技术领域
[0001] 本
发明属于快速成形技术与粉末松装
烧结复合成形领域，具体为一种近净成形多孔金属零件的方法。
背景技术
[0002] 多孔材料是由金属骨架与孔隙构成的一种材料。与致密材料相比，多孔材料的典型特点是内部含有大量的孔隙。因此，多孔金属具有以下优良性能，如
密度小、
比表面积大、导热率低、
散热能
力高、透过性强、吸能吸波吸声能力强，
生物相容性好等。近年来，多孔材料零件已经得到了非常广泛的应用，如被用作
生物材料器件、减震器、
缓冲器、
过滤器、
吸能器、
流体透过器、
热交换器、灭火器、
发动机排气消声器，金属
电极等等。
[0003] 松装粉末烧结(Loose Powder Sintering，LPS)是一种常见的多孔零件的成形方法。其具体过程是将
金属粉末松装于模具内进行无压烧结，在烧结过程中粉末颗粒相互粘结，从而形成多孔烧结体。该成形方法可以生产Fe、Ni、Cu或其他
合金多孔体。利用该技术可以制造出孔隙率为40％～60％的多孔零件。为进一步提高孔隙率，可加入疏松剂。
[0004] 但是利用松装粉末烧结法成形各种多孔材料及零部件时，存在以下问题：
[0005] (1)粉末松装烧结法难以直接成形出任意复杂形状的零件。多孔材料的应用中需要某种复杂形状，LPS则受到限制则无法直接成形。实际生产中需要机加工，这种方法不仅工艺繁琐，生产效率低，而且还造成了材料的浪费。
[0006] (2)粉末松装烧结需要使用模具成形，粉末烧结后需要将零件从模具中脱除，因此模具的设计与烧结环节至关重要，稍有偏差就会影响零件的尺寸
精度。(参考文献：[1]曾舟山.316L不锈
钢粉
真空松装烧结的研究.粉末
冶金材料科学与工程.1997，4(2)，
251-254；[2]左光威.青
铜合金粉松装烧结
温度的确定.
粉末冶金工业.1996，2(6)，
36-37；[3]曾剑波，吴诚萍，邱培民.松装烧结多孔
钛板.中国有色金属学会第七届全国钛及钛合金学术交流会.1990年12月10日)
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种多孔金属零部件的近净成形方法，该方法无需模具，具有工艺过程简单易行、可制造复杂形状的特点。
[0008] 本发明提供的多孔金属零部件的近净成形方法，其特征在于该方法包括下述步骤：
[0009] (1)采用三维造型
软件设计出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理为后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到
选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)快速成形设备；
[0010] (2)将SLM快速成形设备的成型腔抽成真空，然后通入保护性气体；
[0011] (3)送粉机构在金属
基板上平铺一层厚度为0.05～0.15mm、粒径为10-100μm的金属粉末；
[0012] (4)采用激光功率大于或等于100W的
激光束对切片边界的外轮廓进行扫描，使外轮廓熔化；
[0013] (5)重复步骤(3)-(4)，直至整个零件
外壳成形完毕；
[0014] (6)将成形零件的外壳与装载在外壳中的粉末，整体置于高温烧结炉中进行烧结成形。
[0015] 本发明将选择性激光熔化(SLM)快速成形技术与松装粉末扫描(LPS)结合起来，这种复合方法具有以下优点：
[0016] (1)使用SLM单道扫描制造零件的外壳，可以成形出复杂形状结构的零件。
[0017] (2)通过LPS烧结内部松散粉末形成多孔材料，避免了使用SLM全部扫描内部粉末时对形成的孔隙不易控制。
[0018] (3)采用SLM成形外壳，免去了设计与制造模具带来的尺寸偏差。
[0019] (4)由于可以在SLM成形的包套内填充任意粉末材料进行后续松装烧结，因而该复合成形法所涉及的成形材料广泛。
[0020] (5)工艺过程简单，避免了传统的机加工，节省材料。
附图说明
[0021] 图1为本发明选择性激光熔化(SLM)成形金属零件外壳的示意图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和实例对本发明的具体过程作进一步详细的阐述：
[0023] (1)每一层
制造过程中，仅对轮廓边界的金属粉末进化熔化，而不扫描内部的松散粉末；
[0024] (2)重复上述过程，多层加工结束后，即可成形出具有一定形状、一定强度的金属零件外壳，其内部粉末由于未经激光扫描而呈现松散状，对于内部松散粉末处理有两种方式：
[0025] (a)同种粉末烧结：内部松散的粉末不用倒出，直接作为后续松装烧结的粉末材料；
[0026] (b)异种粉末烧结：金属零件外壳的最上端留出一小孔，将内部金属粉末倒出，然后换入待烧结的异种粉末材料。
[0027] (3)将上述的金属外壳连同内部松装粉末置入高温烧结炉中，在一定温度下保持一段时间，内部松装粉末经烧结后则成为多孔材料，并在固定外壳下保持特定复杂形状。
[0028] 金属零件的外壳可以采用以下步骤成形：
[0029] (1)采用三维造型软件设计出零件的CAD模型，然后由切片处理软件生成多层切片信息并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到SLM快速成形设备。
