[發明專利]雙激光束熔敷成形沖擊鍛打復合增材制造方法

在審

• 申請號: 201811260001.4
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN111098033A
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 陳云
• 申請（專利權）人: 陳云
• 主分類號: B23K26/342
• 分類號: B23K26/342;B23K26/356;B33Y10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了雙激光束熔敷成形沖擊鍛打復合增材制造方法，包括如下技術特征：1)兩束不同功能的激光束同時且相互協同逐層堆疊熔敷區材料形成工件；2)第一束連續激光利用熱效應對金屬粉末進行熔敷，與此同時第二束短脈沖激光直接作用在鍛造溫度范圍內的熔敷金屬表面，利用第二束短脈沖激光沖擊波力學效應對處于鍛造溫度范圍內的熔敷層進行沖擊鍛打。本發明的特點在于，雙激光束充分利用了熱效應和沖擊波力學效應，同時同步耦合工作，打使每一層熔敷層晶粒細化，提高了整個塊體材料的強度和塑性以及晶粒尺寸的均勻性，消除了熔敷層的氣孔等內部缺陷和熱應力，顯著提高了金屬零件的內部質量和機械力學綜合性能，并有效控制宏觀變形與開裂問題。

技術領域

本發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

增材制造區別于傳統的“去除”制造，不需要原胚和模具，直接根據計算機圖形數據，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展方向。

現有單純激光熔敷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、外部環境、熔池熔體狀態的波動及變化、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出的組織特征與常見的鑄態、鍛態、焊態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選區激光熔化成型的顯微組織出現了織構現象，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、循環加熱及非均勻冷卻下的非平衡固態相變過程中，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，該發明專利的特殊之處在于，采取每熔敷一定的層數后，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，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，熔敷數層后就一次加溫循環，則效率十分低下。(3)機械噴丸很難實現局面區域噴丸強化，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，更容易發生變形與開裂。