CN109317675A - 一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，包括如下步骤：在计算机上建立钼板三维实体数值模型；设定激光束的功率、扫描速度、扫描间距和扫描方式；进行3D打印；测定不同成型件的致密度；选出最优工艺参数；本发明通过优化SLM技术的工艺参数，可以获得具有较高致密度、较高表面质量的纯钼成形件，避免了传统的机加工和后处理，节省人力物力，缩短加工周期。利用本发明提供的加工工艺，制备出的纯钼工件，具有良好的室温力学性能，在技术上具有一定的理论研究价值与实际应用价值。

Description

一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法

技术领域

本发明涉及一种选区激光熔化制备方法，尤其涉及一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，属于金属快速成形制造技术。

背景技术

选区激光熔化技术，简称SLM技术，是金属增材制造的主要技术之一。SLM成型技术基于分层-叠加制造的思想，利用高能量激光束将金属粉末逐层熔化、凝固，成型为金属零部件。SLM技术与其它快速成型技术的基本思想相同：首先建立零件的三维CAD模型，然后将三维模型输出为STL格式文件，将其导入3D打印编辑软件中，进行二维化处理，在高度方向上对模型分层切片，切片数据包括成型件的轮廓信息与加工路径，并将其导入选区激光熔化设备中。利用高能热源，按照计算机切片形状和外形轨迹快速扫描，最终成型出金属零件。

SLM技术突破了传统减材制造方法中刀具、夹具的约束，简化了产品的制造程序，能够制造出传统方法难以成型出的复杂零部件。同时，SLM技术大大提高了产品的生产效率，缩短了加工周期，降低成本，适合批量零件的生产。3D打印技术的出现，使得创新与创意可以实现概念到实体的转换，目前SLM技术已经用于航空航天、生物医学、军事装备等领域关键零部件的制造，取得了很好的成果。但是，由于SLM技术伴随复杂的物理化学冶金过程，成型金属制品质量较差，主要表现为成型件致密度差、表面粗糙度高。同时，成型材料的广泛性也受到限制，这些因素严重影响了SLM技术的推广与应用。

钼是一种稀有金属，是不可再生的重要资源，是发展高新技术、实现国家现代化的重要基础材料。随着科学技术的不断发展，钼以其独特的高温力学性能以及较为低廉的价格，广泛应用于高温工业领域，例如高温炉的发热体、隔热屏、热电偶套管、高温泵、高温弹簧、发动机的燃气轮片、冲压发动机燃烧室、核反应堆的结构材料等。金属钼的熔点较高，为2620℃，不易采用传统的铸造方法制备，通常采用粉末冶金法。由于SLM技术的成型特点，通过调节工艺参数，可以实现钼粉的熔化、凝固以及成型，因此用3D打印的方法制备纯钼具有很好的应用前景。采用SLM技术制备纯钼零部件时，其致密度受激光功率、扫描速度以及扫描间距的强烈影响，往往成型件含有大量的缩孔和缩松，导致零件的力学性能较差。因此，开发一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法无疑是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是为了制备出具有较高致密度的纯钼成形件而提供一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，包括如下步骤：

步骤一：在计算机上建立钼板三维实体数值模型，然后将所述钼板三维实体数值模型转成STL格式文件输入3D打印编辑软件中，进行二维化处理，在高度方向上对模型分层切片，设定扫描路径并将其导入选区激光熔化设备中；

步骤二：设定激光束的功率、扫描速度、扫描间距和扫描方式，所述激光光斑直径为75μm，激光功率为325W，扫描速度为400mm/s，扫描间距为60μm，采用Cross hatching扫描方式，逐层旋转激光扫描方向67°；

步骤三：将成形基板固定在选区激光熔化设备的工作台上，关闭仓门，抽真空后充入保护气体；

步骤四：成形室气氛准备后，工作台下降，储粉腔体上升，自动铺粉装置利用橡胶刮刀在成形基板上铺设气雾化球形纯钼粉末；

步骤五：利用高能热源，按照计算机切片形状和外形轨迹快速扫描，处于松散状态的粉末薄层受激光辐射区域发生熔化、凝固，形成熔覆层；

步骤六：完成步骤五中一个切片层面的扫描后，成形基板下降一个切片厚度的距离，并在步骤五所形成的熔覆层上再均匀铺上一层纯钼粉末；

步骤七：重复上述步骤五、六，直至加工完成；

步骤八：待试样冷却至室温后取出，利用线切割工艺将成形件从成形基板上分离。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述纯钼粉末粒度为13～53μm；

2.切片厚度为0.03mm；

3.成形基板材料为纯钼板，基板厚度为20mm；

4.成形室内保护气体为氩气，氩气纯度为99.9％，成形室内氧含量≤100ppm；

5.成形速度为2～30cm³/h，工作台重复定位精度为±10μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

