本發(fā)明涉及金屬增材制造成形技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬零件激光選區(qū)合金化增材制造方法。

背景技術(shù)：
激光表面合金化是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的通過(guò)改變材料表面成分來(lái)實(shí)現(xiàn)材料表面改性的新技術(shù)。它利用高能密度的激光束快速加熱熔化特性，使基材表層和添加的合金元素熔化混合，從而形成以原基材為基的新的表面合金層。金屬零件的激光增材制造技術(shù)，主要以金屬粉末(尺寸小于1mm的金屬顆粒群)、顆?；蚪饘俳z材為原料，通過(guò)CAD模型預(yù)分層處理，采用激光束熔化或燒結(jié)逐層堆積，直接完成高性能金屬零件的成形制造。激光選區(qū)合金化增材制造方法，是在原來(lái)的激光增材制造成形的基礎(chǔ)上，針對(duì)成形零件摩擦學(xué)性能的要求，進(jìn)一步提出的新方法。目前，激光表面合金化(SLA)與激光選區(qū)熔化(SLM)、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)三種增材制造技術(shù)結(jié)合在一起，構(gòu)成了金屬的激光增材制造技術(shù)體系，此研究具有重要的研究與應(yīng)用意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中金屬增材制造技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于：提供一種金屬零件激光選區(qū)合金化增材制備方法，該方法具有：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(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種金屬零件激光選區(qū)合金化增材制造方法，其特征在于，該制備方法包括如下步驟：1)確定成形件的數(shù)模類型及建模：本發(fā)明成形件的數(shù)模類型為雙送粉頭成形的數(shù)模類型，其定義為：其中一個(gè)送粉頭輸送主材料的金屬粉末或合金粉末，另一個(gè)送粉頭輸送合金化輔助粉末材料，而且這兩個(gè)送粉頭具有不同的送粉軌跡；然后在增材制造機(jī)床的工控機(jī)中利用CAD三維軟件建立成形件的三維數(shù)模；2)成形件合金化處理的局部區(qū)域選擇：根據(jù)摩擦學(xué)的知識(shí)，選擇成形件的局部區(qū)域，由輔助送粉頭輸送用于合金化的輔助粉末材料，因而上述局部區(qū)域包括在成形件的接觸表面及其附近的一個(gè)薄層，該區(qū)域需要更低的摩擦系數(shù)，更高的耐磨性以及潤(rùn)滑性能；3)成形件合金化的選材：對(duì)于不同的材料體系，對(duì)應(yīng)有不同的合金元素或化合物，從而使得局部區(qū)域發(fā)生合金化，合金元素或化合物占10-30％的重量百分比，其中，適用的基材包括高速鋼、工具鋼、耐磨鋼、不銹鋼、Ni基高溫合金、Co基高溫合金、W基高溫合金、Ti合金、Al合金、Cu合金、Mg合金中任一項(xiàng)；添加的合金元素包括Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B中任一項(xiàng)或其組合，以及WC、Cr7C3、Al2O3、TiC中任一項(xiàng)陶瓷粉末；4)成形件的輔助送粉頭及工藝選擇：對(duì)于不同的增材制造技術(shù)，輔助送粉頭的安裝也相應(yīng)不同，其中，該輔助送粉頭的設(shè)置方式包括：對(duì)于激光熔覆工藝而言，在原同軸送粉頭的旁邊，附設(shè)一個(gè)尺寸略小的送粉頭；對(duì)于激光選區(qū)熔化工藝而言，在原同軸送粉頭上新增一個(gè)注射器形狀的送粉頭；上述輔助送粉頭和輔助粉末供粉箱相連接；合金粉末供粉箱與增材機(jī)床上的工控機(jī)相連接；對(duì)于需要合金化處理的局部區(qū)域，還應(yīng)考慮工藝，即將合金元素或化合物直接或間接結(jié)合到基體材料的特定部位，在高能量激光束的照射下，合金元素或化合物快速、均勻地分散并熔滲在熔池中，在液化區(qū)發(fā)生擴(kuò)散作用，獲得合金化的組織，為了對(duì)于合金化處理的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，置入合金化處理隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件；5)成形件的激光增材制造：利用與步驟1)相同的CAD三維軟件，將步驟1)中的數(shù)模進(jìn)行切片分層處理，將切片分層處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