[發明專利]激光直接成形懸臂結構金屬零件的工藝

有效

• 申請號: 201410747722.3
• 申請日: 2014-12-08
• 公開（公告）號: CN104588649B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發明（設計）人: 張安峰;李滌塵;師博飛;齊寶路;盧秉恒
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F5/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明涉及激光增材制造技術，特別涉及激光直接成形中利用粉末、金屬細網、粉末壓制成的薄片提供支撐，以成形懸臂結構零件的方法，主要用于解決三軸(甚至五軸)激光系統中無法解決的懸臂結構零件成形問題。

背景技術

激光直接成形是20世紀90年代初發展起來的融合了快速成形技術和激光熔覆技術的先進制造技術。其以“離散－堆積”成形原理為基礎，首先在計算機中生成功能零件的三維CAD實體模型；然后將零件的三維形狀信息切片分層，轉換為一系列的二維輪廓信息，層面幾何信息融合成形參數生成掃描路徑數控代碼，在數控系統控制下，采用同步送粉激光熔覆的方法按照掃描軌跡逐層熔覆堆積，最終形成三維實體零件。作為顛覆傳統制造業的新技術，能夠實現高性能復雜結構金屬零件的無模具、快速、全致密近凈成形，被視為第三次工業革命，在世界范圍內掀起了研究和應用的熱潮。尤其適用于傳統方法難以制造的特種材料或特殊形狀金屬零件，在航空航天、汽車工業、模具設計與制造、生物醫學等領域有著廣泛的應用前景。

實際對于噴粉式激光直接成形裝備并不能成形任意復雜的金屬零件。以三軸聯動的成形設備為例，對于超過極限傾斜角度和具有懸臂結構的零件，需要添加支撐才能成形，從而降低了成形效率，且部分支撐去除困難甚至無法去除。五軸聯動的成形設備可以克服較大傾斜角度的問題，但是對于某些復雜的懸臂結構仍無法成形(比如航空發動機渦輪葉片頂部的成形)。可見復雜懸臂結構限制著激光直接成形技術的廣泛應用。

發明內容

針對現有激光直接成形技術中無法成形懸臂結構金屬零件的問題，本發明的目的是提供一種采用預置粉末、金屬細網、薄片的方法，為后續熔覆成形提供支撐，以成形含有懸臂結構金屬零件的工藝。

為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種激光直接成形懸臂結構金屬零件的工藝，其特征在于，包括下述步驟：

(1)金屬零件不存在懸臂結構時，按激光成形常規工藝直接熔覆金屬?粉末；

(2)熔覆至懸臂結構的一層時，按以下三種方法之一提供支撐：

①、將金屬粉末填充到零件周圍，并將粉末壓實，并與零件當前端面平齊；

②、將金屬細網平鋪于零件當前端面；

③、將預制的粉末薄片平鋪于零件當前端面，薄片形狀與懸臂部分相同；

(3)懸臂層根據步驟(2)不同方式的支撐，對應以下不同的成形工藝：

①、對步驟(2)①的支撐，降低激光器功率并關閉送粉器，在與零件當前端面平齊的金屬粉末上按懸臂輪廓掃描；使粉末部分熔化形成燒結層；

②、對步驟(2)②的支撐，先按懸臂輪廓掃描，將金屬細網熔融到零件當前端面；降低激光器功率，再填充掃描一層；

③、對步驟(2)③的支撐，直接按照常規工藝繼續成形；

(4)后續的成形只需按正常工藝繼續熔覆，若再遇到懸臂結構，則再返回至步驟(2)。

上述工藝中，所述對步驟(2)②的預置金屬粉末的支撐形式，懸臂結構成形結束后，需清理回收填充的金屬粉末。

成形用金屬粉末粒度為40～60μm。可優先選用材料為Ti-6Al-4V，也即TC4粉末。

本發明在激光直接成形中，選用燒結的一層粉末、同種金屬的細網、粉末壓制成的薄片做支撐，可以完成懸臂結構的成形，解決了懸臂結構金屬零件激光直接成形困難的問題。本發明借鑒了激光選區燒結技術(SLM)中，三維模型的懸臂部分利用金屬粉末做支撐，而不用再為模型搭建實體支撐。理論上可以成形任意復雜的實體零件，且由于激光直接成形零件的特點，其強度高于激光選區燒結。由于不存在不必要的實體支撐，可以最大限度提高成形效率，節省粉末。

本發明可以在三個運動軸的激光金屬成形設備條件下，快速制造具有懸臂結構的金屬零件，適用于航空發動機葉片、內流道等復雜結構的成形。

附圖說明

圖1為激光直接成形系統示意圖。圖中：1、激光束；2、載氣粉末；3氣氛保護罩；4、數控工作臺；5、送粉噴嘴；6、基板。

圖2為本發明激光直接成形懸臂零件的一個實例。其中：(a)金屬零?件不含懸臂結構的部分，在基板上直接成形；(b)在預置的金屬粉末上燒結一層；(c)最終成形金屬零件。圖中：6、基板；7、沒有懸臂結構部分的零件；8、預置的金屬粉末；9、在預置粉末上燒結的一層；10、粉末容器；11、最終成形的金屬零件。

圖3為本發明激光直接成形懸臂零件的另一個實例的形貌照片。其中：(a)利用金屬網做支撐；(b)最終成形的TC4懸臂結構零件。