一種使用激光3d打印技術(shù)制備鋁合金結(jié)構(gòu)件的材料及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光快速成形制造領(lǐng)域，特別涉及一種使用激光3D打印技術(shù)制備鋁合金結(jié)構(gòu)件的材料及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、比剛度和比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好、反光性強(qiáng)、無(wú)磁性、耐蝕性等諸多優(yōu)異性能，是有色金屬中應(yīng)用最廣泛的材料。例如在國(guó)防工業(yè)和民用航空方面，鋁合金是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的主要用材，尤其在我國(guó)自主研發(fā)的戰(zhàn)斗機(jī)上，鋁合金結(jié)構(gòu)件所占的比重達(dá)到機(jī)身重量的50%以上。
[0003]航空鋁合金結(jié)構(gòu)件一般用鍛造和機(jī)械加工方法制造，然而隨著航空領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的愈益激烈，對(duì)飛機(jī)性能提出了更高的要求，采用鍛造和機(jī)械加工方法制造鋁合金結(jié)構(gòu)件已不能滿足航空領(lǐng)域快速發(fā)展的需要，表現(xiàn)在如下兩點(diǎn):
(1)航空鋁合金結(jié)構(gòu)件采用鍛造和機(jī)械加工方法，存在以下不足:①成本高，耗時(shí)長(zhǎng)。其加工步驟一般先要熔鑄大型鋁合金鑄錠、鍛造制坯、加工大型鍛造模具，然后再用萬(wàn)噸級(jí)水壓機(jī)等大型鍛造設(shè)備鍛造出零件毛坯，最后再對(duì)毛坯零件進(jìn)行大量機(jī)械加工。整個(gè)工序下來(lái)，需要很長(zhǎng)時(shí)間，有的構(gòu)件，光大型模具的加工就要用一年以上的時(shí)間。要?jiǎng)佑脦兹f(wàn)噸級(jí)的水壓機(jī)來(lái)工作，成本高。②材料利用率低。材料的利用率一般只有5%?10%，其余的材料在鑄模、鍛造、切割和拋光工序中被損失了 ；
(2)采用鍛造和機(jī)械加工方法難以滿足結(jié)構(gòu)整體化的要求。結(jié)構(gòu)整體化是將飛機(jī)天線，主承力結(jié)構(gòu)件(如飛機(jī)大梁、隔框、壁板)等十幾個(gè)零件甚至幾十個(gè)零件集成為尺寸從十幾米?幾十米的整體結(jié)構(gòu)，盡量減少由于連接所付出的重量、連接所引起的應(yīng)力集中以及眾多中小零件制造、裝配所需的工時(shí)和工裝，以降低成本。結(jié)構(gòu)整體化已成為新一代航空結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，采用鍛造和機(jī)械加工方法難以進(jìn)行。但整體結(jié)構(gòu)件存在體積大、復(fù)雜、壁薄、剛度差、易變形、加工余量大、加工周期長(zhǎng)、加工質(zhì)量和精度很難控制等因素，造成采用鍛造和機(jī)械加工方法難以滿足結(jié)構(gòu)整體化的要求，必須尋求一種新的制備鋁合金結(jié)構(gòu)件的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)耗時(shí)長(zhǎng)、材料利用率低及難以滿足結(jié)構(gòu)整體化的要求的不足，而提供一種使用激光3D打印技術(shù)制備鋁合金結(jié)構(gòu)件的材料及方法，無(wú)需任何專用模具和任何專用工裝條件下，在鋁合金基體上，以質(zhì)量百分比為:A1:80.0，F(xiàn)e:3.0，Cu:
2.0，Si:3.0，Ti:4.0, B: 3.0，Mn:1.5，C:2.0，Ce:1.5 的粉末為原料通過(guò)激光束快速熔化、凝固進(jìn)行“多層熔覆堆積”，直接從零件數(shù)字模型一步完成高性能、全致密、高疲勞壽命等綜合性能好的任意尺寸和形狀的鋁合金結(jié)構(gòu)件。該方法成本低，周期短，材料利用率高(可達(dá)90%以上)，制備的零件形狀和大小不受限制，可以滿足結(jié)構(gòu)整體化的要求。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是:
一種使用激光3D打印技術(shù)制備鋁合金結(jié)構(gòu)件的方法，包括如下步驟:
1)采用真空等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化方法分別制備出Al、Fe、Cu、S1、T1、B、Mn、C和稀土Ce共9種粉末，各粉末純度多99.99%，粒度0.050?0.250 mm，將上述各粉末一定的質(zhì)量百分比配制，并采用球磨機(jī)均勻混合12小時(shí)以上，粉末混合均勻后放入120°C的烘干箱烘干4小時(shí)以上，再置于激光自動(dòng)送粉器中備用；
2)將厚度大于5mm的鋁合金基體材料的表面用800#棕剛玉砂紙打磨20分鐘、IXD拋光布拋光20分鐘以上，用5%?10%的稀鹽酸酸洗20分鐘以上，用清水清洗，將鋁合金基體放入高真空輝光等離子滲金屬設(shè)備中陰極上，抽真空到1X1(T2 pa以上，在電壓-500?-900V，電流3?8A參數(shù)下清洗50分鐘，冷卻到室溫后取出，放入超聲波清洗器中用丙酮清洗30分鐘以上，冷卻到室溫后取出待用；
