复合激光冲击和激光退火的金属增材制造的方法 |
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| 申请号 | CN202210703365.5 | 申请日 | 2022-06-21 | 公开(公告)号 | CN114985767A | 公开(公告)日 | 2022-09-02 |
| 申请人 | 武汉大学; | 发明人 | 杨晶晶; 魏童博; 张臣; 胡耀武; 苏晨昱; 刘胜; | ||||
| 摘要 | 本 申请 公开了复合激光冲击和激光 退火 的金属 增材制造 的方法。该方法包括：对 金属粉末 原材采用金属增材制造得到金属零件，在所述金属成型的过程中辅助激光冲击和/或激光退火。本技术方案中，将金属增材制造技术与 激光冲击强化 和激光退火技术相复合，则可实现结构件的整体强化，能够针对金属增材过程的不同的熔凝和 相变 阶段，有效改善金属增材制造成形过程中的 冶金 缺陷 ，并能细化晶粒，提升零件 力 学性能，优化残余 应力 分布 和抑制裂纹的产生，从而显著提高零件的疲劳寿命、抗 腐蚀 和抗磨损能力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种复合激光冲击和激光退火的金属增材制造的方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 复合激光冲击和激光退火的金属增材制造的方法技术领域[0001] 本申请涉及金属增材的技术领域，尤其涉及复合激光冲击和激光退火的金属增材制造的方法。 背景技术[0002] 金属增材制造是以高能束流(电子束、激光束、电弧等)作为热源，通过熔化金属粉末或丝材，进行金属零件分层堆积，最终成型金属构件的先进制造技术。主要包括激光选区熔化(Selective laser melting，SLM)、电子束熔化(Electron Beam Melting，EBM)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)等。该技术可以实现复杂精密金属和合金结构件的近净成型，因而具有广泛的应用前景。 [0003] 但是，金属增材制造过程具有熔池温度高、凝固速度快、温度梯度大的特点，这会导致成形工件内部易形成冶金缺陷，降低机械性能，严重时会引起构件的开裂与变形，这些问题已经严重制约了金属增材制造技术的发展。 [0004] 目前，已经有研究者对激光冲击与增材制造复合的方法进行了探索，专利CN107671288A将在线无损检测技术和选择性后处理方法引入增材制造工艺中，通过结合机械碾压处理、激光冲击强化处理和搅拌摩擦加工处理解决增材制造缺陷。专利CN210548101U公开了一种多功能的金属增材制造成形设备，将成形光路和激光冲击强化光路进行了整合，并采用固态约束层提高了冲击波峰值压力。专利CN107186214A提供了一种激光热力逐层交互增材制造的组合装置，在每一层粉料熔化之后，对其进行激光冲击强化。 [0005] 纵观以上相关技术，对由金属增材制造所得到的金属零件的力学性能有待提升。发明内容 [0006] 有鉴于此，本申请提供复合激光冲击和激光退火的金属增材制造的方法，能够提高所成形得到金属零件的力学性能。 [0007] 本申请提供一种复合激光冲击和激光退火的金属增材制造的方法，包括： [0008] 对金属粉末原材采用金属增材制造得到金属零件，在所述金属成型的过程中辅助激光冲击和/或激光退火。 [0009] 可选地，在所述金属成型的过程中辅助激光冲击和/或激光退火，具体为：对由金属粉末原材成型所得金属沉积层，根据所述金属沉积层的层数和/或材料实施激光冲击和/或激光退火。 [0010] 可选地，所述金属增材制造的方式为激光选区熔化或其它以激光为热源的铺粉、送粉和送丝类的金属增材制造技术。 [0011] 可选地，所述激光冲击采用掩模版，所述掩模版包括约束层和牺牲层，所述牺牲层包围有耐高温材料，通过设计耐高温材料中孔的形状、尺寸、数量和分布，从而在选择区域产生微米级至毫米级精准可控的应力波范围。 [0012] 可选地，所述激光冲击的工作模式为，应力波作用于金属熔池上，或者应力波作用于熔池后沿固态相变区域，或者应力波作用于已经凝固的金属表面。 [0013] 可选地，所述激光冲击为脉冲激光，分光器从脉冲激光器中分出多条激光冲击光路，分别对处于熔凝阶段、固态相变阶段和已成形阶段的工件进行激光强化处理。 [0014] 可选地，所述激光退火为连续激光。 [0015] 以上提供的复合激光冲击和激光退火的金属增材制造的方法，将金属增材制造技术与激光冲击强化和激光退火技术相复合，则可实现结构件的整体强化，能够有效改善金属增材制造成形过程中的冶金缺陷，并能细化晶粒，提升零件力学性能，优化残余应力分布和抑制裂纹的产生，从而显著提高零件的疲劳寿命、抗腐蚀和抗磨损能力。附图说明 [0016] 下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。 [0017] 图1为本申请实施例提供的增材制造的方法的实施装置的结构示意图。 [0018] 图2为本申请实施例提供的激光冲击三种工作模式的作用过程图。 [0019] 图3为本申请实施例提供的掩模版的一视角的结构示意图。 [0020] 图4为本申请实施例提供的掩模版的立体结构示意图。 [0021] 图5本申请实施例提供的方法流程图。 [0022] 图6本申请实施例提供的激光冲击的工作示意图。 [0023] 其中，图中元件标识如下： [0024] 1‑控制系统；2‑连续激光器；3‑脉冲激光器；4‑分光器1；5‑分光器2；6‑激光光路控制系统(包括全反射器、准直镜、振镜组件等)；7‑成型缸；8‑加工材料；9‑已成型金属；10‑基板；11‑升降台；12‑掩模版驱动器及传动机构；13‑掩模版；a,b,c,d,e为激光光路；14‑金属熔池；15‑金属增材激光光斑；16‑激光冲击作用区域；17‑熔池后沿固态相变区域；18‑已凝固的金属表面；19‑脉冲激光；20‑约束层；21‑耐高温材料；22‑金属构件；23‑牺牲层；24‑应力波；21‑透明耐高温材料；23‑牺牲层；25‑激光冲击工作模式Ⅰ、Ⅱ作用区域；26‑激光冲击工作模式Ⅲ作用区域。 具体实施方式[0025] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0026] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。 [0027] 在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。 [0028] 下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。 [0029] 在介绍本申请的技术方案之前，有必要阐述下本申请的发明创造的创立背景。 [0030] 已为普遍存在的是，相关技术中，金属增材制造技术局限于冲击波作用于金属增材制造多层成型后的沉积层，没有原位直接作用于金属粉末或丝材熔化凝固过程的激光冲击方法，因而无法实现金属增材制造中冶金缺陷和显微组织的全流程控制，也无法针对金属材料不同的熔凝和相变阶段，实时地、选择性地的细化晶粒、诱导残余压应力、改善并消除裂纹气孔等缺陷。 [0031] 基于上述发明人意识上述难题，本发明人提出了金属增材制造的方法，将金属增材制造技术与激光冲击强化和激光退火技术相复合，则可实现结构件的整体强化，能够有效改善金属增材制造成形过程中的冶金缺陷，并能细化晶粒，提升零件力学性能，优化残余应力分布和抑制裂纹的产生，从而显著提高零件的疲劳寿命、抗腐蚀和抗磨损能力。由此，创立了本发明创造。 [0032] 本申请提供复合激光冲击和激光退火的金属增材制造的方法，包括： [0033] 对金属粉末原材采用金属增材制造得到金属零件，在所述金属成型的过程中辅助激光冲击和/或激光退火。 [0034] 上述术语“激光冲击强化(Laser Shock Peening，LSP)”，是一种表面强化技术，主要是采用短脉冲、高峰值功率密度的激光辐照在金属表面，激光束通过约束层之后被牺牲层吸收，牺牲层从而获得能量形成爆炸性气化蒸发，产生高温高压的等离子体，由于外层约束层的约束，等离子体形成高压冲击波向材料内部传播，材料表层发生剧烈的塑性变形，使表层晶粒细化和均匀化。 [0035] 上述术语“激光退火”，激光退火(Laser Annealing)是以激光为热源进行的退火，可以实现对样品微小区域的精准退火，对热量进行精确的控制，从而实现更加精细的结构的制备。