一種採用雷射成形難熔金屬零件的方法

2023-06-13 16:32:16

專利名稱：一種採用雷射成形難熔金屬零件的方法
技術領域：
本發明涉及金屬零件成型加工領域，特別涉及一種利用鎢、鉬等熔點高難於熔化
的金屬粉末製造零件的方法，該方法利用金屬粉末選擇性雷射熔化技術將難熔金屬加工成 零件。
背景技術：
難熔材料是以鎢、鉬等難熔金屬或添加一定的其他元素而構成的一種純金屬或合 金材料。與傳統合金材料相比，難熔材料的典型特點是熔點高，通常在300(TC左右，因此難 於進行鑄造加工且冶煉困難，多採用粉末冶金的方法加工成形。近年來，難熔材料零件由 於其優異的性能已經得到了非常廣泛的應用；以鎢基合金為例，具有以下優良性能，如密度 高、抗拉強度好、延性好、具有良好的吸收射線的能力、良好的導電性能、良好的導熱性及較 低的熱膨脹係數、良好的耐腐蝕性與抗氧化性、良好的可焊接性和良好的機加工特性等。可 用作防輻射屏蔽材料和Y射線刀、導航儀的陀螺轉子，配重螺釘、調整片以及電鉚中的鉚 釘材料，電火花加工用電極材料，點焊中的點焊材料，高壓開關的電接觸材料等等。
粉末冶金(Powder Metallurgy, PM)是一種常見的難熔金屬零件的成形方法。其 具體過程是將高熔點金屬粉末與添加元素進行均勻混合，置於模具內進行壓制，再進行燒 結工藝處理，在燒結過程中低熔點粉末顆粒熔化粘結難熔金屬粉末，並在燒結過程中形成 低熔點二元以及三元相從而形成以難熔金屬粉末為骨架以低熔點金屬粉末為粘結相的難 熔燒結體。該成形方法可以生產W、Mo或其他合金難熔體。因此利用該技術可以製造出難 熔金屬零件。為進一步提高合金物理化學性能，還可加入特殊元素進行改性。但是利用粉 末冶金液相燒結法成形各種難熔材料零部件時，存在以下問題 (1)粉末冶金液相燒結法難以直接成形出任意複雜形狀的零件。難熔材料的應用 中如需要某種複雜形狀，粉末冶金液相燒結法則因工藝受限無法直接成形。實際生產中往 往需要機械加工以及後續處理，這種方法不僅工藝繁瑣，生產效率低，而且還造成了材料的浪費。 (2)粉末冶金液相燒結法需要使用模具進行成形，加工完成後需要將零件從模具 中脫除，因此模具的設計與燒結工藝控制等環節至關重要，工藝控制困難，稍有偏差就會影 響零件的尺寸精度。

發明內容
本發明的目的在於提供一種難熔金屬零部件的近淨成形方法，該方法無需模具， 具有工藝過程可控性強，無需後處理，簡單易行、可製造複雜形狀的特點。
本發明為了實現其技術目的所採用的技術方案是一種採用雷射成形難熔金屬零 件的方法，將選擇性雷射熔化快速成型工藝與粉末燒結成型工藝結合；包括以下步驟
A、在計算機中採用三維造型軟體設計出所述的零件的CAD模型，然後由切片處理 軟體將所述的零件的CAD模型生成多層切片信息並保存為STL文件，將所述的STL文件的數據傳送到選擇性雷射熔化快速成形系統中鋪粉系統的計算機中； B、在所述的選擇性雷射熔化快速成形系統中，鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層約 為0. 05 0. 2mm厚度的待加工粉末，採用雷射功率200W以上的YAG雷射器或光纖雷射器 按掃描速度為20 300mm/s的速度掃描所述的待加工粉末； C、重複上述步驟(B)，使待加工的粉末按照步驟A成形成的STL文件中各切片的形 狀逐層熔化，堆積成零件。 本發明的技術方案中使用了選擇選擇性雷射熔化快速成形技術，金屬粉末選擇性 雷射熔化(SLM-Selective Laser Melting)技術基於一般快速成形原理，利用CAD軟體設 計出零件的三維實體模型，然後根據具體工藝要求，按照一定的厚度對模型進行分層切片 處理，將其離散化為一系列二維層面，再對二維層面信息進行數據處理並加入加工參數，生 成數控代碼輸入成型機，控制成型機的運動順序完成各層面的成型製造，直到加工出與CAD 模型相一致的原型或零件。 這種方法是在選區雷射燒結(SLS)基礎上發展起來的，但又區別於選區雷射燒結
