專利名稱：基于自愈合機制的激光金屬直接成形實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于激光金屬直接成形制造、激光表面熔覆和易損零 部件的激光修復(fù)等方法，特別涉及一種基于自愈合機制的激光金屬直接成形 實驗方法。
背景技術(shù)：
激光金屬直接成形技術(shù)融合了快速成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)，以"離散
一堆積"成形原理為基礎(chǔ)。首先在計算機中生成最終功能零件的三維模型； 然后將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為一系列的二維輪廓幾何信息，層面幾何信 息融合成形參數(shù)生成掃描路徑數(shù)控代碼，控制成形系統(tǒng)采用同步送料激光熔 覆的方法按照輪廓軌跡逐層掃描堆積材料；最終形成三維實體零件或僅需進(jìn) 行少量加工的近形件。激光金屬直接成形除了具有與快速原型技術(shù)相同的特 點之外，還具有一些獨特的優(yōu)點(1)制造速度快，節(jié)省材料，降低成本；
(2)不需采用模具，使得制造成本降低15% 30%，生產(chǎn)周期節(jié)省40% 70%; (3)可以生產(chǎn)用傳統(tǒng)方法難于生產(chǎn)甚至不能生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的零件；
(4)可在零件不同部位形成不同成分和組織的梯度功能材料結(jié)構(gòu)；(5)金屬 零件完全致密、組織細(xì)小，力學(xué)性能超過鍛件，近成形件可直接使用或者僅 需少量的后續(xù)機加工便可使用。由于具有以上優(yōu)點，激光金屬直接成形技術(shù) 逐漸成為先進(jìn)制造技術(shù)研究的熱點，并在航空航天、汽車船舶和武器裝備等 領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于成形工藝條件復(fù)雜，熔池形狀受基材與粉末合金物理化學(xué)性能、激光成形工藝參數(shù)等諸多因素的影響，隨著激光成形高 度的逐層增加，成形表面會產(chǎn)生凹凸不平現(xiàn)象，并具有累積效應(yīng)。在開環(huán)控 制系統(tǒng)下，多層堆積后會因為凹凸累積出現(xiàn)嚴(yán)重鋸齒狀而無法繼續(xù)堆積。調(diào) 節(jié)工藝參數(shù)(改變Z軸增量)能解決該問題，但同時又引入了成形零件高度 不可預(yù)測等新的問題；引入閉環(huán)控制能有效解決該問題，但卻增加了系統(tǒng)復(fù) 雜程度，同時增大成本，操作也不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于自愈合機制的激光金屬直接成形實驗方 法，該方法可以消除激光金屬直接制造零件時，產(chǎn)生的成形表面凹凸不平現(xiàn) 象，使成形過程能平穩(wěn)進(jìn)行。
為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 一種基于自愈合機制的激光金屬直接成形實驗方法，包括以下步驟
(1) 設(shè)定基本工藝參數(shù)為激光光斑直徑為0.5mm，掃描速度為6mm/s， 送粉量為8.8g/min，載氣量為8L/min;
(2) 采用相同的基本工藝參數(shù)，分別在不同粉末離焦量情況下進(jìn)行激光 金屬成形實驗，測量不同粉末離焦量情況下激光金屬成形熔覆層厚度，得到 粉末離焦量對熔覆層厚度影響規(guī)律為粉末匯聚時，熔覆層厚度最大；粉末 負(fù)離焦時，單層熔覆層厚度h隨負(fù)離焦量增大而減小；粉末正離焦時，單層 熔覆層厚度h隨正離焦量增大而減??；
(3 )分析粉末離焦量對熔覆層厚度影響規(guī)律，得到粉末在負(fù)離焦情況下， 多層堆積存在自愈合效應(yīng)，即成形面出現(xiàn)凸凹時，凹陷處負(fù)離焦量減小，下 一層熔覆時熔覆層厚度會增大，凹陷被填平；凸起處負(fù)離焦量較大，下一層熔覆時，熔覆層厚度會減小，凸起處變平緩；
(4)根據(jù)步驟(3)粉末在負(fù)離焦情況下，多層堆積成形存在自愈合效 應(yīng)，選用粉末離焦量為負(fù)的工藝條件進(jìn)行激光金屬直接成形，從而實現(xiàn)自動 愈合或消除成形過程中因工藝參數(shù)不穩(wěn)定而出現(xiàn)的工件表面凹凸不平現(xiàn)象。
