用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法，包括以下步驟：(a)根據結構件的幾何特征(面積S、壁厚H、形狀P)與精度要求，將各層幾何模型劃分成若干個區域，確定不同區域的掃描方法，所述掃描方法包括回字形、條紋形與棋盤形；(b)成型掃描：依次完成各層中不同區域的掃描、實現結構件成型；(c)外表面掃描：對成型的結構件外表面進行第二次掃描，實現結構件外表面的快速修復與熱處理；本發明通過對各切片層進行分區，并選擇不同的掃描方法，有效的避免了因熱量集中引起的應力變形與開裂問題，提高了高溫合金激光快速成型結構件的力學性能和表面精度。
【專利說明】用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬粉末熔化成型【技術領域】，涉及一種用于高溫合金結構件快速成型 的激光掃描方法。

【背景技術】
[0002] 高溫合金具有熔點高、高溫強度高、低蒸汽壓、低的膨脹系數以及在許多介質中的 耐蝕性好等一系列優良特性，廣泛應用于武器裝備、醫療器械和通訊發射裝備等領域。但是 高溫合金的成形性能差，限制了其應用范圍的擴大。目前，高溫合金大多采用粉末冶金成 形，這種成形工藝需要昂貴的工裝模具、工藝過程復雜，難以成形三維結構復雜的零件。因 此，開發高溫合金的先進成形技術已成為研究熱點之一。激光快速成形作為一種新型的成 形技術具有制造過程柔性程度高、制件的力學性能和化學性能優異、可實現組分連續變化 的梯度功能材料的制造、產品的尺寸大小和復雜程度對加工難度影響很小等特點。因此，激 光快速成形技術在高溫合金成型中具有廣闊的應用前景。
[0003] 高溫合金激光快速成型的熔池溫度高且熱量分布集中，極易造成變形、開裂等缺 陷。用激光進行復雜曲面的成形過程中，激光掃描方法（包括掃描路徑、激光功率、掃描速 度、掃描點距、掃描間距等）的變化對掃描成形的影響作用較復雜，隨著掃描方法的改變將 導致熔池熱量分布的改變以及殘余應力分布的改變，繼而影響最終的成形結果。因此，激光 加熱三維成形是一個非常復雜的成形過程。激光掃描方法及工藝參數的自動規劃一直是難 以解決的問題，這已經成為制約該技術發展的瓶頸。


【發明內容】

[0004] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種改善熔池熱量分布情況，可有效避免變形、 開裂缺陷的用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法。
[0005] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一種用于高溫合金結構件快速成型 的激光掃描方法，包括以下步驟：
[0006] (a)根據結構件的幾何特征（面積S、壁厚H、形狀P)與精度要求，將各層幾何模 型劃分成若干個區域，確定不同區域的掃描方法，所述掃描方法包括回字形、條紋形與棋盤 形；
[0007] (b)成型掃描：依次完成各層中不同區域的掃描，實現結構件成型；
[0008] (c)外表面掃描：對成型結構件外表面進行第二次掃描，實現結構件外表面的快 速修復與熱處理。
[0009] 進一步，所述步驟（a)中掃描方法的選擇原則為：
[0010] ①掃描區域面積s < 0. 2_2,或掃描區域結構件厚度Η < 0. 5_，采用"回"字形掃 描方法；②當〇· 2mm2 < S < 1. 0mm2,或0· 5mm < Η < 5mm，采用條紋形掃描方法；③當S > 1. 0mm2,或Η > 5_，采用棋盤形掃描方法。
[0011] 進一步，所述步驟（b)中結構件成型掃描的功率為200W?400W，掃描速度為 600mm/s?1000mm/s，掃描點距20 μ m?50 μ m，掃描間距0· 1mm?0· 5mm ;所述步驟（c) 中結構件外表面掃描的功率為150W?200W，掃描速度為1000mm/s?1500mm/s，掃描點距 10 μ m ?30 μ m,掃描間距 0. 05mm ?0. 2mm。
[0012] 進一步，高溫合金粉末的粒徑范圍為10?50 μ m，在激光快速成型設備中基板上 鋪設的層厚為20?50 μ m。
[0013] 進一步，激光快速成型設備中激光波長范圍為300nm?10.6 μ m。
[0014] 進一步，激光快速成型過程中選用氬氣作為保護氣體。
[0015] 進一步，作為結構件的高溫合金為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、 鎢合金及鈦合金中的一種或幾種。