技術，關鍵技術特點體現在如下幾個方面 直接製成終端金屬產品，省掉中間過渡環節； 可得到冶金結合的金屬實體，密度接近100% ; SLM製造的零件有高的拉伸強度；較低的粗糙度(Rz30-50mm)，高的尺寸精度 (< 0. 1 mm) 適合各種複雜形狀的零件，尤其適合內部有複雜異型結構(如空腔)、用傳統方法 無法製造的複雜零件； 適合單件和小批量模具和零件快速成型。 SLM快速成形技術是模具或金屬零件的一次成形技術，也是簡化中間環節的終端 技術。是雷射快速成形發展的必然趨勢。生產出的零件經拋光或簡單表面處理可直接作模 具、零件或醫學金屬植入體使用。該技術將主要應用於模具產品的快速開發應用，原型的快 速設計和自動製造保證了工具的快速製造。無需數控銑削，無需電火花加工，無需任何專用 工裝和工具，直接根據原型而將複雜的工具和型腔製造出來， 一般來說，採用選區雷射熔化 快速成形技術，模具的製造時間和成本均為傳統傳技術的1/3。並且該技術在複合材料、梯 度材料的零件實體製造也有很好的發展潛力。 圖1所示為根據SLM成形技術原理搭建的SLM成形裝置圖，包括一個封閉的成形 腔6， SLM零件9在該成形腔6內成形，為了保證該零件在高溫下不被氧化，因此設計成一個 封閉的成形腔6，該腔具有一個保護氣體的進氣口 4和出氣口 5，保護氣體主要是惰性氣體， 在成形腔6下面設置有一個基板ll，製造零件的原料粉末10設置在基板11上，該基板11 由一個活塞12推動，在成形腔6的上面設置有一個保護鏡3，掃描系統1產生的雷射2從 保護鏡3處射向基板11上的粉末10，使組成該粉末的難熔金屬粉末熔化，然後，鋪粉系統7 在計算機系統中的STL文件控制下，再鋪一層，如此反覆，最終形成SLM零件。根據成形零 件的三維CAD模型的分層切片信息，掃描系統1就是振鏡控制雷射束作用於待成形區域內 的粉末。一層掃描完畢後，活塞缸內的活塞下降一個層厚距離；接著送粉系統輸送一定量的 粉末，鋪粉系統的輥子鋪展一層厚的粉末沉積於已成形層之上。然後，重複上述兩個成形過 程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描完畢。這樣三維CAD模型經逐層累積方式直接成形金屬零件。最後，活塞上推，從成形裝備中取出零件。至此，SLM金屬粉末直接成形 金屬零件的全部過程結束。 本發明將選擇性雷射熔化(SLM)快速成形技術與粉末燒結成形結合起來，這種復 合方法具有以下優點 1、使用SLM多道掃描製造難容金屬零件的二維切片實體，SLM多層掃描製造後，可 以成形出複雜形狀結構的零件。 2、通過雷射對所選擇區域的難熔金屬粉末進行掃描，形成溫度極高的液相熔池， 通過高能量密度的雷射快速融化_快速凝固作用，使鬆散粉末形成緻密的燒結體。這一加 工過程比傳統的粉末冶金工藝成形出的零件具有更高的密度，並可通過成形工藝參數調整 熔池的三維幾何形狀，以控制成型零件的緻密化程度。 3、採用SLM成形難容金屬零件，免去了設計與製造模具帶來的尺寸偏差。 4、由於工藝參數具有靈活的可控性，可以形成不同溫度影響區域和極限溫度範
圍，因而該複合成形法所涉及的成形材料成份較傳統粉末冶金廣泛。 工藝過程簡單，避免了傳統的機加工，節省材料。 下面通過具體實施例對本發明進行較為詳細的說明。


圖1是根據SLM成形原理搭建的SLM成形裝置圖。 圖2是實施例2中鎢被熔化的金相結構圖，圖中可見，在200W的YAG雷射器掃描 下，鎢被熔化。
具體實施方式

實施例1， (1)、計算機利用三維造型軟體(如UG、Pro/E等)設計出零件的CAD三維模型，然 後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸入到SLM快速成形系統。
