[發(fā)明專利]一種三束激光復(fù)合掃描金屬粉末熔化快速成形方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910304631.1
• 申請日: 2009-07-22
• 公開（公告）號: CN101607311A
• 公開（公告）日: 2009-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史玉升;李瑞迪;魏青松;王志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于快速制造領(lǐng)域，具體涉及兩束長波長激光(二氧化碳)和一束短波長激光(光纖或Nd:YAG)的復(fù)合掃描快速成形方法，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬粉末的微區(qū)預(yù)熱/熔化/熱處理過程。

背景技術(shù)

采用選擇性激光熔化(Selective?Laser?Melting，SLM)技術(shù)直接制造金屬零件的快速成形裝置已經(jīng)有所報道，見“一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)”(公開號為：CN1631582A，公開日為：2005年06月29日)。雖然它們能夠?qū)崿F(xiàn)直接制造任意復(fù)雜的金屬零件，但是這種掃描裝置沒有預(yù)熱系統(tǒng)。在這種情況下，金屬粉末被迅速移動的激光束掃描后出現(xiàn)快速熔化和快速凝固現(xiàn)象，并且粉床溫度場分布不均勻，形成較大的溫度梯度和熱應(yīng)力，從而易導(dǎo)致金屬零件出現(xiàn)裂紋、翹曲等現(xiàn)象。

對粉床整體預(yù)熱可以降低溫度梯度，緩和熱應(yīng)力，從而大大減少了金屬零件成形過程中的開裂、翹曲等缺陷。且對粉床整體預(yù)熱可降低激光能量輸入，可以選用較快的掃描速度，有利于提高成形金屬零件的效率。但是對粉床整體預(yù)熱需要對工作缸加熱。然而，整個成形裝置都是由金屬零部件組合而成，整體預(yù)熱時機(jī)器零部件的熱傳導(dǎo)不可忽視：對粉床整體預(yù)熱容易導(dǎo)致各種電機(jī)、激光掃描系統(tǒng)、激光器等電器系統(tǒng)的工作溫度過高，妨礙機(jī)器正常運行甚至損壞機(jī)器零部件。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有直接制造金屬零件快速成形預(yù)熱系統(tǒng)存在的不足，本發(fā)明提供了一種三束激光復(fù)合掃描金屬粉末熔化快速成形方法，該方法可以在零件成形過程中連續(xù)完成預(yù)熱、凝固與熱處理過程，消除殘余應(yīng)力，大大減小成形零件的裂紋和翹曲現(xiàn)象。

本發(fā)明提供的激光復(fù)合掃描金屬粉末熔化快速成形方法，其步驟包括：

(1)利用波長大于10000nm的第一激光束預(yù)先沿掃描路徑掃描金屬粉末，提高金屬粉末溫度，并控制激光功率使預(yù)熱溫度低于金屬粉末的熔點；

(2)利用波長小于1100nm的第二激光束以相同速度緊跟第一束激光掃描過的路徑重復(fù)掃描，使金屬粉末熔化，隨后冷卻凝固；

(3)利用波長大于10000nm的第三激光束以相同速度緊跟第二束激光掃描過的路徑重復(fù)掃描，對金屬凝固區(qū)域加熱，實現(xiàn)熱處理。

本發(fā)明方式通過長波長激光(波長大于10000nm，如CO₂激光)預(yù)熱、短波長激光(波長小于1100nm，如YAG激光或光纖激光)熔化、再由長波長激光退火熱處理，從而在金屬零件的成形過程中連續(xù)完成預(yù)熱、熔化與熱處理過程。這種三束激光復(fù)合掃描方法既達(dá)到了預(yù)熱、熔化與熱處理作用，消除殘余應(yīng)力，大大減小成形零件的裂紋和翹曲現(xiàn)象。這種掃描方法適用于多種金屬粉末材料成形，如成形鐵基、鎳基、鈦基、鎢基金屬合金的復(fù)雜零件，并且可以極大地減少成形過程中的翹曲和裂紋。

具體而言，這種三束激光復(fù)合掃描方法具有以下優(yōu)點：

(1)長波長激光束具有較大的光斑直徑，且金屬粉末對長波長激光的吸收率較低，可以對粉床微區(qū)進(jìn)行預(yù)熱或熱處理，而不使金屬粉末熔化；短波長激光束具有較小的光斑直徑，較高的金屬吸收率，極高的能量密度可以使金屬粉末瞬間熔化。

(2)第一束長波長激光預(yù)先對需要熔化區(qū)域的金屬粉末進(jìn)行預(yù)熱，使溫度場均勻，減緩了直接對粉末進(jìn)行熔化時溫度場的劇烈變化，從而降低溫度梯度，緩和了應(yīng)力場，最終可減少翹曲、開裂等缺陷；

(3)第二束短波長激光熔化金屬粉末時無需提供單束激光掃描的高能量密度，這樣不僅可以降低短波長激光掃描功率，還可以使用高掃描速度，從而提高掃描效率；

(4)第三束長波長激光對凝固的金屬掃描可以實現(xiàn)熱處理，消除金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力、改善組織結(jié)構(gòu)，有利于提高成形出的金屬零件的性能；

(5)這種三束激光掃描方法比單掃描方法大大節(jié)省了成形時間，替代了傳統(tǒng)的預(yù)熱與熱處理過程，可提高零件的成形效率。

(6)本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)金屬粉床局部區(qū)域預(yù)熱、熔化和熱處理而不增加設(shè)備整體的工作溫度，避免了整體預(yù)熱對機(jī)器的損害。

附圖說明

圖1為長波長激光先預(yù)熱、短波長激光熔化、長波長激光熱處理示意圖。

具體實施方式

該方法采用三束激光掃描，將長波長激光束預(yù)熱、短波長激光熔化、長波長激光熱處理結(jié)合起來進(jìn)行三束激光復(fù)合掃描成形金屬零件。

下面結(jié)合附圖和實際過程對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。