一种基于多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造方法

摘要

一种基于多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造方法，包括以下步骤：步骤一：零件的三维建模和打印策略的设计：对待制备合金材料的外形进行建模并设计成每层铺装金属粉末后施加逐渐偏转的多重激光扫描的打印策略，以实现增材制造；其中，激光扫描功率取20‑400W，扫描速度取200‑4800mm/s；步骤二：打印前的粉末和刮刀预置：将金属粉末预置在打印机的粉仓中，将刮刀预置于设备的焦平面上，使用保护气对粉仓进行洗气；洗气完成后根据待制备合金材料特性对基板进行预热；步骤三：材料的打印及打印零件的回收：打印结束后，待温度冷却至室温后将舱门打开，对舱室内的粉末进行回收；将打印零件和基板取出，将零件和基板分离，用压缩空气清理零件表面粉末。

权利要求

1.一种基于多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：零件的三维建模和打印策略的设计：

对待制备金属材料的外形进行建模并设计成每层铺装金属粉末后施加逐渐偏转的多重激光扫描的打印策略，以实现增材制造；

其中，金属材料为镁合金，激光扫描功率取80W，扫描速度取1600mm/s，扫描道间距取

0.07mm，粉末层厚取0.02mm，扫描次数为12‑200次，扫描路径使用“之”字型扫描，为了确保每层粉末每次扫描的热输入均衡，相邻扫描路径间保持60度的偏转角度，打印前设置200℃的预热；整个打印过程中使用高纯氩气进行保护，氧含量控制在800ppm以下，打印过程中使用循环的送风系统吹除多重激光扫描产生的烟尘；

步骤二：打印前的粉末和刮刀预置：

将金属粉末预置在打印机的粉仓中，将刮刀预置于设备的焦平面上，使用保护气对粉仓进行洗气；洗气完成后根据待制备合金材料特性对基板进行预热；

步骤三：材料的打印及打印零件的回收：

洗气和预热完成后进行打印；

打印过程结束后，待舱室温度冷却至室温后将舱门打开，对舱室内的粉末进行回收；

将打印零件和基板取出，通过线切割或小型手工锯将零件和基板分离，用压缩空气清理零件表面粉末。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤一中，建模为实心几何形状或支架结构或自主设计的其他结构，实心几何形状的模型为圆柱体或者长方体；支架结构的模型为钻石结构或者最小曲面结构。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤一中，激光光斑直径取50‑120μm。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤一中，所述施加逐渐偏转的多重激光扫描为每层铺装金属粉末后进行“一”字形路径或者棋盘路径扫描。

说明书

一种基于多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料加工工程领域，尤其涉及一种基于多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造方法。

背景技术

[0002] 激光粉末床熔融(laser powder bed fusion，简称LPBF)采用高能量密度的激光束，通过多道多层扫描熔化的方法将离散的金属粉末熔合在一起，构成三维实体。激光加热精确，粉末细密，粉床无需刚性支撑，不仅可实现复杂结构的高精度成形，而且成形件的致密度高，力学性能好，在航空航天、医疗器械等领域有广阔的应用前景。提高LPBF的激光扫描速度，可加快熔池的冷却和凝固速度，一方面获得晶粒细化效果，有利于提高成形件的力学性能；另一方面减少了第二相的析出和长大，有利于获得远离平衡态的组织，可能带来特殊的性能。然而，扫描速度的增加导致热输入减小，易出现未熔合等成形缺陷；为了保障粉末的熔合效果，一般而言，提高扫描速度需要同时提高激光功率，此时快冷的效果被弱化，但是较高的激光功率会导致金属过量蒸发，容易提高气孔缺陷。因此，对于一般的LPBF工艺，扫描速度不宜太快，否则难以获得高冷速下的组织调控效果。镁和锌的熔点和沸点较低，镁合金和锌合金被激光熔化时产生剧烈的蒸发，这种高的蒸发倾向不仅进一步限制了扫描速度的提升，而且带来元素的大量烧损，导致成形件的成分发生较大变化。

