本發(fā)明涉及一種大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的增材制造方法，屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
增材制造技術(shù)是基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù)。該成形方法最大優(yōu)勢(shì)是無(wú)需傳統(tǒng)的刀具即可成形、降低工序、縮短產(chǎn)品制造周期，尤其適于低成本小批量產(chǎn)品制造，而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料附加值高的產(chǎn)品，其快速高效成形的優(yōu)勢(shì)越顯著，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、能源化工、微納制造等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
增材制造技術(shù)無(wú)需模具，可直接低成本一體化制造復(fù)雜構(gòu)件，并有望基于增材制造技術(shù)在構(gòu)型能力上的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)飛行器零部件結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)效率，實(shí)現(xiàn)高性能。由于簡(jiǎn)化或省略了傳統(tǒng)制造中的工藝準(zhǔn)備、模具設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、分析高度一體化，能夠顯著縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本。
金屬增材制造技術(shù)按熱源類(lèi)型可分為三類(lèi)：激光、電子束和電弧。目前，應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)是激光增材制造，其主要包括激光選區(qū)熔化成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)，其中激光選區(qū)熔化成形技術(shù)適合制造小尺寸精密零件，激光熔覆技術(shù)適合制造大尺寸零件，現(xiàn)皆已應(yīng)用于航空航天等高精尖技術(shù)領(lǐng)域部分零部件。
但隨著新型飛行器低成本、高可靠性要求的不斷提升，零部件逐漸向大型化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化發(fā)展，傳統(tǒng)方法無(wú)法制造該類(lèi)零件，而現(xiàn)有單一激光增材制造技術(shù)難以滿足制造要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的增材制造方法，用以制造傳統(tǒng)難以制造的大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件，使其能滿足設(shè)計(jì)要求。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
本發(fā)明提供了一種大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的增材制造方法，其包括如下步驟：
S1：構(gòu)建大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的三維數(shù)模；
S2：將所述三維數(shù)模進(jìn)行修復(fù)后，切分成適合激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的第一數(shù)模和適合激光熔覆技術(shù)制造大尺寸結(jié)構(gòu)的第二數(shù)模；
S3：對(duì)所述第一數(shù)模進(jìn)行懸臂分析、擺放角度分析以及添加支撐分析，并在所述第一數(shù)模和第二數(shù)模的接口端面添加余量；
S4：對(duì)步驟S3中的三維數(shù)模進(jìn)行切片，轉(zhuǎn)化成二維切片信息，并將所述二維切片信息生成加工程序文件，導(dǎo)入激光選區(qū)熔化成形設(shè)備中；
S5：設(shè)定所述激光選區(qū)熔化成形設(shè)備的成形工藝參數(shù)，并將成形基板進(jìn)行毛化后裝配到激光選區(qū)熔化成形設(shè)備中，并裝配刮刀；
S6：向激光選區(qū)熔化成形設(shè)備的料缸添加金屬粉末，并調(diào)整激光選區(qū)熔化成形設(shè)備的成形艙中的氧氣含量，啟動(dòng)激光選區(qū)熔化成形設(shè)備，依次制備第一數(shù)模零件和第二數(shù)模零件，形成第一數(shù)模零件和第二數(shù)模零件的結(jié)合體；