(2)、在SLM快速成形系統中，由送粉機構在金屬基板上平鋪一層約為O. 1 0. 2mm 厚度的W-Ni混合粉末(其中W質量分數^ 80 % ，粒徑約為10 100 ii m)。
(3)、採用雷射功率為200W的YAG雷射器或光纖雷射器掃描選擇掃描路徑後的切 片，使難熔混合金屬粉末熔化，其中掃描速度為100 300mm/s。 (4)、重複上述步驟(2)_(3)，直到整個零件的外殼加工結束，此時W-Ni難熔金屬 複雜金屬零件SLM加工完成。 最後，對成形出的W-Ni難熔合金複雜零件進行後續加工(如拋光、熔滲等)，使零
件的尺寸和形狀滿足零件要求。 實例2(1)、利用三維造型軟體(如UG、Pro/E等)設計出難熔零件的CAD三維模型，然後 由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸入到SLM快速成形系統。
(2)、由送粉機構在金屬基板上平鋪一層約為0.05 0. 15mm厚度的鎢粉(粒徑約為 10 100iim)。 (3)、採用雷射功率為200W的YAG雷射器掃描選擇加工路徑後的切片，使鎢粉末熔化，其中掃描速度為50 100mm/s。 (4)、重複步驟(2)_(3)，直至具有一定複雜形狀的鎢金屬零件加工完成。 如圖2所示為採用200W的YAG雷射器掃描選擇加工路徑後的切片，使鎢粉末熔化
後的金相圖。 將所得到的具有複雜形狀的鎢金屬零件過機械拋光等步驟後處理，即可以得到具
有一定複雜形狀和尺寸的純鎢難熔金屬零件。
實例3 (1)、利用三維造型軟體(如UG、Pro/E等)設計出難熔零件的CAD三維模型，然後 由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸入到SLM快速成形系統。
(2)、由送粉機構在金屬基板上平鋪一層約為0. 02 0. 15mm厚度的Mo-Si混合粉 末(粒徑約為10 lOOiim)。 (3)、採用雷射功率為200W的光纖雷射器掃描選擇加工路徑後的切片，使Mo-Si混 合粉末熔化，其中掃描速度為50 100mm/s。 (4)、重複步驟(2)_(3)，直至具有一定複雜形狀的鉬金屬零件加工完成。 將所得到的具有複雜形狀的鎢金屬零件過機械拋光等步驟後處理，即可以得到具
有一定複雜形狀和尺寸的MoSi2難熔金屬零件。 以上實施例中 每一層製造過程中，雷射束對輪廓邊界和內部的難熔金屬粉末進化熔化，通過控 制溫度場對難熔金屬粉末進行燒結；重複上述過程，多層加工結束後，即可成形出具有一定 形狀、一定強度的難熔金屬零件，對難熔金屬粉末進行SLM燒結緻密化控制的方法有以下 兩種 (a)粉末成分控制與傳統粉末冶金工藝相似，在難熔金屬粉末中加入低熔點金 屬粉末，考慮粉末的互溶度和液相表面張力，形成有利於緻密化過程的低熔點相，保證難熔 燒結體的成形性； (b)工藝參數控制在SLM加工中，由於雷射光斑聚焦在部分區域，在這一特殊區 域可形成高溫度熔池，熔池的溫度能接近甚至超過難熔金屬的熔點，將難熔金屬粉末熔化 從而形成緻密的燒結體。 總之，在本發明的實施例中，難熔金屬零件可以採用以下具體步驟成形 (1)、採用三維造型軟體設計出零件的CAD模型，然後由切片處理軟體生成多層切
片信息並保存為STL文件，將STL文件的數據傳送到SLM快速成形系統。 (2)、送粉機構在工作平臺上平鋪一層約為0. 1 0. 2mm厚度的待加工粉末(粒徑
約為10 100 iim)。 (3)、採用雷射功率大於等於200W的YAG雷射器或光纖雷射器掃描切片並使難熔