[0003] 综上所述，如何在激光粉末床熔融的过程中，既能获得快速凝固带来的组织调控效果，又可避免单次高速扫描出现的熔合不良问题以及单次高功率扫描出现的气孔问题的出现，减少热应力，降低变形和裂纹倾向，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种基于多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0005] 步骤一：零件的三维建模和打印策略的设计

[0006] 对待制备金属材料的外形进行建模并设计成每层铺装金属粉末后施加逐渐偏转的多重激光扫描的打印策略，以实现增材制造；

[0007] 其中，激光扫描功率取20‑400W，扫描速度取200‑4800mm/s；

[0008] 步骤二：打印前的粉末和刮刀预置

[0009] 将金属粉末预置在打印机的粉仓中，将刮刀预置于设备的焦平面上，使用保护气对粉仓进行洗气；洗气完成后根据待制备合金材料特性对基板进行预热；

[0010] 步骤三：材料的打印及打印零件的回收

[0011] 洗气和预热完成后进行打印；

[0012] 打印过程结束后，待舱室温度冷却至室温后将舱门打开，对舱室内的粉末进行回收；

[0013] 将打印零件和基板取出，通过线切割或小型手工锯将零件和基板分离，用压缩空气清理零件表面粉末。

[0014] 优选的，步骤一中，建模为实心几何形状或支架结构或自主设计的其他结构，实心几何形状的模型为圆柱体或者长方体；支架结构的模型为钻石结构或者最小曲面结构。

[0015] 优选的，步骤一中，粉末层厚取0.01‑0.1mm，扫描间距取0.02‑0.2mm，激光光斑直径取50‑120μm。

[0016] 优选的，步骤一中，所述逐渐偏转的多重激光扫描为每层铺装金属粉末后进行n次的“之”字形路径扫描，其中，n根据预计产生的合金元素烧损量取1‑500。

[0017] 优选的，步骤一中，为了确保每层粉末每次扫描的热输入均衡，相邻扫描路径间保持5‑175度的偏转角度。

[0018] 优选的，步骤一中，为了同时获得不同合金元素含量的合金材料，在同一批次的打印中对不同的试样分别使用不同的扫描次数对相同的合金粉末进行打印。

[0019] 优选的，步骤一中，所采用的扫描次数分别为2‑200。

[0020] 优选的，步骤一中，所述施加逐渐偏转的多重激光扫描为每层铺装金属粉末后进行“一”字形路径或者棋盘路径扫描。

[0021] 优选的，步骤二中，金属粉末的粒径为15‑95μm；使用氩气、氦气或氮气作为保护气进行洗气，将氧含量控制在800ppm以下，并进行50‑300℃的预热。

[0022] 优选的，步骤三中，打印过程中，需要使用循环送风系统将蒸发产生的烟尘吹除。

[0023] 与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

[0024] 1)本发明可以实现低功率、高速度的打印，从而实现晶粒细化的效果，还可以间接提升打印材料的力学性能，以及耐腐蚀性能等综合性能；

[0025] 2)本发明的打印过程中，热应力较低，从而对液化区间较长、易产生凝固裂纹的合金体系，能起到抑制凝固裂纹的作用，进而提高材料表面质量；

[0026] 3)本发明可以实现合金元素成分的调控，通过调整激光扫描次数对材料合金元素含量进行定量控制。

附图说明

[0027] 图1为选区激光熔化多次扫描过程示意图；

[0028] 图2为单层粉末中施加不同激光扫描次数的扫描策略示意图；

[0029] 图3为使用Langmuir方程计算Zn，Mg，Fe，Ti在不同温度下的蒸发通量；

[0030] 图4为施加不同扫描次数下WE43镁合金的致密度变化；

[0031] 图5为单次扫描和多次扫描WE43镁合金的组织变化；

[0032] 图6为施加不同扫描次数下WE43镁合金材料硬度变化；

[0033] 图7为施加不同扫描次数下WE43镁合金成形质量变化；

[0034] 图8为单次扫描和多次扫描ZK60镁合金的金相横截面形貌对比；

[0035] 图9为WE43镁合金打印合金元素含量随扫描次数的线性拟合结果。

具体实施方式

[0036] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0037] 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0039] 本发明的一个宽泛实施例中，一种基于多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0040] 步骤一：零件的三维建模和打印策略的设计