上述方案中，所述粉末離焦量參數(shù)定義如下粉末匯聚點O距噴粉頭出 口為4mm，基板形成熔池處在XOY坐標(biāo)系下縱坐標(biāo)值為y, y=0mm時粉末 匯聚于基板；y<0mm時為粉末負(fù)離焦；y>0mm時為粉末正離焦；產(chǎn)生自愈 合效應(yīng)最強的粉末負(fù)離焦量為y=-1.5mm。所述激光金屬成形包括單道激 光金屬成形或薄壁零件堆積成形。
本發(fā)明從粉末離焦的角度出發(fā)，迸行了相應(yīng)的成形工藝實驗研究，得到 了粉末負(fù)離焦情況下激光金屬直接成形零件時的自愈合現(xiàn)象，并研究了在粉 末負(fù)離焦的情況下成形零件的自愈合機制，成形過程中出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，凸起 處粉末負(fù)離焦增大，下一層熔覆層厚度減小，凸起減??；而凹陷處粉末負(fù)離 焦減小，下一層熔覆層厚度增大，凹陷被填平，而成形過程中始終存在自愈 合效應(yīng)，熔覆層表面凹凸不平能隨著后續(xù)層的成形而得到消除，起到了穩(wěn)定 熔覆成形的目的。本發(fā)明能夠在開環(huán)控制系統(tǒng)下，有效消除成形過程中出現(xiàn) 的成形表面凹凸不平的現(xiàn)象，保證成行過程的穩(wěn)定進(jìn)行，有效控制成形零件 高度。避免為獲得穩(wěn)定成形過程而引入的閉環(huán)控制，在保證成形精度的前提 下，降低激光成形系統(tǒng)的成本，促進(jìn)了激光金屬直接制造的發(fā)展，具有非常 重要的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明方法的流程圖。
圖2是定義粉末正、負(fù)離焦的示意圖。
圖3是粉末離焦量與單層熔覆層厚度的關(guān)系曲線。圖4是激光金屬直接成形自愈合機制的原理圖。
圖5是在粉末匯聚或正離焦情況下成形的單道多層薄壁零件照片(實施 例1)。
圖6是在粉末負(fù)離焦情況下成形的單道多層薄壁零件照片(實施例2)。 圖7是在粉末負(fù)離焦1.5mm情況下成形的復(fù)雜薄壁零件照片(實施例3)。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
圖l是本發(fā)明成形實驗方法的流程圖，成形過程中基本工藝參數(shù)為激 光光斑直徑為0.5mm，掃描速度為6mm/s，送粉量為8.8g/min，送氣量為 8L/min。金屬成形的基材和熔覆粉末為316L、不銹鋼或高溫合金等材料。
如圖2所示，不同粉末離焦定義如下粉末匯聚點O距噴粉頭出口為 4mm，基板形成熔池處在XOY坐標(biāo)系下縱坐標(biāo)值為y， y=Omm時粉末匯聚 于基板，稱其為粉末匯聚；yOmm時粉末到達(dá)基板時尚未匯聚，稱其為粉末 負(fù)離焦；y〉Omm時粉末尚未到達(dá)基板已經(jīng)匯聚，稱其為粉末正離焦；
(1)采用相同工藝參數(shù)，分別在不同粉末離焦量情況下迸行激光單道金 屬成形實驗，測量不同粉末離焦量情況下單道金屬成形熔覆層厚度，得到粉 末離焦量對熔覆層厚度影響規(guī)律如下粉末匯聚(y-Omm)時，熔覆層厚度 最大；粉末負(fù)離焦(yOmm)時，單層熔覆層厚度隨離負(fù)焦量增大(y減小) 而減??；粉末正離焦時，單層熔覆層厚度隨正離焦量增大(y增大)而減小 (圖3)。
(2)分析粉末離焦量對熔覆層厚度影響規(guī)律，得到在粉末負(fù)離焦情況下 多層堆積存在自愈合機制。如圖4所示，成形面出現(xiàn)凸凹時，凹陷處負(fù)離焦量減小(y2>y)，下一層熔覆時熔覆層厚度會增大(h2>h)，凹陷被填平；凸 起處負(fù)離焦量增大(yl<y),下一層熔覆層厚度會減小(hl<h)，凸起減??； 自動愈合或消除成形過程中因工藝參數(shù)不穩(wěn)定出現(xiàn)的凹凸現(xiàn)象，分析粉末離 焦量對熔覆層厚度影響規(guī)律，得到相同工藝參數(shù)情況下，產(chǎn)生自愈合效應(yīng)最 強的粉末負(fù)離焦量為y=-1.5mm