SLM技术利用高能激光束逐层沉积纯钼粉末，直接一步完成纯钼的制备，有效解决由于纯钼熔点过高而不能采取传统铸造方法制备纯钼试样的问题。制备过程中，无需准备熔炼炉、干锅、夹具、铸型等熔炼设备与设施，有效避免纯金属被污染，降低夹杂含量。SLM成形过程在氩气的保护下进行，能够避免钼的氧化，提高其综合性能。

本发明利用SLM技术制备纯钼，可以回收成形后工作仓内未被使用的纯钼粉末，提高粉末的利用率，减少金属材料的浪费，降低生产成本。

本发明通过优化SLM技术的工艺参数，可以获得具有较高致密度、较高表面质量的纯钼成形件，避免了传统的机加工和后处理，节省人力物力，缩短加工周期。

利用本发明提供的加工工艺，制备出的纯钼工件，具有良好的室温力学性能，在技术上具有一定的理论研究价值与实际应用价值。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明中使用的SLM设备的工作过程示意图；其中1为振镜、2为扩束镜、3为光束隔离器、4为f-θ镜、5为成形室、6为光束、7为试件、8为铺粉滚、9为保护气、10为成形缸、111为粉料缸、12为粉尘净化器、13为计算机控制系统、14为激光器；

图3是本发明所设计所有加工参数下的纯钼成形件宏观图；

图4a是实施例中最优参数下形成的钼板扫描电镜图；

图4b是实施例中最优参数下形成的钼板扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，制备过程具体包括以下步骤：

(1)根据待加工的纯钼成形件形状，在计算机上建立三维模型，并输出为STL格式文件。将其输入3D打印编辑软件中，进行二维化处理，在高度方向上对模型分层切片，切片数据包括成形件的轮廓信息与加工路径，并将其导入选区激光熔化设备中；

(2)设定纯钼试样的加工工艺参数：激光光斑直径为75μm，激光功率为325W，扫描速度为400mm/s，扫描间距为60μm，采用Cross hatching扫描策略，逐层旋转激光扫描方向67°，最大程度减少相邻层数的激光扫描矢量重合。

(3)将成形基板固定在选区激光熔化设备的工作台上，关闭仓门，抽真空后充入纯度为99.9％的氩气作为保护气体；

(4)经过成形腔气氛准备后，工作台下降，储粉腔体上升，自动铺粉装置利用橡胶刮刀在成形基板上铺设气雾化球形纯钼粉末；

(5)利用高能热源，按照计算机切片形状和外形轨迹快速扫描，处于松散状态的粉末薄层受激光辐射区域发生熔化、凝固，形成熔覆层；

(6)完成步骤(5)中一个切片层面的扫描后，成形基板下降一个切片厚度的距离，并在步骤(5)所形成的熔覆层上再均匀铺上一层纯钼粉末；

(7)重复上述步骤(5)、(6)，直至加工完成；

(8)待试样冷却至室温后取出，利用线切割工艺将成形件从成形基板上分离。

本发明中，采用选区激光熔化快速成形方法，成形基板材料为纯钼板，基板厚度为20mm，分层厚度为0.02～0.1mm，成形速度为2～30cm³/h，工作台重复定位精度为±10μm，成形室内氩气保护，纯度为99.9％，成形室内氧含量≤100ppm。

本发明中，具体加工参数如下：激光光斑直径为75μm，激光功率为325W，扫描速度为400mm/s，扫描间距为60μm，采用Cross hatching扫描策略，逐层旋转激光扫描方向67°，最大程度减少相邻层数的激光扫描矢量重合。

本发明利用气雾化球形钼粉，在纯度为99.9％氩气的保护作用下，与SLM技术结合制备纯钼。利用高能激光束熔化金属粉末，其熔化、凝固行为不同于其它传统的粉末冶金工艺。

参照图1～图3，本发明的总体思路是：首先通过CAD软件进行成形件的三维实体模形，然后将模形输出为STL格式，之后将其输入3D打印编辑软件中，进行二维化处理。即在高度方向上对三维实体模形均匀地分层切片，切片数据包括成形件的轮廓信息与加工路径。此后，3D打印设备将结合预设工艺参数，最终打印出与数值模型一致的成形件。待试样冷却至室温后取出，利用线切割工艺将成形件从成形基板上分离，得到表面质量较高、性能良好的成形件。

