[發(fā)明專利]雙激光束熔敷成形沖擊鍛打復合增材制造方法

在審

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• 申請日: 2017-06-05
• 公開（公告）號: CN107475709A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設計）人: 張永康;張崢;關蕾;楊青天;楊智帆
• 申請（專利權）人: 廣東工業(yè)大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C21D10/00;B22F3/105;B33Y10/00
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所44329
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發(fā)明涉及增材制造技術領域，特別涉及一種雙激光束熔敷成形沖擊鍛打復合增材制造方法。

背景技術

增材制造區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除”制造，不需要原胚和模具，直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。

現(xiàn)有單純激光熔敷3D成形工藝其實質是“自由增材成形”工藝，普遍存在如下共性技術問題：(1)內部缺陷：工藝參數(shù)、外部環(huán)境、熔池熔體狀態(tài)的波動及變化、掃描填充軌跡的變換等，都可能在零件內部局部區(qū)域產生各種特殊的內部冶金缺陷，例如，氣孔、未熔合、裂紋和縮松內部缺陷等。這些內部缺陷是承力結構件致命的疲勞萌生源，其影響最終成形零件的內部質量、力學性能及構件的服役使用安全。增材制造金屬材料所呈現(xiàn)出的組織特征與常見的鑄態(tài)、鍛態(tài)、焊態(tài)金屬存在著一定的差異。這種組織特征在很多情況下對金屬材料而言是不利的，例如，鎳基合金Inconel 718選區(qū)激光熔化成型的顯微組織出現(xiàn)了織構現(xiàn)象，ν基固溶體中還存在有Nb、Mo元素的偏析。(2)熱應力與變形開裂：3D打印成形是一個“逐點掃描熔化-逐線掃描搭接-逐層凝固堆積”的不斷循環(huán)過程，零件截面不同部位傳熱效率不同，芯部材料冷卻較慢，表層材料冷卻較快。在這種強約束下移動熔池的快速凝固收縮、循環(huán)加熱及非均勻冷卻下的非平衡固態(tài)相變過程中，零件內產生復雜熱應力、組織應力及應力集中和變形，嚴重影響零件幾何尺寸和力學性能，導致零件嚴重翹曲變形和開裂。

因此，如何在通過金屬增材制造金屬零件時，盡量避免氣孔、未融合和縮松問題，是本領域技術人員亟待解決的技術問題。中國專利CN 103862050 A基于層間沖擊強化工藝的金屬3D打印機及打印方法，該發(fā)明專利的特殊之處在于，采取每熔敷一定的層數(shù)后，停止3D打印成形，然后通過加熱裝置將熔敷層上表面加熱到100℃-700℃，再對熔敷層進行激光沖擊強化或機械噴丸強化。這是熔敷-加熱-強化三道工序的組合，加熱和強化是熔敷層的后處理工藝，不是復合加工。這三道工序的工藝參數(shù)選擇各自獨立，不影響，單獨實施。其存在如下影響實用性的問題：(1)熔敷層冷卻后再激光沖擊強化，其塑性變形小，很難消除熔敷層內部的空洞、縮松、微裂紋等內部缺陷；(2)熔敷層加熱裝置復雜程度隨著熔敷零件的尺寸增大和結構復雜性增加將成倍增加，甚至難以實現(xiàn)，局部加溫技術難度更大。將一個冷卻后的3D打印大型構件加熱到700℃將需要非常長的時間，熔敷數(shù)層后就一次加溫循環(huán)，則效率十分低下。(3)機械噴丸很難實現(xiàn)局面區(qū)域噴丸強化，而且噴丸的丸粒清理十分困難。中國專利CN 105935771 A一種金屬模具3D打印激光微區(qū)處理方法，采用分層激光熔敷沉積后，再對熔敷層進行第二次激光表面淬火處理，由此類推，形成金屬模具。該方法是通過兩次工藝形成金屬模具，加工效率低。而且，激光表面淬火僅能夠改變零件表面硬度，很難消除熔敷沉積層的內部缺陷，多次反復的激光淬火使得內應力更大，更容易發(fā)生變形與開裂。

中國專利CN 104525944 A公開了一種金屬材料高能束-超聲復合增材制造方法，并且公開了如下技術特征：“由高能束熔化金屬成形材料，在逐層熔化/凝固堆積一定層數(shù)后，對凝固進行超聲沖擊，然后繼續(xù)逐層熔化/凝固堆積和超聲沖擊過程，直至完成整個金屬構件的成型過程”。中國專利CN 103305828 A公開了一種超聲沖擊強化熔敷層的裝置及其方法，并且公開了如下技術特征：“一道激光熔敷層制備完成后，利用超聲槍對激光熔敷層進行超聲沖擊，確保敷蓋率達到100％，最后，一道激光熔敷層沖擊結束后，進行下一道激光熔敷工藝，超聲沖擊與激光熔敷循環(huán)交替進行，最終實現(xiàn)完整激光熔敷層的制備”。這兩個發(fā)明專利都是熔敷或熔化/凝固-超聲沖擊兩道工序的組合，這兩道工序的工藝參數(shù)選擇各自獨立，互不影響，單獨實施，不是復合加工。

本發(fā)明提出了雙激光束熔敷成形沖擊鍛打復合增材制造方法，采用雙激光束同時復合制造工藝，即第一束連續(xù)激光利用熱效應對金屬粉末進行熔敷，同時第二束短脈沖激光利用沖擊波力學效應對熔敷區(qū)材料進行同步沖擊鍛打，進行復合制造，逐層堆疊熔敷區(qū)材料形成工件。兩束激光束參數(shù)選擇相互影響，兩者之間有最佳的匹配，才能夠保證成形速度與鍛打質量的最佳。本方法與上述方法顯著不同的是復合制造工藝，在金屬熔敷階段進行金屬熔敷與塑性沖擊鍛打兩項工藝，提升了零件加工效率的同時保證成形質量，有效的解決了金屬熔敷成形的制造效率和質量之間的矛盾。