專利名稱：利用第二道激光束提高3d打印金屬件的致密性的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬件的3D打印方法，特別是指利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法。
背景技術：
3D打印技術是一種新興的成型方法，其核心是將所需成形工件的復雜3D形體通過切片處理轉化為簡單的2D截面的組合，因此不必采用傳統(tǒng)的加工機床和工模具，依據工件的三維計算機輔助設計模型，在計算機控制的快速成形機上，沿著高度方向逐層沉積材料，成形工件的一系列2D截面薄片層，并使片層與片層之間相互粘接，最終堆積成三維工件。目前的主要的3D打印方法有激光固化式方法、激光燒結式方法、激光切紙式方法、三維打印式方法和熔融擠壓式方法，由于5種快速成形機的工作原理和結構等的原因，他們適用的成形材料非常有限，例如，激光固化式方法使用的材料只能是特定液態(tài)光敏樹脂，熔融擠壓式方法使用的材料只能是特定直徑和成分的塑料絲，三維打印式方法使用的材料只能是特定成分的石膏粉、陶瓷粉等粉材，激光燒結式方法使用的材料只能是特定成分的塑料粉、覆膜砂和金屬粉等粉材，激光切割式方法使用的材料只能是特定成分的紙材等。由于材料是決定成形件性能的根本因素，因此，材料的局限性導致快速成形機制作的器件大多還是只能用于形體觀測的樣品，不是真實可用的功能器件，特別是如果將3D打印技術利用在金屬件的成型，那么在成型過程中會存在一定的缺陷，如氣孔、裂紋、縮孔等，這些缺陷都會導致最終成型的金屬零件在機械、電氣、力學等性能上與真實產品的要求相比還有較大的差距。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是:一種利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，該方法利用第一道激光將合金粉末熔融，依靠多道搭接、逐層疊加的方式形成金屬件；在第一道激光打印的同時，利用尾隨的第二道激光對每層打印層進行二次熔凝，通過液態(tài)金屬本身的流動與內應力釋放，減少3D打印過程中的孔洞、氣穴、熱裂紋、交界面開裂等缺陷，提高金屬件致密性。為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是:利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法,包括:a.對打印底座、打印底板進行預處理；b.利用第一道激光和合金粉末在打印底板上按照預設軌跡運行依靠多道搭接、逐層疊加的方式進行3D打印，并在打印過程中對工件面與粉末流場進行惰性氣體保護，第一道激光使合金粉末熔融形成打印層；c.利用尾隨的第二道激光對3D打印得到的打印層進行重熔，第二道激光按第一道激光的運行軌跡螺旋前進或折線前進 或前后疊進，第二道激光的光斑中心與第一道激光的光斑中心之間距離為15-40mm，第二道激光與打印層之間的交角為80— 85°，打印層逐層疊加冷卻后形成金屬件；d.對金屬件進行后期加工。作為一種優(yōu)選的方案，所述方法中用到的合金粉末為鈷基合金粉末，其成分按重量百分比為:15-25%WC，0.5-l%C, 2-4%CaF2,4-6%SiN4,15-20%Cr, 2_4%B，0.5-l%V, l_3%Si，
5-15%Mo,0.5-1.5%Mn，余量為Co，上述材料均為100-200目的粉末。作為一種優(yōu)選的方案，所述第一道激光為光纖激光，該第一道激光采用多道搭接的方式運行，所述合金粉末的送粉方向與第一道激光光束同軸，所述第一道激光的激光波長為1.06iim，輸出功率為4000W，運行速度為2-15mm/s，單道寬度為2_6mm，第一道激光與待打印部位之間的交角為80— 85°。作為一種優(yōu)選的方案，所述第一道激光為二氧化碳激光，該第一道激光采用多道搭接的方式上運行，所述合金粉末的送粉方向與第一道激光光束同軸，所述第一道激光的激光波長為10.6iim，輸出功率為5000W，運行速度為2-15mm/s，單道寬度為2_6mm，所述第一道激光與待打印部位之間的交角為80— 85°。作為一種優(yōu)選的方案，每層打印層的厚度為0.5_3mm。作為一種優(yōu)選的方案，第二道激光的功率小于第一道激光的功率。作為一種優(yōu)選的方案，所述步驟d包括:dl、將打印后的金屬件連同打印底板從打印底座上取出；d2、將金屬件與打印底板剝離；d3、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工。作為一種優(yōu)選 的方案，所述步驟d包括:dll、將金屬件連同打印底板從打印底座上取出；dl2、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工；dl3、將金屬件與打印底板剝離；dl4、對金屬件上與打印底板連接的連接面進行后期機加工。作為一種優(yōu)選的方案，步驟a中的預處理包括去除表面的油污和雜屑。