入工控機(jī)，控制3D打印機(jī)的噴頭在X、Y、Z三軸上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡與每個(gè)切片分層圖形一致；選用粒徑為10-50μm的金屬粉末放置在100-200℃的烘干箱中進(jìn)行烘干1-1.5小時(shí)處理；將烘干處理后的金屬粉末放置在3D打印機(jī)送粉頭的粉筒中留作備用，其中激光器的具體參數(shù)為：功率P＝200-10000W，光斑直徑D＝2-8mm，掃描速度V＝2-3m/min，搭接率為20-30％，對(duì)于進(jìn)行合金化的局部區(qū)域，其它工藝條件不變，只是開(kāi)啟輔助送粉頭，將合金化元素或化合物的粉末注入已經(jīng)形成的熔池，主送粉頭和輔助送粉頭的送粉量要相互匹配，在需要進(jìn)行激光合金化的部位形成厚度為10-1000μm的熔化層，并且在凝固時(shí)獲得的冷卻速度為105-107℃/s；6)對(duì)于上述步驟5)獲得的成形件使用酸洗液進(jìn)行輕度酸洗，酸洗液的濃度為普通酸洗液的1/10，酸洗時(shí)間為1-3min，根據(jù)成形件的金屬種類選擇相配的輕度酸洗；將經(jīng)過(guò)酸洗后的成形件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并和隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的比較結(jié)果一致或者在容許誤差范圍內(nèi)時(shí)，判定成形件是合格的；反之，則為不合格的；其中無(wú)損檢測(cè)包括：典型區(qū)域的三維形貌觀測(cè)、隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件的摩擦、磨損與潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)；7)將上述步驟6)處理后的成形件進(jìn)行后處理獲得最終成形件，其中后處理包括熱處理和/或拋光，后處理獲得最終成形件。作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述金屬粉末的送粉方式采用同軸正向送粉方式或者采用非同軸側(cè)向送粉方式進(jìn)行送粉。作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的激光器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，本方法中使用惰性氣體供氣裝置提供氮?dú)?、氬氣或者氦氣作為保護(hù)氣體。與現(xiàn)有技術(shù)中技術(shù)相比，采用本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)成形件綜合機(jī)械性能優(yōu)良，特別是摩擦學(xué)性能能夠滿足特殊的需要；(2)節(jié)省貴重材料，只在局部區(qū)域使用貴重材料進(jìn)行合金化處理，而在一般的區(qū)域，使用普通材料，也使其綜合成本低，成形件重量輕；(3)摩擦對(duì)偶面經(jīng)光滑化處理，耐磨減摩，具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能；(4)成形件的使用壽命也得到提高。附圖說(shuō)明附圖1為一種金屬零件激光選區(qū)合金化增材制造方法流程示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明一種金屬零件激光選區(qū)合金化增材制造方法作具體說(shuō)明。一種金屬零件激光選區(qū)合金化增材制造方法，其特征在于，該制備方法包括如下步驟：1)確定成形件的數(shù)模類型及建模：本發(fā)明成形件的數(shù)模類型為雙送粉頭成形的數(shù)模類型，其定義為：其中一個(gè)送粉頭輸送主材料的金屬粉末或合金粉末，另一個(gè)送粉頭輸送合金化輔助粉末材料，而且這兩個(gè)送粉頭具有不同的送粉軌跡；然后在增材制造機(jī)床的工控機(jī)中利用CAD三維軟件建立成形件的三維數(shù)模；2)成形件合金化處理的局部區(qū)域選擇：根據(jù)摩擦學(xué)的知識(shí)，選擇成形件的局部區(qū)域，由輔助送粉頭輸送用于合金化的輔助粉末材料，因而上述局部區(qū)域包括在成形件的接觸表面及其附近的一個(gè)薄層，該區(qū)域需要更低的摩擦系數(shù)，更高的耐磨性以及潤(rùn)滑性能；3)成形件合金化的選材：對(duì)于不同的材料體系，對(duì)應(yīng)有不同的合金元素或化合物，從而使得局部區(qū)域發(fā)生合金化，合金元素或化合物占10-30％的重量百分比，其中，適用的基材包括高速鋼、工具鋼、耐磨鋼、不