本發(fā)明涉及增材制造成形技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬件激光增材制備方法。
背景技術(shù)：
目前，金屬增材制造技術(shù)包括以激光為能量束和以電子束為能量束兩種。其中，利用激光為能量束應(yīng)用更為普遍。由于增材制造是逐層堆積成形的，因此，所制造的零件可以具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這也是增材制造技術(shù)的重要優(yōu)點之一。另外，在金屬件增材制造技術(shù)領(lǐng)域中，對于網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方面研究較少，該方面技術(shù)研究尚不成熟。因而提出一種具有優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬件的制造將具有重要的研究意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：提供一種具有優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬件激光增材制備方法，該制備方法具有操作方便、性能可靠，綜合成本低、成形件重量輕，表面光滑，能夠滿足使用要求、提高其使用壽命等優(yōu)點，能夠廣泛被推廣應(yīng)用。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：
一種具有優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬件激光增材制備方法，該制備方法包括如下步驟：
1)根據(jù)金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的要求，定義其網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的形狀因子，其中對于實體形狀因子，三維規(guī)則形狀為3、二維規(guī)則形狀為2、一維規(guī)則形狀為1，完全無規(guī)則形狀為0，對于孔洞形狀因子，三維規(guī)則形狀為-3、二維規(guī)則形狀為-2、一維規(guī)則形狀為-1，完全無規(guī)則形狀亦為0；
2)根據(jù)金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的要求，確定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，該結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：網(wǎng)格填充參數(shù)、單位面積上的網(wǎng)格線密度、單位長度上的網(wǎng)格線條數(shù)、金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀規(guī)則區(qū)域尺寸、規(guī)則區(qū)域邊界尺寸，其中，金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀規(guī)則區(qū)域尺寸以單位面積上的格點數(shù)表示，規(guī)則區(qū)域邊界尺寸以單位長度上的格點數(shù)表示；
3)根據(jù)金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，確定優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括空間位置填補法、軸對稱填補法、旋轉(zhuǎn)對稱填補法、正應(yīng)力方向填補法中的任一種方法；所述的實體形狀因子取正數(shù)，孔洞形狀因子取負(fù)數(shù)；
4)在計算機(jī)上利用CAD三維制圖軟件對金屬件的STL三維模型進(jìn)行切片分層處理，將金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的參數(shù)輸入至計算機(jī)中，層厚為0.3-3mm；計算機(jī)控制系統(tǒng)控制3D打印機(jī)的噴頭在X、Y、Z三軸上運動，運動軌跡與每個切片分層圖形一致；在讀入數(shù)據(jù)時，同時讀入網(wǎng)格填充參數(shù)和孔洞形狀因子兩類數(shù)據(jù)；求出X、Y方向網(wǎng)格線數(shù)和孔洞線數(shù)；其中X網(wǎng)格線數(shù)從1到X，步長為1；X’孔洞線數(shù)從1到X’，步長為1；Y方向的網(wǎng)格線與X方向同樣處理，Y’方向的孔洞線與X’方向同樣處理，完成第一層掃描得到輪廓線之后，在對第一層的填充線進(jìn)行掃描；直到完成所有切片分層的掃描；
5)將金屬粉末進(jìn)行充分均勻混合，并將混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中進(jìn)行烘干1-1.5h處理；將烘干處理后的復(fù)合粉末放置在3D打印機(jī)送粉器的粉筒中留作備用；計算機(jī)控制系統(tǒng)控制3D打印機(jī)送粉器噴頭的送粉速率和送粉量、啟動激光器和惰性氣體保護(hù)氣體供氣裝置，對該步驟中的逐層切片分層進(jìn)行激光選區(qū)熔化、激光選區(qū)燒結(jié)及激光熔覆沉積成形，形成具有網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬成形件；
6)對上述步驟5)中的金屬成形件進(jìn)行無損檢測，其中該無損檢測的方法包括：掃描路徑下成形材料熔化與凝固時的物理性狀觀察；掃描過程中溫度場和殘余應(yīng)力場的三維分析與顯示；金屬粉末熔化與凝固過程仿真，以及預(yù)測成形件的機(jī)械性能；成形件機(jī)械性能綜合檢測，同時與仿真結(jié)果進(jìn)行對比；
7)完成上述步驟6)后，對金屬成形件進(jìn)行后處理得到最終金屬成形件，根據(jù)金屬件設(shè)計要求，該后處理包括內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)精細(xì)清理、內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)熱處理、物理熱處理和噴砂處理四種處理方式中的一種或者組合；其中，在內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)熱處理時，將金屬成形件置于PH＝6.1-6.9的酸性環(huán)境中進(jìn)行加熱，加熱溫度為200-400℃，加熱時間為1-2h，使得內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的孔洞表面形成的薄氧化膜去除厚度為2-3μm；在進(jìn)行物理熱處理時，將金屬成形件置于真空環(huán)境中加熱，加熱溫度為500-650℃，加熱時間為2-4h；在進(jìn)行噴砂處理時，使金屬成形件的精度和表面粗糙度達(dá)到設(shè)計要求。
作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的一種具有優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬件激光增材制備方法，其特征在于：上述步驟5)中采用的激光器類型為二氧化碳激光器或者光纖激光器。