[0041] 对待制备金属材料的外形进行建模并设计成每层铺装金属粉末后施加逐渐偏转的多重激光扫描的打印策略，以实现增材制造；

[0042] 其中，激光扫描功率取20‑400W，扫描速度取200‑4800mm/s；

[0043] 步骤二：打印前的粉末和刮刀预置

[0044] 将金属粉末预置在打印机的粉仓中，将刮刀预置于设备的焦平面上，使用保护气对粉仓进行洗气；洗气完成后根据待制备合金材料特性对基板进行预热；

[0045] 步骤三：材料的打印及打印零件的回收

[0046] 洗气和预热完成后进行打印；

[0047] 打印过程结束后，待舱室温度冷却至室温后将舱门打开，对舱室内的粉末进行回收；

[0048] 将打印零件和基板取出，通过线切割或小型手工锯将零件和基板分离，用压缩空气清理零件表面粉末。

[0049] 优选的，步骤一中，建模为实心几何形状或支架结构或自主设计的其他结构，实心几何形状的模型为圆柱体或者长方体；支架结构的模型为钻石结构或者最小曲面结构。

[0050] 优选的，步骤一中，粉末层厚取0.01‑0.1mm，扫描间距取0.02‑0.2mm，激光光斑直径取50‑120μm。

[0051] 优选的，步骤一中，所述逐渐偏转的多重激光扫描为每层铺装金属粉末后进行n次的“之”字形路径扫描，其中，n根据预计产生的合金元素烧损量取1‑500。

[0052] 优选的，步骤一中，为了确保每层粉末每次扫描的热输入均衡，相邻扫描路径间保持5‑175度的偏转角度。

[0053] 优选的，步骤一中，为了同时获得不同合金元素含量的合金材料，在同一批次的打印中对不同的试样分别使用不同的扫描次数对相同的合金粉末进行打印。

[0054] 优选的，步骤一中，所采用的扫描次数分别为2‑200。

[0055] 优选的，步骤一中，所述施加逐渐偏转的多重激光扫描为每层铺装金属粉末后进行“一”字形路径或者棋盘路径扫描。

[0056] 优选的，步骤二中，金属粉末的粒径为15‑95μm；使用氩气、氦气或氮气作为保护气进行洗气，将氧含量控制在800ppm以下，并进行50‑300℃的预热。

[0057] 优选的，步骤三中，打印过程中，需要使用循环送风系统将蒸发产生的烟尘吹除。

[0058] 下面结合附图，列举本发明的多个优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。

[0059] 优选实施例1

[0060] 本优选实施例通过多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造实现低功率，高热输入的高致密度增材制造，达到细化晶粒、强化组织、改善表面质量的效果。

[0061] 本优选实施例参阅图1所示的扫描策略，本优选实施例中采用最高功率为500W的带有循环自动送风系统以及基板预热功能的选区激光增材制造打印机。设备型号可以参考西安铂力特增材技术股份有限公司生产的S‑210。本优选实施例采用的合金粉末为WE43(Mg‑余量，Y‑4.01％，Nd‑2.4％，Gd‑0.6％，Zr‑0.51％)，粒径为15‑63μm。

[0062] 打印过程采用图1所示的方案，设置如图2所示的打印策略，激光扫描采用“之”字形路径，每次扫描路径之间采用60°的偏转角。激光功率取80W，扫描速度取1600mm/s，扫描间距为0.07mm，粉末层厚度为0.02mm。所采用的扫描次数分别为1,12,24,36,48。