S7：將所述第一數(shù)模零件和第二數(shù)模零件的結(jié)合體冷卻后進(jìn)行熱處理，對(duì)第一數(shù)模零件進(jìn)行去除基板線切割，對(duì)第二數(shù)模零件以及整體大尺寸零件的外形尺寸進(jìn)行數(shù)控加工， 得到大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的增材。
作為優(yōu)選方案，步驟S3中所述的余量具體為沿第一數(shù)模端面水平方向單邊添加0.5~1.0mm余量，沿第一數(shù)模端面垂直方向添加1.0~1.5mm余量。
作為優(yōu)選方案，步驟S5中所述的成形工藝參數(shù)包括：激光功率為100~360W，掃描速度為500~1800mm/S，激光搭接為0.90~0.12mm，鋪粉層厚為0.02~0.06mm，補(bǔ)粉量為0.03~0.08mm，光斑補(bǔ)償系數(shù)為0.10~0.15。
作為優(yōu)選方案，步驟S5中的刮刀的下底面與基板表面的間隙不大于0.05mm。
作為優(yōu)選方案，步驟S6中所述的金屬粉末的粒度不超過(guò)62μm。
作為優(yōu)選方案，步驟S6中所述的第一數(shù)模零件的制備方法為：
根據(jù)第一數(shù)模加工程序的第一層軌跡，對(duì)成形基板上的金屬粉末選擇性熔化，熔池冷卻并凝固成實(shí)體，第一層掃面兩遍，形成第一數(shù)模部分的第一層截面；
成形缸下降單層高度，料缸上升一定高度，刮刀將粉末均勻地鋪在成形基板上，多余粉末收到回收料缸內(nèi)，激光沿加工程序軌跡掃描，直至第一數(shù)模零件成形結(jié)束；
該一定高度的計(jì)算方法依據(jù)公式：
H=h*(1+S1/S)
H為料缸上升高度；
h為成型缸單層高度；
S1為零件截面外輪廓面積；
S為成型缸面積。
作為優(yōu)選方案，步驟S6中所述的第二數(shù)模零件的制備方法為：
取出第一數(shù)模零件后，將帶基板的第一數(shù)模零件固定到激光熔覆設(shè)備工作平臺(tái)上，去除第一數(shù)模零件部分上端面的氧化皮以及污物；
選擇粒度為50~110μm的金屬粉末，加入到送粉器粉斗中，保證送粉器正產(chǎn)工作；
根據(jù)第二數(shù)模采用熔覆專(zhuān)用編輯程序軟件（OFFICELITE軟件），編寫(xiě)激光熔覆程序，調(diào)整熔覆頭，并試運(yùn)行動(dòng)作；
設(shè)定熔覆參數(shù)并調(diào)整所述激光熔覆設(shè)備中艙室的氧氣含量，開(kāi)啟激光熔覆設(shè)備，送粉器側(cè)向送粉到第一數(shù)模零件上端面，激光器出光將粉末熔化，與第一數(shù)模零件上端面冶金結(jié)合，冷卻并凝固成實(shí)體，形成第二數(shù)模部分的第一層截面；
機(jī)械臂上升一層層厚高度，送粉器將粉末送到第二數(shù)模部分的第一層截面上，激光沿加工程序軌跡掃描，直至第二數(shù)模零件成形結(jié)束。
作為優(yōu)選方案，所述熔覆參數(shù)包括：激光功率為1000~2500W，掃描速度為5~15mm/s，激光搭接為1.0~1.8mm，鋪粉層厚為0.20~0.60mm，光斑直徑為1.0~3.0mm，送粉器速率為200~600mg/s。
作為優(yōu)選方案，步驟S7中所述的熱處理的具體操作為：
選擇溫差為±5℃的真空熱處理爐，熱處理?xiàng)l件：溫度為300~900℃，保溫時(shí)間2~6小時(shí)，真空度不低于1×10-3Mpa，隨爐冷卻到50℃以下出爐。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
本發(fā)明提供的一種大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的增材制造方法，將激光選區(qū)熔化成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，用以制造傳統(tǒng)難以制造的大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件，解決許多難以制造的大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
步驟1：采用三維畫(huà)圖軟件（如CATIA），構(gòu)建大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的三維數(shù)模，并采用專(zhuān)用修復(fù)軟件（如MAGICS）對(duì)三維數(shù)模進(jìn)行修復(fù)；
步驟2：采用專(zhuān)用修復(fù)軟件，將大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的三維數(shù)模切分成兩種三維數(shù)模，第一數(shù)模是適合于激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造的精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)，第二數(shù)模是適合于激光熔覆技術(shù)制造的大尺寸結(jié)構(gòu)；