实施例1

一种高表面质量纯钼选区激光熔化制备方法，包括以下步骤：

(1)在计算机上通过CAD软件进行成形件的三维实体模型建模，然后将模型输出为STL格式，之后将其输入3D打印编辑软件中，进行二维化处理。

(2)将气雾化球形纯钼粉导入上料仓中，粉末粒度为13～53μm，将成形基板固定在选区激光熔化设备的工作台上，关闭仓门，抽真空后充入纯度为99.9％的氩气作为保护气体，保证成形室内氧含量≤100ppm。

(3)分别设定不同加工工艺参数，改变激光功率与扫描速度，本制备方法中控制扫描间距为60μm，采用Cross hatching扫描策略。启动选区激光熔化成形设备，工作台下降，储粉腔体上升，自动铺粉装置利用橡胶刮刀在成形基板上铺设气雾化球形纯钼粉末。利用高能热源，按照计算机切片形状和外形轨迹快速扫描，处于松散状态的粉末薄层受激光辐射区域发生熔化、凝固，形成熔覆层。逐层沉积纯钼粉末，最终打印出与CAD模型一致的成形件。

(4)待试样冷却至室温后取出，利用线切割工艺将成形件从成形基板上分离。

(5)测量在此工艺下打印出的成形件的致密度。

(6)选择出最优工艺参数。

本实验中不同工艺参数下的成形件致密度如表1所示。

表1不同工艺参数下的成形件致密度

本领域的技术人员容易理解，以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

综上所述：本发明涉及一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，属金属加工制造领域。本发明所述高致密度纯钼选取激光熔化制备方法是为了解决高温钼基合金的选区激光熔化增材制造问题。其特征在于原材料为气雾化球形钼粉，粉末粒度为13～53μm，其表面平滑、颗粒充填性好。采用选区激光熔化快速成形方法，成形基板材料为纯钼板，基板厚度为20mm，分层厚度为0.03mm，成形速度为2～30cm³/h，工作台重复定位精度为±10μm，成形室内氩气保护，纯度为99.9％，成形室内氧含量≤100ppm。激光光斑直径为75μm，激光功率为325W，扫描速度为400mm/s，扫描间距为60μm，采用Cross hatching扫描策略，逐层旋转激光扫描方向67°，最大程度减少相邻层数的激光扫描矢量重合。本发明所获得的纯钼试样，具有较高的致密度，具有一定的理论研究价值与实际应用价值。

Claims (10)

1.一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：在计算机上建立钼板三维实体数值模型，然后将所述钼板三维实体数值模型转成STL格式文件输入3D打印编辑软件中，进行二维化处理，在高度方向上对模型分层切片，设定扫描路径并将其导入选区激光熔化设备中；

步骤二：设定激光束的功率、扫描速度、扫描间距和扫描方式，所述激光光斑直径为75μm，激光功率为325W，扫描速度为400mm/s，扫描间距为60μm，采用Cross hatching扫描方式，逐层旋转激光扫描方向67°；

步骤三：将成形基板固定在选区激光熔化设备的工作台上，关闭仓门，抽真空后充入保护气体；

步骤四：成形室气氛准备后，工作台下降，储粉腔体上升，自动铺粉装置利用橡胶刮刀在成形基板上铺设气雾化球形纯钼粉末；

步骤五：利用高能热源，按照计算机切片形状和外形轨迹快速扫描，处于松散状态的粉末薄层受激光辐射区域发生熔化、凝固，形成熔覆层；

步骤六：完成步骤五中一个切片层面的扫描后，成形基板下降一个切片厚度的距离，并在步骤五所形成的熔覆层上再均匀铺上一层纯钼粉末；

步骤七：重复上述步骤五、六，直至加工完成；

步骤八：待试样冷却至室温后取出，利用线切割工艺将成形件从成形基板上分离。

2.根据权利要求1所述的高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，所述纯钼粉末粒度为13～53μm。

3.根据权利要求1或2所述的高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，切片厚度为0.03mm。

4.根据权利要求1或2所述的高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，成形基板材料为纯钼板，基板厚度为20mm。

5.根据权利要求3所述的高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，成形基板材料为纯钼板，基板厚度为20mm。

6.根据权利要求1或2所述的高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，成形室内保护气体为氩气，氩气纯度为99.9％，成形室内氧含量≤100ppm。

7.根据权利要求3所述的高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，成形室内保护气体为氩气，氩气纯度为99.9％，成形室内氧含量≤100ppm。

8.根据权利要求4所述的高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，成形室内保护气体为氩气，氩气纯度为99.9％，成形室内氧含量≤100ppm。

9.根据权利要求5所述的高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，成形室内保护气体为氩气，氩气纯度为99.9％，成形室内氧含量≤100ppm。

10.根据权利要求1或2所述的高致密度纯钼选区激光熔化制备方法，其特征是，成形速度为2～30cm³/h，工作台重复定位精度为±10μm。