[0016] 本發明的有益效果在于：本發明改進了傳統的掃描方法，通過對各切片層進行分 區，并針對各區域選擇不同的掃描方法，改變了合金粉末熔化過程中的熱量分布情況，有效 避免了因熱量集中引起的應力變形與開裂問題，顯著提高了高溫合金激光快速成型結構件 的力學性能和表面精度；工藝過程簡單，可控程度高，適于推廣和應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行 說明：
[0018] 圖1為本發明中掃描方法示意圖。

【具體實施方式】
[0019] 下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0020] 本實施例的用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法，包括以下步驟：
[0021] (1)利用三維造型軟件建立結構件三維幾何模型；然后由切片軟件處理，生成多 層切片信息后保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到激光快速成型設備；
[0022] (2)根據結構件的幾何特征（面積S、壁厚H、形狀P)與精度要求，將幾何模型的各 層切片劃分成若干個區域，確定不同區域的掃描方法，所述掃描方法包括回字形、條紋形與 棋盤形；
[0023] 掃描方法的選擇原則為：①掃描區域面積S < 0. 2_2,或掃描區域結構件厚度Η < 0· 5mm，采用"回"字形掃描方法；②當0· 2mm2 < S < 1. 0mm2,或0· 5mm < Η < 5mm，采用 條紋形掃描方法；③當S > 1. 0mm2,或Η > 5mm，采用棋盤形掃描方法。
[0024] (3)將高溫合金粉末平鋪在激光快速成型設備的基板上，粉末的粒徑范圍為10? 50 μ m，在基板上鋪設的層厚為20?50 μ m。
[0025] (4)控制激光器的掃描速度掃描烙化待加工粉末，包括兩次掃描過程，第一次為成 型掃描，第二次為外表面掃描，具體的掃描過程與控制方法如下：
[0026] 成型掃描：依次完成各切片層中不同區域的掃描，實現結構件成型；激光器的掃 描功率為200W?400W，掃描速度為600mm/s?1000mm/s，掃描點距20 μ m?50 μ m，掃描間 距 0· 1mm ?0· 5mm ；
[0027] 外表面掃描：對已成型的結構件外表面進行掃描，實現結構件外表面的快速修復 與熱處理；激光器的掃描功率為150W?200W，掃描速度為1000mm/ S?1500mm/s，掃描點距 10 μ m ?30 μ m,掃描間距 0. 05mm ?0. 2mm ;
[0028] 其中，激光波長范圍為300nm?10. 6 μ m，保護氣體為氬氣。
[0029] (5)按分層信息逐層循環鋪粉與熔化，即循環步驟（3)與步驟（4)，直至堆積成型。 實現熔池熱量的均勻分布，消除因熔池熱量分布集中所引發的成型件變形與開裂缺陷。
[0030] 本實施例所述的快速成型方法可用于金屬零部件三維成型，如粉末床激光燒結 成型、激光近凈成型、大型激光燒結成型等；材料選擇上，適用于可在高溫條件下（600°C以 上）承受較大復雜應力、且具有較強表面穩定性的高合金化金屬材料，如鐵基高溫合金、鎳 基高溫合金、鈷基高溫合金、鈦合金及鶴合金中的一種或幾種。
[0031] 實施例一
[0032] 某高溫合金切片層劃分為Al、Bl、C1三個區域，其中A1區域面積S為0. 15mm2， 采用"回"字形掃描方法，B1區域面積S為0. 5mm2,采用條紋形掃描方法，Cl區域面積S為 2. 0_2,采用棋盤形掃描方法；
[0033] 粉末的粒徑為20 μ m，層厚為50 μ m ;
[0034] 成型掃描時激光器的掃描功率為200W，掃描速度為600mm/s，掃描點距20 μ m，掃 描間距0. lm ;外表面掃描時激光器的掃描功率為150W，掃描速度為1000mm/s，掃描點距 1〇4 111，掃描間距0.05111111;
[0035] 激光波長范圍為980nm，保護氣體為氦氣。
[0036] 實施例二
[0037] 某高溫合金切片層劃分為A2、B2、C2三個區域，其中A2掃描區域結構件厚度Η為 0. 4mm2,采用"回"字形掃描方法，Β2掃描區域結構件厚度Η為1. 0mm2,采用條紋形掃描方 法，C2掃描區域結構件厚度Η為6mm2,采用棋盤形掃描方法；
[0038] 粉末的粒徑為25 μ m，層厚為45 μ m ;
[0039] 成型掃描時激光器的掃描功率為250W，掃描速度為700mm/s，掃描點距30 μ m，掃 描間距0. 2m;外表面掃描時激光器的掃描功率為160W，掃描速度為1100mm/s，掃描點距 15 μ m，掃描間距0.06mm;
[0040] 激光波長范圍為1. 07 μ m，保護氣體為氦氣。
[0041] 實施例三
