[發明專利]一種高效率高精度激光選區熔化成形的質量控制方法

在審

• 申請號: 202211734382.1
• 申請日: 2022-12-31
• 公開（公告）號: CN116160016A
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 魏愷文;鐘橋;曾曉雁;岳曉澤;李祥友
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B22F10/28
• 分類號: B22F10/28;B22F10/366;B22F10/37;B22F10/85;B33Y10/00;B33Y50/02
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 張彩錦;梁鵬

本發明屬于先進制造技術領域，并公開了一種高效率高精度激光選區熔化成形的質量控制方法，其采用高功率激光束以較大的層厚、掃描速度和掃描間距成形高效率成形區域；采用低功率激光束以較小的層厚、掃描速度和掃描間距成形高精度成形區域；當過渡區域位于高效率成形區域上方高精度成形區域下方時，采用激光功率、層厚、掃描速度和掃描間距全部或部分逐層減小的方式成形；當過渡區域位于高精度成形區域上方高效率成形區域下方時，采用激光功率、層厚、掃描速度和掃描間距全部或部分逐層增大的方式成形，且過渡區域對應參數介于另兩個區域對應參數的取值之間。本發明可在確保不同區域過渡質量的前提下，實現金屬零部件的高效率高精度SLM成形。

技術領域

本發明屬于先進制造技術領域，更具體地，涉及一種高效率高精度激光選區熔化成形的質量控制方法。

背景技術

激光選區熔化(Selective?Laser?Melting,SLM)是當前發展最快、應用最廣的金屬3D打印技術之一，其利用掃描振鏡驅動高能激光束，根據金屬零部件的模型切片數據，對預鋪的金屬粉末床進行選擇性熔化，通過逐層熔凝堆積，可以實現復雜金屬零部件的高致密、高精度、結構功能一體化成形。

然而，現階段商品化SLM設備大都采用低功率激光(功率P1000W)，為滿足金屬粉末完全熔化對激光能量密度的較高需求，僅能使用較小的掃描速度(V)、掃描間距(S)和層厚(T)，因而成形效率普遍較低(≤5mm³/s)，嚴重制約了SLM技術在工業領域的大規模應用。

針對常規SLM技術成形效率低下的問題，國內外研究機構將目光投向基于千瓦級激光(P≥1000W)的高功率SLM技術，相繼采用高功率SLM開展了多種材料體系的試驗，并對成形質量和成形效率進行了研究。結果表明，采用高功率SLM技術可以實現數倍甚至數十倍的成形效率提升，且成形件的致密度、強度、延伸率等關鍵指標可達到甚至超越常規SLM。高功率SLM提升成形效率的核心是通過增大激光功率，進而增大可用的掃描速度、掃描間距和層厚。由于成形構件是由激光熔覆道逐道逐層堆疊而成，掃描間距和層厚的增大勢必會導致成形精度下降。此外，高功率激光與粉末的相互作用劇烈，隨之而來的“熔體遷徙”和“熔滴飛濺”會使SLM成形件表面粗糙。這些問題在很大限度上阻礙了高功率SLM技術的推廣應用。

為解決高功率SLM技術成形精度下降和成形件表面粗糙的問題，發明人所在單位于近期提出了一種兼顧成形效率和成形質量的雙光束SLM成形方法(專利CN112091213A)，該方法將金屬零件的數字化模型分為兩個區域：一是對成形精度要求較高的區域，采用常規的低功率激光實現高精度成形；二是對成形效率要求較高的區域，采用千瓦級高功率激光實現高效率成形；應用該方法成形金屬零部件時，根據零件數字化模型的分區情況，交替采用高、低功率激光成形，進而兼顧成形效率和成形精度。為了提升高功率激光成形區域的質量，發明人所在單位還提出了一種兼顧成形效率和成形質量的雙光束SLM成形方法及系統(專利CN112276081A)，將高效率成形區域成形時所采用的千瓦級高功率激光的能量分布模式優化為環形或平頂模式，使得高功率激光成形區域的內部冶金缺陷減少、殘余應力降低。

但是，由激光加工原理所決定，即使采用了優化的激光能量分布模式，高功率激光成形區域(即零部件的高效率成形區域)的表面粗糙度仍然會明顯高于低功率激光成形區域(即零部件的高精度成形區域)。在這種情況下，金屬零部件的SLM成形期間，若要在高效率成形區域的表面進一步成形高精度成形區域，則高效率成形區域因表面粗糙度較大，表面的高低起伏甚至會大于后續高精度成形區域所設定的鋪粉層厚，無疑會影響后續高精度成形區域成形過程中的鋪粉質量，輕則降低后續高精度成形區域的成形精度，并造成不同區域的界面形成大量冶金缺陷，重則直接造成鋪粉裝置的損毀進而導致加工被迫中斷。另一方面，在金屬零件的SLM成形過程中，如果需要在高精度成形區域的表面繼續成形高效率成形區域，則后續高效率區域成形時所采用的高功率激光的作用深度可能穿透粉末層，對已成形的高精度成形區域的質量產生消極影響。