用于3D打印粗晶微區(qū)-超細(xì)晶微區(qū)排布的異質(zhì)異構(gòu)合金的方法與裝置
用于3d打印粗晶微區(qū)-超細(xì)晶微區(qū)排布的異質(zhì)異構(gòu)合金的方法與裝置
技術(shù)領(lǐng)域
1.本發(fā)明屬于多材料增材制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于3d打印粗晶微區(qū)-超細(xì)晶微區(qū)排布的異質(zhì)異構(gòu)合金的方法。
背景技術(shù)：
2.增材制造(additive manufacturing，am)是支撐機(jī)械與動(dòng)力裝備系統(tǒng)及復(fù)雜構(gòu)件創(chuàng)新設(shè)計(jì)、制造和維修的重要技術(shù)手段。與傳統(tǒng)減材、等材制造不同，增材制造是基于計(jì)算機(jī)三維模型數(shù)據(jù)，直接以逐點(diǎn)-逐線(xiàn)-逐面-逐層累積疊加的方式制造構(gòu)件，能夠直接、快速、準(zhǔn)確、靈活地將三維模型轉(zhuǎn)換為實(shí)體構(gòu)件，因而，增材制造技術(shù)具有不受傳統(tǒng)加工工藝限制的優(yōu)勢(shì)，為多功能新產(chǎn)品研制帶來(lái)了顛覆性的突破和創(chuàng)新，尤其是在制造復(fù)雜零件方面有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑸槎嗖牧险w化成形提供了新途徑。目前，以激光選區(qū)熔化(selective laser melting，slm)為代表的高精度金屬材料構(gòu)件增材制造技術(shù)已在航空航天、交通運(yùn)輸、動(dòng)力工程、化工、核工業(yè)、醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域已經(jīng)存在不同程度的應(yīng)用。激光選區(qū)熔化增材制造由粉床選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將鋪灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。激光選區(qū)熔化逐層累積成形的特點(diǎn)使之可以成形幾乎任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)；精密的光路系統(tǒng)可以精確控制激光束在粉床表面運(yùn)動(dòng)；高速移動(dòng)的高能量密度激光束能快速熔凝金屬粉末獲得細(xì)小晶粒。因此，相較于激光燒結(jié)、激光近凈成形等3d打印技術(shù)，slm技術(shù)成形件具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能和成形精度。
3.實(shí)際上，基于slm增材制造開(kāi)展功能型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與直接成形研究，往往不可避免涉及多材料一體化結(jié)構(gòu)思想，而多材料增材制造(multi-material additive manufacturing，mmam)技術(shù)即是利用現(xiàn)有的增材制造方法，為改善零部件的性能或?qū)崿F(xiàn)零部件的多種特殊功能，對(duì)零部件的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用多種具有優(yōu)異性能的材料進(jìn)行整體成形，從而達(dá)到多材料一體化功能型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的。目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)slm增材制造設(shè)備與技術(shù)僅用于單一材料零部件的制造。雖然當(dāng)前增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零部件在品質(zhì)和性能方面有一定優(yōu)勢(shì)，但仍無(wú)法滿(mǎn)足一些特定工程需求，如對(duì)高性能、多功能材料和構(gòu)件的使用要求。