[0042] 某高溫合金切片層劃分為A3、B3、C3三個區域，其中A3區域面積S為0. 1mm2,采用 "回"字形掃描方法，B3區域面積S為0. 8mm2,采用條紋形掃描方法，C3區域面積S為3. 0mm2， 采用棋盤形掃描方法；
[0043] 粉末的粒徑為30 μ m，層厚為45 μ m ;
[0044] 成型掃描時激光器的掃描功率為400W，掃描速度為1000mm/S，掃描點距50μπι， 掃描間距〇. 5m ;外表面掃描時激光器的掃描功率為200W，掃描速度為1500mm/s，掃描點距 30 μ m，掃描間距0· 2謹；
[0045] 激光波長范圍為9. 6 μ m，保護氣體為氦氣。
[0046] 實施例四
[0047] 某高溫合金切片層劃分為A4、B4、C4三個區域，其中A4掃描區域結構件厚度Η為 0. 3mm2,采用"回"字形掃描方法，Β4掃描區域結構件厚度Η為2. 0mm2,采用條紋形掃描方 法，C4掃描區域結構件厚度Η為10mm2,采用棋盤形掃描方法；
[0048] 粉末的粒徑為45 μ m，層厚為40 μ m ;
[0049] 成型掃描時激光器的掃描功率為300W，掃描速度為800mm/s，掃描點距35 μ m，掃 描間距0. 3m;外表面掃描時激光器的掃描功率為180W，掃描速度為1300mm/s，掃描點距 2(^111，掃描間距0.1謹；
[0050] 激光波長范圍為10. 6 μ m，保護氣體為氦氣。
[0051] 最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通 過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在 形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1. 一種用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法，其特征在于包括以下步驟： (a) 根據結構件的幾何特征（面積S、壁厚H、形狀P)與精度要求，將各層幾何模型劃分 成若干個區域，確定不同區域的掃描方法，所述掃描方法包括回字形、條紋形與棋盤形； (b) 成型掃描：依次完成各層中不同區域的掃描、實現結構件成型； (c) 外表面掃描：再對成型的結構件外表面進行掃描，實現結構件外表面的快速修復 與熱處理。
2. 根據權利要求1所述的用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法，其特征在 于：所述步驟（a)中掃描方法的選擇原則為： ① 掃描區域面積S < 0. 2_2,或掃描區域結構件厚度Η < 0. 5_，采用"回"字形掃描方 法； ② 當0. 2mm2 < S < 1. 0mm2,或0. 5mm < Η < 5mm，采用條紋形掃描方法； ③ 當S > 1. 0mm2,或Η > 5mm，采用棋盤形掃描方法。
3. 根據權利要求1所述的用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法，其特征在 于：所述步驟（b)中結構件成型掃描的功率為200W?400W，掃描速度為600mm/s?1000mm/ s，掃描點距20 μ m?50 μ m，掃描間距0· 1mm?0· 5mm ;所述步驟（c)中結構件外表面掃描 的功率為150W?200W，掃描速度為1000mm/s?1500mm/s，掃描點距10 μ m?30 μ m，掃描 間距0· 05mm?0· 2臟。
4. 根據權利要求1所述的用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法，其特征在 于：高溫合金粉末的粒徑范圍為10?50 μ m，在激光快速成型設備中基板上鋪設的層厚為 20 ?50 μ m〇
5. 根據權利要求1所述的用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法，其特征在 于：激光快速成型設備中激光波長范圍為300nm?10. 6 μ m。
6. 根據權利要求1所述的用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法，其特征在 于：激光快速成型過程中選用氬氣作為保護氣體。
7. 根據權利要求1所述的用于高溫合金結構件快速成型的激光掃描方法，其特征在 于：作為結構件的高溫合金為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鎢合金及鈦合 金中的一種或幾種。
【文檔編號】B22F3/105GK104084584SQ201410363341
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】王林志, 范樹遷 申請人:中國科學院重慶綠色智能技術研究院