘制σy‑(vth/P)和δ‑(vth/P)关系图，并通过线性拟合得出σy＝2151.96×vth/P+629.98和δ＝1782.50×vth/P+12.27。如图3和图4所示。

[0036] 说明η＝vth/P越大，熔池尺寸变小，内部缺陷越低，拉伸性能越优异，其中，η表示能量分散度。

[0037] 当将P＝200W，扫描速度v＝1000mm/s，扫描间距t＝0.1mm和铺粉层厚h＝0.04mm带3
入上述公式中，η＝vth/P＝0.020mm /J，可得出σy＝673MPa，δ＝47.9％，这与拉伸测试的结果很接近，此时断口缺陷最少，如图10所示。

[0038] 图5为本实施例激光选区熔化在0.009mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；激光功率P＝300W，扫描速度v＝900mm/s，扫描间距t＝0.1mm和铺粉层厚h＝0.03mm，此时屈服强度为652MPa，塑性为28.54％，此时断口缺陷最多。

[0039] 图6为本实施例激光选区熔化在0.012mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；激光功率P＝300W，扫描速度v＝900mm/s，扫描间距t＝0.1mm和铺粉层厚h＝0.04mm，此时屈服强度为653MPa，塑性为33.8％。

[0040] 图7为本实施例激光选区熔化在0.013mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；激光功率P＝250W，扫描速度v＝800mm/s，扫描间距t＝0.1mm和铺粉层厚h＝0.04mm，此时屈服强度为658MPa，塑性为35.9％。

[0041] 图8为本实施例激光选区熔化在0.016mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；激光功率P＝250W，扫描速度v＝1000mm/s，扫描间距t＝0.1mm和铺粉层厚h＝0.04mm，此时屈服强度为669MPa，塑性为39.8％。

[0042] 图9为本实施例激光选区熔化在0.018mm3/J下的拉伸断口形貌扫描图；激光功率P＝200W，扫描速度v＝900mm/s，扫描间距t＝0.1mm和铺粉层厚h＝0.04mm，此时屈服强度为670MPa，塑性为45.2％。