作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述一種具有優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬件激光增材制備方法，其特征在于：所述的步驟5)中的金屬粉末為Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一種或者組合。
與現(xiàn)有技術(shù)中金屬增材制造技術(shù)相比，采用本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點：
(1)本發(fā)明使得機(jī)械零件有一個很好的方法達(dá)到輕量化，通過新型的零件設(shè)計與制造，有可能使得機(jī)械設(shè)備的自重大大減輕。
(2)通過金屬件優(yōu)化的網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)，可以使得零件內(nèi)部的應(yīng)力分布更加合理，減少了零件在使用時出現(xiàn)微裂紋的可能性。
(3)通過金屬件優(yōu)化的網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)，可以使得零件具有更好的綜合機(jī)械性能。
附圖說明
附圖1為一種具有優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬件激光增材制備方法簡單流程示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明一種具有優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬件激光增材制備方法作具體說明。
一種具有優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬件激光增材制備方法，該制備方法包括如下步驟：
1)根據(jù)金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的要求，定義其網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的形狀因子，其中對于實體形狀因子，三維規(guī)則形狀為3、二維規(guī)則形狀為2、一維規(guī)則形狀為1，完全無規(guī)則形狀為0，對于孔洞形狀因子，三維規(guī)則形狀為-3、二維規(guī)則形狀為-2、一維規(guī)則形狀為-1，完全無規(guī)則形狀亦為0；
2)根據(jù)金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的要求，確定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，該結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：網(wǎng)格填充參數(shù)、單位面積上的網(wǎng)格線密度、單位長度上的網(wǎng)格線條數(shù)、金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀規(guī)則區(qū)域尺寸、規(guī)則區(qū)域邊界尺寸，其中，金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀規(guī)則區(qū)域尺寸以單位面積上的格點數(shù)表示，規(guī)則區(qū)域邊界尺寸以單位長度上的格點數(shù)表示；
3)根據(jù)金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，確定優(yōu)化網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括空間位置填補法、軸對稱填補法、旋轉(zhuǎn)對稱填補法、正應(yīng)力方向填補法中的任一種方法；所述的實體形狀因子取正數(shù)，孔洞形狀因子取負(fù)數(shù)；
4)在計算機(jī)上利用CAD三維制圖軟件對金屬件的STL三維模型進(jìn)行切片分層處理，將金屬件內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的參數(shù)輸入至計算機(jī)中，層厚為0.3-3mm；計算機(jī)控制系統(tǒng)控制3D打印機(jī)的噴頭在X、Y、Z三軸上運動，運動軌跡與每個切片分層圖形一致；在讀入數(shù)據(jù)時，同時讀入網(wǎng)格填充參數(shù)和孔洞形狀因子兩類數(shù)據(jù)；求出X、Y方向網(wǎng)格線數(shù)和孔洞線數(shù)；其中X網(wǎng)格線數(shù)從1到X，步長為1；X’孔洞線數(shù)從1到X’，步長為1；Y方向的網(wǎng)格線與X方向同樣處理，Y’方向的孔洞線與X’方向同樣處理，完成第一層掃描得到輪廓線之后，在對第一層的填充線進(jìn)行掃描；直到完成所有切片分層的掃描；
5)將金屬粉末進(jìn)行充分均勻混合，并將混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中進(jìn)行烘干1-1.5h處理；將烘干處理后的復(fù)合粉末放置在3D打印機(jī)送粉器的粉筒中留作備用；計算機(jī)控制系統(tǒng)控制3D打印機(jī)送粉器噴頭的送粉速率和送粉量、啟動激光器和惰性氣體保護(hù)氣體供氣裝置，對該步驟中的逐層切片分層進(jìn)行激光選區(qū)熔化、激光選區(qū)燒結(jié)及激光熔覆沉積成形，形成具有網(wǎng)狀內(nèi)結(jié)構(gòu)的金屬成形件；
6)對上述步驟5)中的金屬成形件進(jìn)行無損檢測，其中該無損檢測的方法包括：掃描路徑下成形材料熔化與凝固時的物理性狀觀察；掃描過程中溫度場和殘余應(yīng)力場的三維分析與顯示；金屬粉末熔化與凝固過程仿真，以及預(yù)測成形件的機(jī)械性能；成形件機(jī)械性能綜合檢測，同時與仿真結(jié)果進(jìn)行對比；
7)完成上述步驟6)后，對金屬成形件進(jìn)行后處理得到最終金屬成形件，根據(jù)金屬件設(shè)計要求，該后處理包括內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)精細(xì)清理、內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)熱處理、物理熱處理和噴砂處理四種處理方式中的一種或者組合；其中，在內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)熱處理時，將金屬成形件置于PH＝6.1-6.9的酸性環(huán)境中進(jìn)行加熱，加熱溫度為200-400℃，加熱時間為1-2h，使得內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的孔洞表面形成的薄氧化膜去除厚度為2-3μm；在進(jìn)行物理熱處理時，將金屬成形件置于真空環(huán)境中加熱，加熱溫度為500-650℃，加熱時間為2-4h；在進(jìn)行噴砂處理時，使金屬成形件的精度和表面粗糙度達(dá)到設(shè)計要求。
上述步驟5)中采用的激光器類型為二氧化碳激光器或者光纖激光器。所述的步驟5)中的金屬粉末為Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一種或者組合。
上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。