一种金属零件激光选区合金化增材制造方法

摘要

本发明涉及一种金属零件激光选区合金化增材制造方法,该制造方法包括：确定成形件的数模类型及建模，成形件合金化处理的局部区域选择，成形件合金化的选材，成形件的辅助送粉头及工艺选择，成形件的激光增材制造工艺确定，成形件的无损检测以及后处理，最终获得选区合金化的成形件。此方法获得的成形件综合机械性能优良，特别是摩擦学性能能够满足特殊的需要；节省贵重材料，也使其综合成本低，成形件重量轻；摩擦对偶面经光滑化处理，耐磨减摩，具有优良的摩擦学性能；成形件的使用寿命也得到提高。

主权项

一种金属零件激光选区合金化增材制造方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：1)确定成形件的数模类型及建模：本发明成形件的数模类型为双送粉头成形的数模类型，其定义为：其中一个送粉头输送主材料的金属粉末或合金粉末，另一个送粉头输送合金化辅助粉末材料，而且这两个送粉头具有不同的送粉轨迹；然后在增材制造机床的工控机中利用CAD三维软件建立成形件的三维数模；2)成形件合金化处理的局部区域选择：根据摩擦学的知识，选择成形件的局部区域，由辅助送粉头输送用于合金化的辅助粉末材料，因而上述局部区域包括在成形件的接触表面及其附近的一个薄层，该区域需要更低的摩擦系数，更高的耐磨性以及润滑性能；3)成形件合金化的选材：对于不同的材料体系，对应有不同的合金元素或化合物，从而使得局部区域发生合金化，合金元素或化合物占10‑30％的重量百分比，其中，适用的基材包括高速钢、工具钢、耐磨钢、不锈钢、Ni基高温合金、Co基高温合金、W基高温合金、Ti合金、Al合金、Cu合金、Mg合金中任一项；添加的合金元素包括Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B中任一项或其组合，以及WC、Cr7C3、Al2O3、TiC中任一项陶瓷粉末；4)成形件的辅助送粉头及工艺选择：对于不同的增材制造技术，辅助送粉头的安装也相应不同，其中，该辅助送粉头的设置方式包括：对于激光熔覆工艺而言，在原同轴送粉头的旁边，附设一个尺寸略小的送粉头；对于激光选区熔化工艺而言，在原同轴送粉头上新增一个注射器形状的送粉头；上述辅助送粉头和辅助粉末供粉箱相连接；合金粉末供粉箱与增材机床上的工控机相连接；对于需要合金化处理的局部区域，还应考虑工艺，即将合金元素或化合物直接或间接结合到基体材料的特定部位，在高能量激光束的照射下，合金元素或化合物快速、均匀地分散并熔渗在熔池中，在液化区发生扩散作用，获得合金化的组织，为了对于合金化处理的结果进行比对分析，置入合金化处理随炉标准试件；5)成形件的激光增材制造：利用与步骤1)相同的三维CAD软件，将步骤1)中的数模进行切片分层处理，将切片分层处理数据导入工控机，控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；选用粒径为10‑50μm的金属粉末放置在100‑200℃的烘干箱中进行烘干1‑1.5小时处理；将烘干处理后的金属粉末放置在3D打印机送粉头的粉筒中留作备用，其中激光器的具体参数为：功率P＝200‑10000W，光斑直径D＝2‑8mm，扫描速度V＝2‑3m/min，搭接率为20‑30％，对于进行合金化的局部区域，其它工艺条件不变，只是开启辅助送粉头，将合金化元素或化合物的粉末注入已经形成的熔池，主送粉头和辅助送粉头的送粉量要相互匹配，在需要进行激光合金化的部位形成厚度为10‑1000μm的熔化层，并且在凝固时获得的冷却速度为10⁵‑10⁷℃/s；6)对于上述步骤5)获得的成形件使用酸洗液进行轻度酸洗，酸洗液的浓度为普通酸洗液的1/10，酸洗时间为1‑3min，根据成形件的金属种类选择相配的轻度酸洗；将经过酸洗后的成形件进行无损检测，并和随炉标准试件进行比较，当两者的比较结果一致或者在容许误差范围内时，判定成形件是合格的；反之，则为不合格的；其中无损检测包括：典型区域的三维形貌观测、随炉标准试件的摩擦、磨损与润滑实验；7)将上述步骤6)处理后的成形件进行后处理获得最终成形件，其中后处理包括热处理和/或抛光，后处理获得最终成形件。