步驟3：采用專(zhuān)用修復(fù)軟件對(duì)第一數(shù)模進(jìn)行懸臂分析、擺放角度分析、以及添加支撐分析，并在第一數(shù)模與第二數(shù)模接口端面添加余量，沿第一數(shù)模端面水面方向單邊添加0.5~1.0mm余量，沿第一數(shù)模端面垂直方向添加1.0~1.5mm余量；
步驟4：采用專(zhuān)用切片軟件對(duì)步驟3的三維數(shù)模進(jìn)行切片，轉(zhuǎn)化成二維切片信息，并生成相應(yīng)的加工程序文件，并導(dǎo)入到激光選區(qū)熔化成形設(shè)備中；
步驟5：設(shè)定激光選區(qū)熔化成形設(shè)備的成形工藝參數(shù)：激光功率為100~360W，掃描速度為500~1800mm/s，激光搭接為0.90~0.12mm，鋪粉層厚為0.02~0.06mm，補(bǔ)粉量為0.03~0.08mm，光斑補(bǔ)償系數(shù)為0.10~0.15；
步驟7：采用噴砂機(jī)將成形基板表面毛化，裝配到激光選區(qū)熔化成形設(shè)備的成形缸上，并裝配刮刀，調(diào)整刮刀下地面與基板表面的間隙不大于0.05mm；
步驟8：選取粒度為0~62μm的金屬粉末，將其加入到料缸中，采用刮刀將粉末均勻地鋪在基板上，并開(kāi)始向設(shè)備成形艙室內(nèi)部充入純度為99.999%的氬氣，使成型倉(cāng)內(nèi)部的氧含量降到200ppm內(nèi)；
步驟9：激光選區(qū)熔化成形設(shè)備開(kāi)始工作，根據(jù)第一數(shù)模加工程序的第一層軌跡，對(duì)成形基板上的金屬粉末選擇性熔化，熔池冷卻并凝固成實(shí)體，第一層掃面兩遍，形成第一數(shù)模零件部分的第一層截面；
步驟10：成形缸下降單層高度，料缸上升一定高度，刮刀將粉末均勻地鋪在成形基板上，多余粉末收到回收料缸內(nèi)，激光沿加工程序軌跡掃描，直至第一數(shù)模零件成形結(jié)束；
步驟11：第一數(shù)模制造完畢后，繼續(xù)向設(shè)備內(nèi)充入氬氣，并保持設(shè)備內(nèi)氧含量低于100ppm，待冷卻12小時(shí)后，即可打開(kāi)設(shè)備取出零件；
步驟12：取出零件后，將帶基板的零件放置到激光熔覆設(shè)備工作平臺(tái)上，利用成形基板的四個(gè)固定孔，將其固定在工作平臺(tái)上，采用鋼絲刷打磨方式，去除第一數(shù)模部分上端面的氧化皮以及污物等；
步驟13：選擇粒度為50~110μm的金屬粉末，將其加入到送粉器粉斗中，保證送粉器正產(chǎn)工作；
步驟14：根據(jù)第二數(shù)模，采用熔覆專(zhuān)用編輯程序軟件，編寫(xiě)激光熔覆程序，調(diào)整熔覆頭，并試運(yùn)行動(dòng)作；
步驟15：設(shè)定熔覆參數(shù)：激光功率為1000~2500W，掃描速度為5~15mm/s，激光搭接為1.0~1.8mm，鋪粉層厚為0.20~0.60mm，光斑直徑為1.0~3.0mm，送粉器速率為200~600mg/s；
步驟16：開(kāi)始向激光熔覆設(shè)備艙室內(nèi)部充入純度為99.999%的氬氣，使艙室內(nèi)部的氧含量降到200ppm以下；
步驟17：開(kāi)啟激光熔覆設(shè)備，送粉器側(cè)向送粉到第一數(shù)模零件上端面，激光器出光將粉末熔化，與第一數(shù)模零件上端面冶金結(jié)合，冷卻并凝固成實(shí)體，形成第二數(shù)模部分的第一層截面；
步驟18：機(jī)械臂上升一層層厚高度，送粉器將粉末送到第二數(shù)模部分的第一層截面上，激光沿加工程序軌跡掃描，直至第二數(shù)模零件成形結(jié)束，形成第一數(shù)模零件和第二數(shù)模零件的結(jié)合體；
步驟19：待冷卻4小時(shí)以上，取出第一數(shù)模零件和第二數(shù)模零件的結(jié)合體。選擇溫差為±5℃的真空熱處理爐，熱處理制度：溫度為300℃~900℃，保溫時(shí)間2~6小時(shí)，真空度不低于1×10-3Mpa，隨爐冷卻到50℃以下出爐。
步驟20：熱處理完后，對(duì)數(shù)模1進(jìn)行去除基板線切割，對(duì)數(shù)模2零件以及整體大尺寸零件的外形尺寸進(jìn)行數(shù)控加工，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
本發(fā)明提供的一種大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的增材制造方法，將激光選區(qū)熔化成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，用以制造傳統(tǒng)難以制造的大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件，解決許多難以制造的大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。
以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。