3)用切片技術(shù)將需要3D打印的結(jié)構(gòu)件的連續(xù)三維數(shù)模離散成層厚為600?900ym及順序的分層切片，將需要3D打印的結(jié)構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成一系列二維數(shù)據(jù)，并根據(jù)切片輪廓設(shè)計(jì)一定的激光工藝參數(shù)，沿由二維平面數(shù)據(jù)所確定的掃描軌跡生成每一層的數(shù)控加工程序，傳遞給計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置；
4)將鋁合金基體放置在氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置內(nèi)，預(yù)先充入一定流量的高純氮?dú)?，使氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置腔內(nèi)氧含量小于50 μ L / L ；
5)運(yùn)行程序，激光束按照預(yù)定軌跡運(yùn)行，通過(guò)激光自動(dòng)送粉器，將步驟I)中的混合粉末噴射到激光束產(chǎn)生的熔池中，形成與基材冶金結(jié)合的激光熔覆層，通過(guò)每一層的數(shù)控加工程序?qū)崿F(xiàn)逐層激光熔覆，獲得一個(gè)熔覆截面，一層熔覆，激光頭上升一個(gè)切片厚度的高度再熔覆第2層，并使第2層與第I層冶金結(jié)合在一起，逐層熔覆，最終得到所需要形狀的三維鋁合金結(jié)構(gòu)件。
[0006]步驟I)所述的各粉末的質(zhì)量百分比為:A1:80.0，F(xiàn)e:3.0，Cu:2.0，S1:3.0，T1:4.0，B: 3.0，Mn:1.5，C:2.0，Ce:1.5。
[0007]步驟2)所述基體材料為6系列鋁合金。
[0008]步驟3)使用的切片技術(shù)是基于CAD的三維實(shí)體模型切片技術(shù)，所述激光熔覆的工藝參數(shù)為:輸出功率3.5?5kW，光斑直徑5?8mm，掃描速度1200?2000mm/min，搭接率20% ?25%。
[0009]步驟4)所述高純氮?dú)饬髁繛??30L.mirT1，純度彡99.99%。
[0010]步驟5)所述單個(gè)熔覆層厚度為600?900 μ m。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
將CAD三維實(shí)體模型切片技術(shù)，數(shù)字編程技術(shù)，激光快速成形技術(shù)，材料合成技術(shù)等技術(shù)融合為一體，在無(wú)需任何專用模具和工裝條件下，在鋁合金基體上以鋁作為主要添加元素的9種混合粉末為原料通過(guò)激光束快速熔化、凝固進(jìn)行“多層熔覆堆積”，直接從零件數(shù)字模型一步完成高性能、全致密、高疲勞壽命等綜合性能好的任意尺寸和形狀的鋁合金結(jié)構(gòu)件。該方法成本低，周期短，材料利用率高，可達(dá)90%以上，制備的零件形狀和大小不受限制，可以滿足結(jié)構(gòu)整體化的要求。
[0012]適用于大型、復(fù)雜鋁合金結(jié)構(gòu)件的一體化快速成型制造。適用于海軍艦艇、航天科技、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、房屋建筑、汽車行業(yè)、電子行業(yè)等幾乎全部行業(yè)的鋁合金結(jié)構(gòu)零件制造。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步的闡述，但不是對(duì)本發(fā)明的限定。
[0014]
[0015]
[0016]實(shí)施例:
一種使用激光3D打印技術(shù)制備鋁合金結(jié)構(gòu)件的方法，包括如下步驟:
1)采用真空等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化方法分別制備出Al、Fe、Cu、S1、T1、B、Mn、C和稀土Ce共9種粉末，各粉末純度多99.99%，粒度0.050?0.250 mm，將上述各粉末一定的質(zhì)量百分比配制，并采用球磨機(jī)均勻混合12小時(shí)以上，粉末混合均勻后放入120°C的烘干箱烘干4小時(shí)以上，再置于激光自動(dòng)送粉器中備用；
2)將厚度大于5mm的鋁合金基體材料的表面用800#棕剛玉砂紙打磨20分鐘、IXD拋光布拋光20分鐘以上，用5%?10%的稀鹽酸酸洗20分鐘以上，用清水清洗，將鋁合金基體放入高真空輝光等離子滲金屬設(shè)備中陰極上，抽真空到1X1(T2 pa以上，在電壓-500?-900V，電流3?8A參數(shù)下清洗50分鐘，冷卻到室溫后取出，放入超聲波清洗器中用丙酮清洗30分鐘以上，冷卻到室溫后取出待用；
3)用切片技術(shù)將需要3D打印的結(jié)構(gòu)件的連續(xù)三維數(shù)模離散成層厚為600?900ym及順序的分層切片，將需要3D打印的結(jié)構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成一系列二維數(shù)據(jù)，并根據(jù)切片輪廓設(shè)計(jì)一定的激光工藝參數(shù)，沿由二維平面數(shù)據(jù)所確定的掃描軌跡生成每一層的數(shù)控加工程序，傳遞給計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置；
4)將鋁合金基體放置在氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置內(nèi)，預(yù)先充入一定流量的高純氮?dú)?，使氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置腔內(nèi)氧含量小于50 μ L / L ；
5)運(yùn)行程序，激光束按照預(yù)定軌跡運(yùn)行，通過(guò)激光自動(dòng)送粉器，將步驟I)中的混合粉末噴射到激光束產(chǎn)生的熔池中，形成與基材冶金結(jié)合的激光熔覆層，通過(guò)每一層的數(shù)