例如，新一代航天系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨向輕量化、功能一體化和智能化，多尺度結(jié)構(gòu)與多材料融合的功能結(jié)構(gòu)整體制造技術(shù)成為迫切需要。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用于航空航天和國(guó)防等領(lǐng)域的高性能、多功能、多材料構(gòu)件，是目前多尺度結(jié)構(gòu)和多材料一體化slm增材制造成形中最具挑戰(zhàn)性的研究方向。本發(fā)明也正是為了提供一種多尺度結(jié)構(gòu)和多材料一體化slm增材制造成形技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
4.本發(fā)明的目的就是為了提供一種用于3d打印粗晶微區(qū)-超細(xì)晶微區(qū)排布的異質(zhì)異構(gòu)合金的方法，。
5.本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
6.本發(fā)明的技術(shù)方案之一提供了一種用于3d打印粗晶微區(qū)-超細(xì)晶微區(qū)排布的異質(zhì)異構(gòu)合金的方法，包括以下步驟：
7.(1)設(shè)計(jì)由金屬粉末a和金屬粉末b交錯(cuò)堆疊形成的微疊層構(gòu)型，且金屬粉末a與金屬粉末b的材料組合滿(mǎn)足：激光選區(qū)熔化時(shí)成型微疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)且材料相互兼容；
8.(2)使用送粉-落粉協(xié)同供粉方式鋪設(shè)a、b兩種粉末床，進(jìn)行異種金屬激光選區(qū)熔化增材制造：將金屬粉末a鋪粉完成后，進(jìn)行激光選區(qū)熔化處理，得到第一疊層，然后，再鋪設(shè)金屬粉末b，繼續(xù)進(jìn)行激光選區(qū)熔化處理，得到第二疊層，如此循環(huán)，得到第一疊層與第二疊層交錯(cuò)堆疊的微疊層構(gòu)型，即為目標(biāo)產(chǎn)物異質(zhì)異構(gòu)合金。
9.進(jìn)一步的，所述的金屬粉末a為鎳基合金gh3536球形粉末，gh3536合金成分如表1所示；所述的金屬粉末b為高銅合金-鉻鋯銅合金粉末，其化學(xué)組成為99cu-0.9cr-0.1zr(即cu 99wt，cr 0.9wt％，zr 0.1wt％)。銅與鎳金屬相互間可以無(wú)限固溶且激光選區(qū)熔化時(shí)不會(huì)生成金屬間化合物，添加適量改性合金元素則可以改善合金激光選區(qū)熔化成形性。
10.表1gh3536高溫合金粉末成分
[0011][0012][0013]
更進(jìn)一步的，鎳基合金gh3536球形粉末的激光選區(qū)熔化工藝條件具體為：激光功率250w、掃描速度800mm/s、掃描間距60μm、采用67
°
傾斜分區(qū)掃描策略。
[0014]
更進(jìn)一步的，高銅合金-鉻鋯銅合金粉末的激光選區(qū)熔化工藝條件具體為：激光功率250w、掃描速度600mm/s、掃描間距60μm、采用67
°
傾斜分區(qū)掃描策略。
[0015]
更進(jìn)一步的，所述的鎳基合金gh3536粉末與高銅合金-鉻鋯銅粉末均為氣霧化制備球形粉末，球形率≥90％，粒徑為15～53μm。
[0016]
進(jìn)一步的，所述第一疊層與第二疊層分別由若干片層金屬粉末a與金屬粉末b連續(xù)打印而成。
[0017]
更進(jìn)一步的，每片層金屬粉末a或金屬粉末b的厚度為20μm，所述第一疊層與第二疊層的厚度為100μm。
[0018]
進(jìn)一步的，在微疊層構(gòu)型的上下兩端還設(shè)有由金屬粉末a激光選區(qū)熔化成型得到的異質(zhì)異構(gòu)合金頂部和底部。
[0019]
進(jìn)一步的，a、b異種金屬粉末床的鋪設(shè)需要送粉-落粉協(xié)同供粉裝置完成，所述供粉裝置由送粉缸、落粉盒及各自對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0020]