若多層堆積出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象，凹陷處粉末正離焦，下一層熔覆層厚度減小， 凹陷越來越深；凸起處粉末負(fù)離焦，下一層熔覆層厚度減小，凸起得到控制， 多層堆積后零件局部存在嚴(yán)重凹陷。在粉末正離焦時成形，若多層堆積出現(xiàn) 凹凸現(xiàn)象，凹陷處粉末正離焦量增大，下一層熔覆層厚度減小，凹陷越來越 深；凸起處粉末正離焦量減小，下一層熔覆層厚度增大，凸起更多，多層堆 積后零件存在嚴(yán)重凹凸不平。 實施例1
采用粉末匯聚或正離焦工藝進(jìn)行單道激光金屬成形，堆積出零件成形表 面凹凸不平，如圖5所示。 實施例2
采用粉末負(fù)離焦工藝進(jìn)行單道激光金屬成形，與圖5對比成形質(zhì)量，堆 積出的薄壁零件成形面很平整，如圖6所示。 實施例3
采用粉末負(fù)離焦進(jìn)行復(fù)雜零件激光金屬直接成形；y=-1.5mm， Z軸增量 為0.08mm，堆積層數(shù)為100層，粉末負(fù)離焦時激光金屬直接成形存在自愈 合效應(yīng)，能保證成行的穩(wěn)定進(jìn)行。
如圖7所示，當(dāng)粉末負(fù)離焦量為7=-1.5111111， Z軸增量為0.08mm，堆積 層數(shù)為530層，零件高度為42.6士0.03mm。實驗得到薄壁零件，其成形表面相當(dāng)平整。
權(quán)利要求
1、一種基于自愈合機制的激光金屬直接成形實驗方法，其特征在于，包括以下步驟(1)設(shè)定基本工藝參數(shù)為激光光斑直徑為0.5mm，掃描速度為6mm/s，送粉量為8.8g/min，載氣量為8L/min；(2)采用相同的基本工藝參數(shù)，分別在不同粉末離焦量情況下進(jìn)行激光金屬成形實驗，測量不同粉末離焦量情況下激光金屬成形熔覆層厚度，得到粉末離焦量對熔覆層厚度影響規(guī)律為粉末匯聚時，熔覆層厚度最大；粉末負(fù)離焦時，熔覆層厚度h隨負(fù)離焦量增大而減?。环勰┱x焦時，熔覆層厚度h隨正離焦量增大而減??；(3)分析粉末離焦量對熔覆層厚度的影響規(guī)律，得到粉末在負(fù)離焦情況下，多層堆積存在自愈合效應(yīng)，表現(xiàn)為成形面出現(xiàn)凸凹時，凹陷處負(fù)離焦量減小，下一層熔覆時熔覆層厚度會增大，凹陷被填平；凸起處負(fù)離焦量較大，下一層熔覆時，熔覆層厚度會減小，凸起處變平緩；(4)根據(jù)步驟(3)粉末在負(fù)離焦情況下，多層堆積存在自愈合效應(yīng)，選用粉末離焦量為負(fù)的工藝條件進(jìn)行激光金屬直接成形，從而實現(xiàn)自動愈合或消除成形過程中因工藝參數(shù)不穩(wěn)定而出現(xiàn)的工件表面凹凸不平現(xiàn)象。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于自愈合機制的激光金屬直接成形實驗方法， 其特征在于，所述粉末離焦量參數(shù)定義如下粉末匯聚點O距噴粉頭出口為 4mm，基板形成烙池處在XOY坐標(biāo)系下縱坐標(biāo)值為y， y=Omm時粉末匯聚 于基板；y<Omm時為粉末負(fù)離焦；y>Omm時為粉末正離焦；產(chǎn)生自愈合效 應(yīng)最強的粉末負(fù)離焦量為y=-1.5mm。
3、 如權(quán)利要求1所述的基于自愈合機制的激光金屬直接成形實驗方法，其特征在于，所述激光金屬成形包括單道激光金屬成形或薄壁零件堆積成形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于自愈合機制的激光金屬直接成形實驗方法，采用相同基本工藝參數(shù)，分別在不同粉末離焦量情況下進(jìn)行激光單道金屬成形實驗，得到不同粉末離焦量情況下單道金屬成形截面厚度的變化規(guī)律。分析該規(guī)律得到粉末負(fù)離焦情況下存在一種自愈合機制，隨著成形的進(jìn)行能自動消除成形過程中因工藝不穩(wěn)定而產(chǎn)生的成形面凹凸不平現(xiàn)象，保證成形過程的穩(wěn)定進(jìn)行。運用粉末負(fù)離焦所產(chǎn)生的自愈合效應(yīng)，能夠在開環(huán)控制系統(tǒng)下實現(xiàn)復(fù)雜薄壁零件的高質(zhì)量堆積成形。
文檔編號B22F3/105GK101590571SQ200910022659
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者盧秉恒, 張利鋒, 張安峰, 朱剛賢, 李滌塵, 剛 皮 申請人:西安交通大學(xué)