[0063] 将WE43镁合金粉末预置在选区激光增材打印机的粉仓中，将刮刀预置于设备的焦平面上，使用氩气作为保护气进行洗气将氧含量控制在80ppm以下并进行200℃的预热；预热完成后开始打印，打印过程中使用循环送风系统将蒸发产生的烟尘吹除。打印结束后，待舱室温度冷却至室温后将舱门打开，对舱室内的粉末进行回收并进行筛粉，使用真空袋保存以便二次使用。将打印后的零件和基板取出，用钳子将零件从基板上分离，将零件至于酒精中进行超声清洗。

[0064] 将超声清洗后的不同扫描次数的试样用光镜对材料的致密度进行观察，同时使用MATLAB对图片二值化统计致密度，观察结果如图4所示。当仅使用一次激光扫描时，激光功率取80W，扫描速度取1600mm/s热输入过低，无法将材料充分熔化，其致密度仅为98.03，当激光扫描12次时，在单层粉末上的多次激光扫描产生热积累，粉末充分熔化铺展，致密度上升至99.82％。当激光扫描次数再次提升，材料致密度会进一步上升，但上升趋势逐渐减缓。实验结果表明，使用多次扫描可以获得99.9％以上的致密度。此外，为了验证晶粒细化的效果，通过电子显微镜将致密度大于99.9％的单次扫描(80W，800mm/s，一次)材料组织和多次扫描(80W，800mm/s，48次)组织通过电镜进行观察对比如图5所示。从图中可以看出，多次扫描由于有较快的冷却速度，其晶粒发生了明显的细化。对不同扫描次数的材料硬度进行了测试如图6所示，随着扫描次数的提升，材料的硬度显著提升，说明多次扫描产生了明显的细晶强化效果。此外，对不同扫描次数下的材料表面进行观察，如图7所示。随着扫描次数上升，材料的表面粘粉得到了明显改善，材料表面质量上升。

[0065] 优选实施例2

[0066] 本优选实施例通过施加不同次数的选区激光扫描实现不同成分的Mg‑Zn‑Zr合金，达到抑制液化裂纹的效果。

[0067] 本优选实施例参阅图1所示的扫描策略，本优选实施例中采用最高功率为500W的带有循环自动送风系统以及基板预热功能的选区激光增材制造打印机。设备型号可以参考西安铂力特增材技术股份有限公司生产的S‑210。本优选实施例采用的合金粉末为ZK60(Mg‑余量，Zn‑5.6％，Zr‑0.5％)，粒径为15‑63μm。

[0068] 打印过程采用图1所示的方案设置如图2所示的打印策略，激光扫描采用“之”字形路径，每次扫描路径之间采用60°的偏转角，扫描间距为0.07mm，粉末层厚度为0.02mm。单次扫描激光功率取90W，扫描速度取800mm/s，多次扫描激光功率取80W，扫描速度取1600mm/s，扫描次数为6次。

[0069] 将ZK60镁合金粉末预置在选区激光增材打印机的粉仓中，将刮刀预置于设备的焦平面上，使用氩气作为保护气进行洗气将氧含量控制在80ppm以下并进行200℃的预热；预热完成后开始打印，打印过程中使用循环送风系统将蒸发产生的烟尘吹除。打印结束后，待舱室温度冷却至室温后将舱门打开，对舱室内的粉末进行回收并进行筛粉，使用真空袋保存以便二次使用。将打印后的零件和基板取出，用钳子将零件从基板上分离，将零件至于酒精中进行超声清洗。

[0070] 将单次扫描和多次扫描的ZK60试样置于电镜下进行观察，结果如图8所示。单次扫描制备的试样，由于激光热输入过高，打印层间产生较大的热应力。同时ZK60镁合金液化区间较大(310℃)，有较高的热裂纹倾向，因此在高热应力影响下产生严重的热裂纹。使用本发明提出的多重扫描工艺可以有效降低热应力，如图8所示，当时用多重扫描打印工艺时，有效抑制了热裂纹的生成。

[0071] 优选实施例3

[0072] 本优选实施例通过多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造实现材料合金元素的调控。