更進(jìn)一步的，所述送粉-落粉協(xié)同供粉裝置包括可上下升降的成形艙、位于成形艙右側(cè)且可上下升降的送粉缸、以及位于成形艙上方且可左右移動(dòng)的落粉盒，所述落粉盒底部的粉盒槽口左側(cè)還設(shè)有鋪粉刮刀，在送粉缸的右側(cè)還設(shè)有積粉室，所述的成形艙上還設(shè)有成形基板。送粉缸、成形艙與落粉盒分別在對(duì)應(yīng)的絲杠機(jī)構(gòu)的作用下實(shí)現(xiàn)上下升降與左右往復(fù)移動(dòng)，
[0021]
具體工作時(shí)，送粉缸布置在成形艙右側(cè)，可在底部的絲杠機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行送粉供粉時(shí)，所述送粉缸每次動(dòng)作上升指定距離，鋪粉刮刀自右向左運(yùn)動(dòng)將缸內(nèi)裝填的粉末a鋪到成形基板上。落粉盒與鋪粉刮刀一同布置在成形艙上方，可由兩側(cè)皮帶輪等機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述落粉盒底部設(shè)有粉盒槽口與擋板，可在微型電機(jī)驅(qū)
動(dòng)下啟閉。切換至落粉供粉時(shí)，所述落粉盒與刮刀一起自右向左移動(dòng)，在設(shè)定位置處停止并開(kāi)啟底部的粉盒槽口，待內(nèi)部裝填粉末b落下后關(guān)閉粉盒槽口繼續(xù)向左移動(dòng)，刮刀將b粉末鋪設(shè)到成形基板上。具體的，所述粉盒槽口啟閉由微型電機(jī)控制，并可通過(guò)裝置驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)置開(kāi)啟時(shí)間與槽口寬度。另外，鋪設(shè)金屬粉末a鎳基合金gh3536時(shí)，所述送粉缸上升指定距離為兩倍層厚，40μm；鋪設(shè)金屬粉末b高銅合金-鉻鋯銅時(shí)，所述落粉盒停留位置為成形基板最右側(cè)，底部槽口開(kāi)啟時(shí)間為2s，寬度為1mm。
[0022]
進(jìn)一步的，金屬粉末a和金屬粉末b在3d打印前，還先置于真空干燥箱內(nèi)，在130℃下真空干燥12h。進(jìn)一步的，激光選區(qū)熔化制造過(guò)程需要在惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行以避免氧化的影響。具體是指采用氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣體，惰性氣氛中氧含量控制在0.1vol％以下。
[0023]
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)構(gòu)型設(shè)計(jì)、材料選取與優(yōu)選工藝，可以制備出粗晶微區(qū)-超細(xì)晶微區(qū)人工排布的異質(zhì)異構(gòu)合金，其組織特征為：鎳基合金呈柱狀粗晶沿構(gòu)建方向生長(zhǎng)(building direction，bd)，平均粒徑為150μm；高銅合金呈現(xiàn)為無(wú)序超細(xì)晶狀態(tài)，平均粒徑低于1μm。粗晶微曲與超細(xì)晶微曲交替堆疊形成疊層結(jié)構(gòu)，也即實(shí)現(xiàn)了一種人工排布的異質(zhì)異構(gòu)合金，所得鎳基合金與高銅合金其多尺度復(fù)相的協(xié)調(diào)變形能力使構(gòu)件強(qiáng)-韌-塑性能均衡提升，既保留了鎳基合金的高強(qiáng)度，也具備銅合金優(yōu)良的導(dǎo)電性能。
[0024]
本發(fā)明還提供了一種多材料激光選區(qū)熔化增材制造方法，尤其針對(duì)3d打印人工排布的異質(zhì)異構(gòu)合金提供了一種激光選區(qū)熔化增材制造方法與裝置，為異質(zhì)異構(gòu)合金設(shè)計(jì)提供了新的思路，為增材制造新一代構(gòu)型化金屬基復(fù)合材料的工程應(yīng)用、發(fā)展多材料結(jié)構(gòu)功能一體化激光增材制造新理論奠定重要基礎(chǔ)。
附圖說(shuō)明
[0025]