金屬粉末熔化，其中掃描速度為20 200mm/S。 (4)、重複上述步驟(2)_(3)，直到整個零件加工結束。 本發明的實質是將選擇性雷射熔化(SLM)技術與粉末燒結技術相結合。利用SLM 技術可以在金屬粉床中形成極高的溫度場，根據CAD設計的複雜形狀切片，成形出具有任 意複雜形狀的難熔金屬零件。由於利用200W的YAG雷射器在掃描速度為20 200mm/s時 就可以將W的粉末熔化，在增加YAG雷射器的功率後，可以適當加快掃描速度，以加快零件加工速度，因此， 一般使用大於250W-300W的YAG雷射器。 以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限於該實施例和附圖所 公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保 護的範圍。
權利要求
一種採用雷射成形難熔金屬零件的方法，將選擇性雷射熔化快速成型工藝與粉末燒結成型工藝結合；其特徵在於包括以下步驟A、在計算機中採用三維造型軟體設計出所述的零件的CAD模型，然後由切片處理軟體將所述的零件的CAD模型生成多層切片信息並保存為STL文件，將所述的STL文件的數據傳送到選擇性雷射熔化快速成形系統中鋪粉系統的計算機中；B、在所述的選擇性雷射熔化快速成形系統中，鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層約為0.05～0.2mm厚度的待加工粉末，採用雷射功率200W以上的YAG雷射器或光纖雷射器按掃描速度為20～300mm/s的速度掃描所述的待加工粉末；C、重複上述步驟(B)，使待加工的粉末按照步驟A成形成的STL文件中各切片的形狀逐層熔化，堆積成零件。
2. 根據權利要求1所述的一種採用雷射成形難熔金屬零件的方法，其特徵在於所述 的待加工粉末為W-Ni混合粉末，其中W按重量百分比在80X以上，粒徑為10um 100um。
3. 根據權利要求2所述的一種採用雷射成形難熔金屬零件的方法，其特徵在於所述 的待加工粉末的厚度為0. 02 0. lmm，所述的雷射器為雷射功率是200W的YAG雷射器，其 掃描速度為100 300mm/s。
4. 根據權利要求1所述的一種採用雷射成形難熔金屬零件的方法，其特徵在於所述 的待加工粉末為粒徑10um IOO咖的鎢粉。
5. 根據權利要求4所述的一種採用雷射成形難熔金屬零件的方法，其特徵在於所述 的雷射器為光纖雷射器，其掃描速度為50 100mm/s。
6. 根據權利要求1所述的一種採用雷射成形難熔金屬零件的方法，其特徵在於所述 的待加工的粉末為粒徑為10 100 ii m的Mo-Si混合粉末。
7. 根據權利要求6所述的一種採用雷射成形難熔金屬零件的方法，其特徵在於所述 的Mo-Si混合粉末的厚度為0. 02 0. 15mm，所述的雷射器為200W的光纖雷射器，其掃描速 度是50 100mm/s。
全文摘要
本發明提供了一種使用高熔點金屬粉末製造零件的方法，將選擇性雷射熔化快速成型技術與粉末燒結成型結合起來；首選採用三維造型軟體設計出所述的零件的CAD模型，然後由切片處理軟體生成多層切片信息並保存為STL文件，將STL文件的數據傳送到選擇性雷射熔化快速成形系統；其次在所述的選擇性雷射熔化快速成形系統中，送粉機構在工作平臺上平鋪一層約為0.05～0.2mm厚度的待加工粉末，採用雷射功率200W以上的YAG雷射器或光纖雷射器按掃描速度為20～300mm/s的速度掃描所述的待加工粉末；最終使粉末熔化後堆積成零件。本方法無需模具，具有工藝過程可控性強，無需後處理，簡單易行、可製造複雜形狀的特點。
文檔編號C23C24/10GK101780544SQ20101004277
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月15日 優先權日2010年1月15日
發明者劉錦輝, 張丹青, 李瑞迪, 趙燦, 陳繼兵 申請人:黑龍江科技學院