[0073] 本优选实施例参阅图1所示的扫描策略，本优选实施例中采用最高功率为500W的带有循环自动送风系统以及基板预热功能的选区激光增材制造打印机。设备型号可以参考西安铂力特增材技术股份有限公司生产的S‑210。本优选实施例采用的合金粉末为WE43(Mg‑余量，Y‑4.01％，Nd‑2.4％，Gd‑0.6％，Zr‑0.51％)，粒径为15‑63μm。

[0074] 打印过程采用图1所示的方案设置如图2所示的打印策略，激光扫描采用“之”字形路径，每次扫描路径之间采用60°的偏转角。激光功率取80W，扫描速度取800mm/s，扫描间距为0.07mm，粉末层厚度为0.02mm。所采用的扫描次数分别为1,2,4,6,10。

[0075] 将WE43镁合金粉末预置在选区激光增材打印机的粉仓中，将刮刀预置于设备的焦平面上，使用氩气作为保护气进行洗气将氧含量控制在80ppm以下并进行200℃的预热；预热完成后开始打印，打印过程中使用循环送风系统将蒸发产生的烟尘吹除。打印结束后，待舱室温度冷却至室温后将舱门打开，对舱室内的粉末进行回收并进行筛粉，使用真空袋保存以便二次使用。将打印后的零件和基板取出，用钳子将零件从基板上分离，将零件至于酒精中进行超声清洗。

[0076] 将超声清洗后的不同扫描次数的试样用使用进行EDS元素能谱分析，不同扫描次数下，WE43镁合金的合金元素成分变化如表1所示。从表中可以看出，材料的合金元素含量发生了明显的变化。蒸发倾向较大的Mg元素含量发生了明显下降，其他蒸发倾向小的合金元素含量逐渐上升。假设每次激光扫描产生的合金元素蒸发量相同，使用线性拟合对不同扫描次数下WE43镁合金的元素含量进行线性拟合，其主元素含量随扫描次数的变化如下式所示。对0‑30次扫描WE43合金元素含量变化进行定量预测，其结果如图9所示。多次扫描可以实现打印材料合金元素成分的调控，同时可以通过实验测量加拟合的方式对多次扫描对合金元素成分的影响进行定量预测。

[0077] Mg:y＝‑0.7729x+93.0793

[0078] Y:y＝0.4116x+2.0386

[0079] Nd:y＝0.2130+2.3823

[0080] Gd:y＝0.0939x+1.098

[0081] 表1：不同扫描次数下打印材料组元百分比的变化

[0082]

[0083] 综上所述，本发明的主要用途包括但不限于以下四种：

[0084] 1.细化材料晶粒，提升材料综合性能：在选区激光增材制造过程中，低功率，高速度的激光扫描由于其较快的冷却速度，有利于晶粒的细化和残余应力的降低，然而在传统激光粉末床熔化技术中低功率，高速度的激光扫描由于热输入过低，会出现未熔合缺陷，甚至材料无法成型。本发明提出的多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造方法，在同一层粉末多次的激光扫描之间存在热积累，经试验结果证明可以实现低功率，高速度激光扫描的高致密度打印。高的扫描速度具有较高的冷却速度，因此通过本方法获得的材料晶粒明显细化。

[0085] 2.抑制凝固裂纹：对于液化区间较大的合金体系，采用常规的激光粉末床熔融增材制造的方式容易出现较大的热应力，导致在晶界处析出的低熔点共晶撕裂产生液化裂纹。本发明提出的多重扫描熔化的激光粉末床熔融增材制造方法，可以实现低功率，高扫描速度的打印，降低了打印过程的热应力，抑制凝固裂纹的生成。

[0086] 3.提高表面质量：本发明采用的多重扫描策略可以充分熔化打印零件边缘的粉末，起到提升表面质量的效果。

[0087] 4.调控合金元素成分：使用Langmuir方程对几种常见合金材料组元在不同温度下的蒸发通量进行计算，结果如图3所示。在相同温度下，Zn、Mg等蒸发倾向较高的元素蒸发量明显高于Fe、Ti等蒸发倾向较低的元素。因此，本发明通过对每层粉末进行多次扫描的方式将这种蒸发倾向差异扩大，实现对打印材料合金元素成分的调控。

[0088] 最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。