圖1為本發(fā)明提供的多材料將光選區(qū)熔化增材制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]
圖2為本發(fā)明提供的微疊層構(gòu)型示意圖(左)與應(yīng)用疊層構(gòu)型的拉伸試樣結(jié)構(gòu)示意圖(右)；
[0027]
圖3為激光束掃描方式示意圖；
[0028]
圖4為本發(fā)明實(shí)施例1成形件微觀組織ebsd圖。
[0029]
圖中各標(biāo)號(hào)說(shuō)明：
[0030]
1-落粉盒，2-振鏡組件，3-粉盒槽口，4-鋪粉刮刀，5-槽口絲杠，6-成形艙，7-送粉缸，8-集粉室，9-成形絲杠，10-送粉絲杠。
具體實(shí)施方式
[0031]
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0032]
以下各實(shí)施例中，如無(wú)特別說(shuō)明的原料或處理技術(shù)，則表明其均為本領(lǐng)域的常規(guī)市售原料或常規(guī)處理技術(shù)。
[0033]
實(shí)施例1：
[0034]
(1)構(gòu)建零件模型：
[0035]
使用三維建模軟件構(gòu)建圖2所示拉伸試樣模型，由三部分組成：底部與頂部設(shè)定為
單材料鎳基合金gh3536，中間拉伸段為疊層構(gòu)型，設(shè)定材料為高銅合金與鎳基合金交錯(cuò)堆疊。其中拉伸試樣底部凸出0.4mm矩形部分是為線(xiàn)切割留出余量。將模型導(dǎo)入分層切片軟件，按照設(shè)定的層厚對(duì)試樣模型進(jìn)行分層切片，提取每一層片內(nèi)的分布情況及邊界等信息，生成指導(dǎo)激光選區(qū)熔化成形粉末鋪設(shè)、激光掃描過(guò)程中區(qū)域劃分等動(dòng)作的控制文件。
[0036]
(2)增材制造成形前處理：
[0037]
①
將經(jīng)過(guò)真空干燥12小時(shí)的鎳基合金gh3536粉末與鉻鋯銅合金粉末分別裝填于送粉缸7、落粉盒1內(nèi)；
②
調(diào)平鋪粉刮刀4與成形基板，使刮刀底面與基板相距一個(gè)層厚的距離。采用送粉缸7供粉的方式預(yù)鋪一個(gè)層厚的gh3536粉末于基板上，粉末床均勻一致無(wú)凹凸；
③
將步驟(1)生成的控制文件導(dǎo)入激光選區(qū)熔化裝置驅(qū)動(dòng)軟件，識(shí)別模型材料分布，設(shè)置各分區(qū)激光工藝參數(shù)與掃描路徑；
④
封閉裝置充入氮?dú)?，使氧含量低?.1vol％以避免成形過(guò)程中金屬粉末的氧化。
[0038]
(3)激光選區(qū)熔化制造成形：
[0039]
①
結(jié)合圖3，激光以gh3536粉末設(shè)定的工藝參數(shù)，即激光功率250w，掃面速度800mm/s，掃描間距60μm，67
°
傾斜分區(qū)掃描策略?huà)呙璨襟E(2)預(yù)鋪在成形基板上的單層gh3536粉末兩次，即單層制造試樣切片的第一層。一方面預(yù)熱基板降低溫度梯度，一方面加強(qiáng)基板與粉末床的熔合連接，以避免試樣成形產(chǎn)生翹曲。
[0040]
②
送粉缸7供粉制造成形試樣底部：送粉絲杠10帶動(dòng)送粉缸7上升兩倍層厚的距離40μm，鋪粉刮刀4從送粉缸7右側(cè)自右向左運(yùn)動(dòng)將高于成形艙6的粉均勻鋪在成形基板上后返回原位。多余粉末則收集進(jìn)兩側(cè)集粉室8內(nèi)等待回收。激光束按裝置驅(qū)動(dòng)軟件與控制文件設(shè)定參數(shù)采用67
°
傾斜分區(qū)掃描(即路徑可由位于成形艙6上方的振鏡組件2調(diào)節(jié))的方式對(duì)零件模型的切片實(shí)體區(qū)域進(jìn)行掃描熔化凝固成形基板上部分gh3536合金粉末，得到試樣第一成形層，其中激光工藝參數(shù)包括：激光功率250w，掃面速度800mm/s，掃描間距60μm。成形絲杠9帶動(dòng)成形基板下降一個(gè)層厚的距離20μm，同時(shí)送粉缸7再次上升40μm，開(kāi)始下一層粉末增材制造。依此循環(huán)，直至完成拉伸試樣底部的成形制造。
[0041]
③