[0030] (2)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.1～0.2mm厚度的待加工粉末(粒径约为10～100μm)。
[0031] (3)采用激光功率大于等于100W的YAG
激光器或光纤激光器扫描切片轮廓边界并使边界处的粉末熔化，其中扫描速度为20～200mm/s。
[0032] (4)重复上述步骤(2)-(3)，直到整个零件的外壳加工结束。
[0033] 本发明的实质是将选择性激光熔化(SLM)技术与粉末松装烧结(LPS)技术结合。利用SLM技术可以成形复杂形状的优势为PLS成形出金属外壳，即是松装烧结的模具，从而保证LPS成形出的金属零件具有SLM成形外壳的形状。因此，使用SLM与LPS结合，可以成形出具有任意复杂形状的、内部具有多孔结构的零件。
[0034] 实例1
[0035] (1)利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出多孔零件的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输入到SLM快速成形设备。
[0036] (2)由送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.1～0.2mm厚度的316L
不锈钢粉末，不锈钢粉末的粒径约为10～100μm，粉末中含有10wt％甲基
纤维素作为疏松剂。
[0037] 以甲基
纤维素作为疏松剂时，其加入量一般可以为5-40wt％。
[0038] (3)采用激光功率为100W的YAG激光器或光纤激光器扫描切片轮廓边界并使边界处的粉末熔化，其中扫描速度为150mm/s。
[0039] (4)重复上述步骤(2)-(3)，直到整个零件的外壳加工结束，此时金属外壳为后续松装烧结所需要的模具，内部316L不锈钢粉末为后续松装烧结所用粉末。
[0040] (5)将金属外壳包含内部316L不锈钢粉末送入到真空烧结炉，抽真空，设定工艺路线为：室温下经1小时升温到1300℃，保温20分钟，然后冷却到室温出炉。
[0041] (6)最后，对成形出的316L不锈钢零件进行后续加工，使零件的尺寸和形状满足零件要求。
[0042] 如图1所示，上述过程中，激光束只扫描切片外轮廓使其熔化，而内部为松装粉末。对金属外壳和内部粉末整体进行烧结，则可形成具有一定形状的多孔零件。
[0043] 实例2
[0044] (1)利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出多孔零件的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输入到SLM快速成形设备。
[0045] (2)由送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.1～0.2mm厚度的
铁粉，粉末粒径约为10～100μm，其中含有
硼酸作为疏松剂，加入量为2wt％。
[0046] 以硼酸作为疏松剂时，其加入量一般可以为1-4wt％。
[0047] (3)采用激光功率为100W的YAG激光器或光纤激光器扫描切片轮廓边界并使边界处的粉末熔化，其中扫描速度为100mm/s。
[0048] (4)重复步骤(2)-(3)，直至具有一定形状的铁外壳加工结束，铁外壳上部留一小孔，并将内部的松散粉末倒出，此时铁外壳即为后续松装烧结所需要的模具。
[0049] (5)将铁外壳内部注入Ti6Al4V金属粉末，该粉末为后续松装烧结所用粉末。
[0050] (6)将铁外壳包含内部Ti6Al4V粉末输入到真空烧结炉，抽真空，设定工艺路线为：室温下经50分钟升温到920℃，保温30分钟，然后冷却到室温出炉。
[0051] (7)将所得到多孔零件的铁外壳通过机械
抛光去除，即可得到具有一定复杂形状和尺寸的Ti6Al4V多孔金属零件。
[0052] 实例3
[0053] (1)利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出多孔零件的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输入到SLM快速成形设备。
[0054] (2)由送粉机构在金属基板上平铺一层约为0.1～0.2mm厚度的铁粉。
[0055] (3)采用激光功率为100W的YAG激光器或光纤激光器扫描切片轮廓边界并使边界处的粉末熔化，其中扫描速度为140mm/s。
[0056] (4)重复步骤(2)-(3)，直至具有一定形状的铁外壳加工结束，铁外壳上部留一小孔，并将内部的松散粉末倒出，此时铁外壳即为后续松装烧结所需要的模具。
[0057] (5)将铁外壳内部注入Ti粉，该粉末为后续松装烧结所用粉末。
[0058] (6)将铁外壳包含内部Ti粉输入到真空烧结炉，抽真空，设定工艺路线为：室温下经50分钟升温到1200℃，保温1小时，然后冷却到室温出炉。
[0059] (7)将所得到多孔零件的铁外壳通过机械抛光去除，即可得到具有一定复杂形状和尺寸的Ti多孔金属零件。
[0060] 以上所述为本发明的较佳实例而已，但本发明不应该局限于该实例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或
修改，都落入本发明保护的范围。