銹鋼、Ni基高溫合金、Co基高溫合金、W基高溫合金、Ti合金、Al合金、Cu合金、Mg合金中任一項(xiàng)；添加的合金元素包括Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B中任一項(xiàng)或其組合，以及WC、Cr7C3、Al2O3、TiC中任一項(xiàng)陶瓷粉末；4)成形件的輔助送粉頭及工藝選擇：對(duì)于不同的增材制造技術(shù)，輔助送粉頭的安裝也相應(yīng)不同，其中，該輔助送粉頭的設(shè)置方式包括：對(duì)于激光熔覆工藝而言，在原同軸送粉頭的旁邊，附設(shè)一個(gè)尺寸略小的送粉頭；對(duì)于激光選區(qū)熔化工藝而言，在原同軸送粉頭上新增一個(gè)注射器形狀的送粉頭；上述輔助送粉頭和輔助粉末供粉箱相連接；合金粉末供粉箱與增材機(jī)床上的工控機(jī)相連接；對(duì)于需要合金化處理的局部區(qū)域，還應(yīng)考慮工藝，即將合金元素或化合物直接或間接結(jié)合到基體材料的特定部位，在高能量激光束的照射下，合金元素或化合物快速、均勻地分散并熔滲在熔池中，在液化區(qū)發(fā)生擴(kuò)散作用，獲得合金化的組織，為了對(duì)于合金化處理的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，置入合金化處理隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件；5)成形件的激光增材制造：利用與步驟1)相同的CAD三維軟件，將步驟1)中的數(shù)模進(jìn)行切片分層處理，將切片分層處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入工控機(jī)，控制3D打印機(jī)的噴頭在X、Y、Z三軸上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡與每個(gè)切片分層圖形一致；選用粒徑為10-50μm的金屬粉末放置在100-200℃的烘干箱中進(jìn)行烘干1-1.5小時(shí)處理；將烘干處理后的金屬粉末放置在3D打印機(jī)送粉頭的粉筒中留作備用，其中該激光器的具體參數(shù)為：功率P＝200-10000W，光斑直徑D＝2-8mm，掃描速度V＝2-3m/min，搭接率為20-30％，對(duì)于進(jìn)行合金化的局部區(qū)域，其它工藝條件不變，只是開(kāi)啟輔助送粉頭，將合金化元素或化合物的粉末注入已經(jīng)形成的熔池，主送粉頭和輔助送粉頭的送粉量要相互匹配，在需要進(jìn)行激光合金化的部位形成厚度為10-1000μm的熔化層，并且在凝固時(shí)獲得的冷卻速度為105-107℃/s；6)對(duì)于上述步驟5)獲得的成形件使用酸洗液進(jìn)行輕度酸洗，酸洗液的濃度為普通酸洗液的1/10，酸洗時(shí)間為1-3min，根據(jù)成形件的金屬種類選擇相配的輕度酸洗；將經(jīng)過(guò)酸洗后的成形件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并和隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的比較結(jié)果一致或者在容許誤差范圍內(nèi)時(shí)，判定成形件是合格的；反之，則為不合格的；其中無(wú)損檢測(cè)包括：典型區(qū)域的三維形貌觀測(cè)、隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件的摩擦、磨損與潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)；7)將上述步驟6)處理后的成形件進(jìn)行后處理獲得最終成形件，其中后處理包括熱處理和/或拋光，后處理獲得最終成形件。對(duì)于本發(fā)明而言，成形件合金化的選材很重要，現(xiàn)針對(duì)上述步驟3)中出現(xiàn)的基材和相應(yīng)的合金元素種類可參見(jiàn)下表1：表1基材及添加的合金元素所述金屬粉末的送粉方式采用同軸正向送粉方式或者采用非同軸側(cè)向送粉方式進(jìn)行送粉。所述的激光器為二氧化碳激光器或者光纖激光器。本方法中使用惰性氣體供氣裝置提供氮?dú)狻鍤饣蛘吆庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。上述的對(duì)實(shí)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(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)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)。