采用了上述技術方案后，本發(fā)明的效果是:利用第一道激光對合金粉末熔融在打印底板上形成打印層，根據工件的形狀，按照預設的軌跡運行，多道搭接、逐層疊加，在形成打印層的過程中，由于第一道激光速度較快，送粉可能不均勻，并且，粉末中的有些陶瓷相顆粒，在打印過程中會不被熔融，始終保持固體狀態(tài)，極易造成金屬件內部孔洞、氣穴、熱裂紋、交界面開裂等缺陷，因此形成的打印層致密性不夠，此時，利用第二道激光對3D打印得到的打印層進行重熔，第二道激光按第一道激光的運行軌跡螺旋前進或折線前進或前后疊進，不但可讓打印層中的一些氣泡在重熔過程中釋放，而且對打印層的組織進行重組，在3D打印過程中產生的裂紋、縮孔和疏松等缺陷也均會在第二道激光的重熔過程中盡可能的消除，而正因為通過若干打印層疊加成金屬件，每一層中的缺陷均被第二道激光的重熔而消除，這樣就提高了整個金屬件的致密性，該方法適用于打印制造一些設計要求高、受力復雜、工作環(huán)境嚴苛的金屬工件，而第二道激光的前進方式為螺旋前進或折線前進或前后疊進，可使打印層重熔更加徹底，合金粉末中的陶瓷顆粒在打印層中分布更加均勻，打印層的中殘留的氣泡也會最大程度的消除，打印層的致密性明顯提高。又由于所述方法中用到的合金粉末為鈷基合金粉末，其成分按重量百分比為:15-25%WC,0.5-l%C,2-4%CaF2,4-6%SiN4,15-20%Cr,2-4%B,0.5-l%V,l_3%Si,5_15%Mo,
0.5-1.5%Mn，余量為Co，上述材料均為100-200目的粉末，該合金粉末以鈷作為基礎粉末，打印時徹底熔融，其他元素或化合物在熔池中均勻分布后凝固成打印層，打印層冷卻后的金屬件的強度高，而金屬粉末陶瓷WC粉末在鈷基中均勻分散存在于打印層中提高其強度，并且添加了 C，CaF2，SiN4, Cr，B，V，Si，Mo，Mn等元素，減少該粉末在3D打印時產生的裂紋與縮孔等缺陷，使金屬件的致密性提高。又由于所述第一道激光為光纖激光，該第一道激光采用多道搭接的方式運行，所述合金粉末的送粉方向與第一道激光光束同軸，所述第一道激光的激光波長為1.06iim，輸出功率為4000W，運行速度為2-15mm/s，單道寬度為2_6mm，第一道激光與待打印部位之間的交角為85-90°，利用光纖激光和合金粉末同軸設置，可確保光纖激光周圍的粉末均勻，提高打印質量，而第一道激光采用多道搭接的方式運行，效率高，運行合理，形成的打印層之間更加緊密結合，致密性更高，同時也便于第二道激光的運行，此外，第一道激光與待打印部位之間的交角為85-90°，使第一道激光的能量充分的被金屬件待打印部位吸收，降低激光的反射率。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明中第二道激光的不同運行方式示意具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。實施例1一種利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，包括:a.對打印底座、打印底板進行預處理；所述預處理包括去除底座、打印底板表面的油污或其他雜質，其中，去除油污可以采`用加熱去油的方式或者采用有機清潔劑去油的方式，該打印底板是作為打印層逐層疊加的基礎，第一層的打印層是打印在打印底板上的，最終金屬件成型于打印底板上。b.利用第一道激光和合金粉末在打印底板上按照預設軌跡運行依靠多道搭接、逐層疊加的方式進行3D打印，并在打印過程中對工件面與粉末流場進行惰性氣體保護，一般每一層打印層的厚度控制在0.5-3mm,本實施例選0.5mm,;第一道激光使合金粉末熔融形成打印層，第一道激光的激光發(fā)射器根據預先電腦編程的軌跡運行，其打印層逐層疊加，從而逐漸形成金屬件；本實施例中的第一道激光采用光纖激光，該第一道激光采用多道搭接的方式運行，所述合金粉末的送粉方向與第一道激光光束同軸，所述第一道激光的激光波長為1.06iim，輸出功率為4000W，運行速度為2-15mm/s，單道寬度為2_6mm，第一道激光與待打印部位之間的交角為80— 85°，其中，多道搭接是指第一道激光的激光發(fā)射器運行形成的打印層與之前的打印層有部分重疊，構成搭接，以此類推，每一道打印層都與之前的打印層有部分重疊，最終通過逐層疊加的方式打印成金屬件。而上述惰性氣體優(yōu)選氮氣，合金粉末則根據金屬件所著重要求的性能決定。如金屬件要求韌性和耐磨性比較高，而合金粉末則為鈷基合金粉末，其成分按重量百分比為:15%WC，0.5%C，2%CaF2，4%SiN4，15%Cr，2%B，
0.5%V，l%Si，5%Mo，0.5%Mn，余量為Co，上述材料均為100-200目的粉末。使用該合金粉末可確保具有韌性的同時還具有較高的耐磨性。c.在3D打印的過程中，利用尾隨的第二道激光對3D打印得到的打印層進行重熔，第二道激光按第一道激光的運行軌跡螺旋前進，由于3D打印的要求較高，相應的第一道激光的功率也要求較高，而第二道激光的功率只需達到對打印層熔融的最低功率即可，因此第二道激光的功率小于第一道激光的功率。第二道激光的光斑中心與第一道激光的光斑中心之間距離為15mm，第二道激光與打印層之間的交角為80°，第二道激光的運行速率、激光波長和第一道激光相同。螺旋前進是以激光的光斑中心運行確定的，如圖1中的A圖所示，A圖中的線示意性的表示了第二道激光光斑中心的運行線路。這種螺旋前進的方式可以使第二道激光對打印層的熔融更加徹底，合金粉末中的強化顆粒在打印層中分布更加均勻，打印層的中殘留的氣泡也會最大程度的溢出消除，打印層的致密性明顯提高，打印層的各種孔洞、氣穴、熱裂紋、交界面開裂明顯減少，第二道激光行走過后，打印層空冷固化形成金屬件。d.對打印后的金屬件的進行后期加工，該后期加工包括dl、將打印后的金屬件連同打印底板從打印底座上取出；d2、將金屬件與打印底板剝離；d3、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工，確保金屬件的外形尺寸或表面精度符合設計要求。通過金相分析得到，3D打印與普通鑄件比較:
權利要求
1.利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，包括: a.對打印底座、打印底板進行預處理； b.利用第一道激光和合金粉末在打印底板上按照預設軌跡運行，采用多道搭接、逐層疊加的方式進行3D打印，并在打印過程中對工件面與粉末流場進行惰性氣體保護，第一道激光使合金粉末熔融形成打印層； c.利用尾隨的第二道激光對3D打印得到的打印層進行重熔，第二道激光按第一道激光的運行軌跡螺旋前進或 折線前進或前后疊進，第二道激光的光斑中心與第一道激光的光斑中心之間距離為15-40mm，第二道激光與打印層之間的交角為80— 85°，打印層逐層疊加冷卻后形成金屬件； d.對金屬件進行后期加工。
2.如權利要求1所述的利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，其特征在于:所述方法中用到的合金粉末為鈷基合金粉末，其成分按重量百分比為:15-25%WC，0.5-l%C, 2-4%CaF2,4-6%SiN4,15-20%Cr,2-4%B,0.5-l%V,l_3%Si，5_15%Mo，0.5-1.5%Mn,余量為Co，上述材料均為100-200目的粉末。
3.如權利要求2所述的利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，其特征在于:所述第一道激光為光纖激光，該第一道激光采用多道搭接的方式運行，所述合金粉末的送粉方向與第一道激光光束同軸，所述第一道激光的激光波長為1.06iim，輸出功率為4000W，運行速度為2-15mm/s，單道寬度為2_6mm，第一道激光與待打印部位之間的交角為80—85°。
4.如權利要求2所述的利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，其特征在于:所述第一道激光為二氧化碳激光，該第一道激光采用多道搭接的方式上運行，所述合金粉末的送粉方向與第一道激光光束同軸，所述第一道激光的激光波長為10.6iim，輸出功率為5000W，運行速度為2-15mm/s，單道寬度為2_6mm，所述第一道激光與待打印部位之間的交角為80— 85°。
5.如權利要求3或4所述的利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法其特征在于:每層打印層的厚度為0.5-3mm。
6.如權利要求5所述的利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，其特征在于:第二道激光的功率小于第一道激光的功率。
7.如權利要求6所述的利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，其特征在于:所述步驟d包括 dl、將打印后的金屬件連同打印底板從打印底座上取出； d2、將金屬件與打印底板剝離； d3、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工。
8.如權利要求6所述的利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，其特征在于:所述步驟d包括 dll、將金屬件連同打印底板從打印底座上取出； dl2、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工； dl3、將金屬件與打印底板剝離； dl4、對金屬件與打印底板連接的連接面進行后期機加工。
9.如權利要求1所述的利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致 密性的方法，其特征在于:步驟a中的預處理包括去除表面的油污和雜屑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用第二道激光束提高3D打印金屬件的致密性的方法，包括a.對打印底座、打印底板進行預處理；b.利用第一道激光和合金粉末在打印底板上按照預設軌跡運行依靠多道搭接、逐層疊加的方式進行3D打印，并在打印過程中對工件面與粉末流場進行惰性氣體保護，第一道激光使合金粉末熔融形成打印層；c.利用尾隨的第二道激光對3D打印得到的打印層進行重熔，第二道激光按第一道激光的運行軌跡螺旋前進或折線前進或前后疊進；d.對金屬件進行后期加工。該方法利用第二道激光對打印層同步重熔，減少3D打印過程中的孔洞、氣穴、熱裂紋、交界面開裂等缺陷,，提高金屬工具的致密性。
文檔編號B22F3/105GK103173760SQ20131008527
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權日2013年3月18日
發(fā)明者張翀昊, 柳岸敏, 楊健, 邵國鋒 申請人:張翀昊