送粉缸7-落粉盒1協(xié)同供粉成形試樣拉伸段：裝置切換供粉方式為送粉-落粉協(xié)同供粉。第一疊層為gh3536合金材料，采用送粉缸7供粉的方式，步驟同上：送粉缸7上升40微米，鋪粉刮刀4自送粉缸7右側(cè)開(kāi)始往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次完成鋪粉，激光掃描切片區(qū)域，成形基板下降20μm。依此循環(huán)五次，完成第一疊層成形制造。裝置驅(qū)動(dòng)軟件自行切換為落粉盒1供粉開(kāi)始第二疊層成形制造：成形室上方皮帶輪帶動(dòng)落粉盒1與鋪粉刮刀4一起自右向左運(yùn)動(dòng)至成形基板最右側(cè)，停止運(yùn)行。固定在落粉盒1上方的微型電機(jī)開(kāi)始動(dòng)作，通過(guò)槽口絲杠5打開(kāi)落粉盒1底部的粉盒槽口3，其內(nèi)部裝填的鉻鋯銅合金粉末落下至成形基板上。具體的，落粉槽口打開(kāi)寬度1mm，持續(xù)時(shí)間2s。電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)關(guān)閉粉盒槽口3停止落粉，皮帶輪再次啟動(dòng)帶動(dòng)鋪粉刮刀4繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)將粉末均勻鋪在成形基板上，多余粉末被刮至集粉艙，其后鋪粉刮刀4退回最右側(cè)原位。激光系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作，掃描熔凝粉末床切片實(shí)體區(qū)域。其中適用于鉻鋯銅合金粉末激光工藝參數(shù)包括：激光功率250w，掃面速度600mm/s，掃描間距60μm。成形基板下降一個(gè)層厚的距離20微米，完成第一層鉻鋯銅的激光選區(qū)熔化。依此循環(huán)五次則完成第二疊層鉻鋯銅材料的成形制造。再次切換回送粉缸7供粉方式進(jìn)行g(shù)h3536合金粉末的激光選區(qū)熔化增材制造，開(kāi)始下一輪循環(huán)直至拉伸段全部疊層完成成形。
[0042]
④
送粉缸7供粉成形拉伸式樣頂部：裝置驅(qū)動(dòng)軟件切換為單送粉缸7供粉方式，重
復(fù)步驟
②
步驟進(jìn)行g(shù)h3536合金粉末的激光選熔化成形制造。
[0043]
(5)表征與測(cè)試：
[0044]
①
圖4展示了步驟(4)制造成形的微疊層試樣ebsd圖譜，粗晶微區(qū)-超細(xì)晶微區(qū)按所設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)交替分布，實(shí)現(xiàn)人工排布的異質(zhì)異構(gòu)合金的增材制造。
[0045]
②
對(duì)應(yīng)用微疊層結(jié)構(gòu)拉伸試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。測(cè)得所成形異質(zhì)合金最高抗拉強(qiáng)度為295mpa，斷后延伸率為20％。相較于激光選區(qū)熔化制造的鉻鋯銅合金(抗拉強(qiáng)度238mpa)提高了24％，并保持了優(yōu)良的塑性，達(dá)到突破金屬材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度-塑/韌性倒置關(guān)系的目的。
[0046]
③
對(duì)成形的微疊層結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行導(dǎo)電性能測(cè)試。測(cè)得所成形異質(zhì)合金電阻率為1.13
×
10-6
ω
·
m，相較于3d打印的鎳基合金-gh3536電阻率4.35
×
10-6
ω
·
m，高銅合金-鉻鋯銅電阻率4.97
×
10-7
ω
·
m，仍保持了優(yōu)良的導(dǎo)電性能。
[0047]
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)人員能理解和使用發(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)明不限于上述實(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)。
