[發明專利]一種金屬零件的激光增材制造方法和裝備

有效

• 申請號: 201410011190.7
• 申請日: 2014-01-09
• 公開（公告）號: CN103726049A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 曾曉雁;朱海紅;王福德;王澤敏;陳立新;李重洋;張紅波
• 申請（專利權）人: 武漢新瑞達激光工程有限責任公司;華中科技大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 方放

技術領域

本發明屬于激光增材制造技術領域，具體涉及一種高精度金屬零件的增材制造方法和裝備，尤其適用于大尺寸甚至超大尺寸的復雜金屬零件的制造。

背景技術

近幾年來，基于“離散一堆積”和“添加成形”的激光增材制造技術已經可以從CAD模型和金屬粉末直接制造密度近乎100％的金屬零件。常用金屬材料如工具鋼、不銹鋼、鎳合金、銅合金、鈦合金和鎢合金等都已經試制成功，制造的金屬零件正在逐步走向實際工業應用。

目前，采用激光增材制造技術直接制造100％密度金屬零件的方法歸納起來有兩種：一種是基于自動送粉工藝的激光熔化沉積技術(Laser?Melting?Deposition，以下簡稱LMD技術)，另一種是基于預置鋪粉工藝的選區激光熔化技術(Selective?Laser?Melting，也稱選擇性激光熔化技術，以下簡稱SLM技術)。

由于粉末供給方式不同，LMD與SLM兩者的技術路線和裝備都有明顯差異。LMD采用的是自動送粉，即在加工成形過程中，金屬粉末是從儲粉斗通過噴嘴同步噴射到熔池中，一次性完成粉末的送入、熔化、凝固成形，因此也稱為一步法。

由于合金粉末是從噴嘴中動態噴出的，因此LMD技術中的激光光斑不能夠太小，否則大部分金屬粉末將不能夠被激光捕捉；而且由于激光與工件的相對運動是采用機床來實現的，機床的加速度和速度都較小，成形制造精密構件時沉積效率將會很低。因此，LMD工藝一般采用較大的光斑直徑，所制造的零件形狀相對比較簡單，成形線寬較寬，空間分辨率較低，成形件精度較差，一般在毫米量級。所以，LMD技術成形零件后續機加工較大。然而，LMD技術的顯著優勢之一是，成形裝備可以借用發展十分成熟的通用機床，制造大尺寸零部件所用的裝備制造難度系數不高。因此，LMD技術可以制備大尺寸的零件，其投影面積尺寸可達到數平方米。

而SLM技術則采用預置鋪粉的方式，即預先在成型缸中鋪設一層一定厚度的金屬粉末床，然后采用激光束對合金粉末層實現選擇性熔化。這種粉末先預置、然后熔化成形的工藝又稱為兩步法。

SLM成形工藝中，由于合金粉末處于靜止狀態，因此采用很小的激光光斑也能夠有效捕捉住合金粉末，實現高精度成形。而且，由于采用掃描振鏡實現激光與工件的相對運動，掃描振鏡的基本特性使得激光束的掃描速度、跳轉速度和加速度比LMD采用機床時的對應參數大得多。因此，與LMD相比，SLM技術的最小成形線寬小得多，成形件的空間分辨率、成形精度和表面光潔度高得多。而且，由于是采用鋪粉工藝，粉床可以作為懸掛結構的支撐。上述種種原因使得SLM技術特別適合具有精細復雜結構的金屬零件的凈成形。

下面結合圖1具體說明其工作過程。

現有技術中，SLM技術制造金屬零件1通常是在成型缸2內完成，如圖1所示，具體過程說明如下。

首先，按照待加工金屬零件1所需要的精度，采用SLM設備中專門設計的軟件對待加工金屬零件1的三維CAD模型按照一定厚度進行分層切片，獲得金屬零件1的每層平面輪廓掃描信息。為保護金屬在加工過程中不被氧化，成型缸2和儲粉斗(或者儲粉缸)3均需要采用氣體保護，一般地將成型缸2置于氣氛室4中，氣氛室4中可以充入各種保護氣氛，如氬氣、氮氣等。有的設備還會在成型缸2周圍布置加熱保溫裝置，使其具有預熱緩冷功能。在制造金屬零件1過程中，儲粉斗3中的金屬粉末5被送往成型缸2，自動鋪粉器7以成型缸2的上表面臺面6作為基準面將粉末鋪平。鋪粉時成型缸2的整個區域都需要鋪滿金屬粉末5(如圖1所示的鋪粉后成型缸俯視圖)。由于傳統SLM設備成型缸2的大小是固定的，因此在制作金屬零件過程中，整個零件高度內，成型缸2內將鋪滿金屬粉末；計算機控制系統按照所需加工零件給定的圖形信息驅動掃描振鏡，使得激光束在粉床表面實現選擇性掃描、熔化金屬粉末，熔融粉末快速冷凝后就形成金屬零件1的一層；然后成型缸2的活塞下降一個單層厚度的高度，重復鋪粉-激光選擇性掃描-熔化成形過程；通過上述過程熔化粉末層的層層疊加，即獲得了金屬零件1。儲粉斗3可以置于成型缸2的側上方(此時一般稱為儲粉斗)，也可以平行放置在成型缸2的側面(此時一般稱為儲粉缸)。儲粉斗可以置于氣氛室4，也可以置于氣氛室4外；但是儲粉缸必須置于氣氛室4中。