本申请激光退火可以降低金属硬度、改善切削加工性、降低残余应力、细化晶粒和消除组织缺陷。 [0036] 本申请中增材制造的方式可以为包括粉末床融化、激光定向沉积等以激光为热源的铺粉、送粉和送丝类的金属增材制造技术。 [0037] 作为一种可示范的实现方式，在所述金属成型的过程中辅助激光冲击和/或激光退火，具体为：对由金属粉末原材成型所得金属沉积层，根据所述金属沉积层的厚度和/或材料实施激光冲击和/或激光退火。 [0038] 具体而言，在实际操作时，判断该层是否达到了激光冲击所预设的金属沉积层的层数；若是，便对金属增材制造技术所得金属沉积层实施激光冲击；若否，再采用金属增材制造成型得到一层沉积层，再判断叠加后的金属沉积层的层数是否符合预设要求，如此反复。 [0039] 判断该层是否达到了激光退火所预设的金属沉积层的层数，若是，根据设定激光退火加工信息，对已经成形金属表面进行激光退火。 [0040] 在一个典型的实施方案中，所述金属增材制造的方式为选区熔化。普通的激光冲击方法，必须在工件部分成型并凝固后添加约束层，而且激光冲击产生的应力波作用范围较大，所以无法与增材制造过程原位复合。鉴于此，本申请采用了选区激光冲击方法，可以有效避免上述。 [0041] 参考图3‑图4，作为一种可示范的实现方式，所述选区熔化采用掩模版13，所述掩模版13包括约束层20和牺牲层23，所述牺牲层23包围有耐高温材料。 [0042] 掩模版13中耐高温材料21的孔可以为通孔或盲孔，孔结构可为微米～毫米级别；孔的数量与形状可以任意设计，包括圆形、矩形、十字形和星形等。将孔中装满牺牲层23的耐高温材料21，用约束层20压住，再将此结构安装在掩模版驱动机构12，掩模版13也可以没有耐高温材料21，仅由约束层20和牺牲层23构成，牺牲层23不必装在耐高温材料21的孔内。 [0043] 参考图1，可以为掩模版13配置掩模版驱动机构12。掩模版13通过由控制系统控制的驱动、传动装置实现在平面上的移动，脉冲激光作用于掩模版上，产生激光冲击。 [0044] 参考图2、图6，所述激光冲击的工作模式为，应力波作用于金属熔池上，或者应力波作用于熔池后沿固态相变区域，或者应力波作用于已经凝固的金属表面。 [0045] 工作模式Ⅰ为应力波作用于金属熔池14上，加速熔池搅拌，促进气孔溢出；工作模式Ⅱ为应力波作用于熔池后沿固态相变区域17，打碎柱状晶、细化晶粒，抑制各向异性的产生；工作模式Ⅲ为应力波作用于已经凝固的金属表面18，可使已凝固组织发生塑性变形，将残余应力转化为残余压应力。以上3种工作模式可以同时作用，也可以选择其中任意1个或2个工作模式与金属增材制造同步复合。在冲击过程中，激光束均可采用三种工作模式中任意一种。 [0046] 再次参考图1，作为上述方法的实施装置，可以包括：控制系统1、连续激光器2、脉冲激光器3；第一分光器4、第二分光器5、激光光路控制系统(包括全反射器、准直镜、振镜组件等)6、成型缸7、加工材料8、已成型金属9、基板10、升降台11、掩模版驱动机构12用以驱动掩模版13的移动。 [0047] 控制系统1可控制连续激光器2和脉冲激光器产生连续激光和脉冲激光，分光器4可将脉冲激光分为多束(图中a至c)，并分别经过不同的激光光路6控制系统(6(a)‑6(c))；5‑分光器将连续激光分为两束(图中d和e)，并分别经过不同的6‑激光光路控制系统(6(d)和6(e))。 [0048] 激光束d用于激光退火工艺，6(d)‑激光光路控制系统可以控制激光束d的光斑长度、能量密度与加工速度等。 [0049] 激光束e用于金属增材制造过程中的热源，6(e)‑激光光路控制系统可以控制激光束e的工艺参数如激光功率、扫描速度、扫描间距、相位角等。 [0050] 控制系统1控制掩模版12驱动机构实现掩模版13在沉积平面上的水平和垂直移动，脉冲激光通过掩模版13产生冲击作用于零件表面。 [0051] 现在针对一个常见的应用场景中，来阐述本申请增材制造方法的操作过程。应当注意的是，此常见的实施方案不可作为理解本申请所声称所要解决技术问题的必要性特征认定的依据，其仅仅是示范而已。 [0052] 如图5所示，一种激光冲击强化和激光退火多光路复合的金属增材制造的工艺方法包括如下步骤： [0053] S1：设计、安装掩模版。设计掩模版中孔结构的尺寸、形状、数量和分布，将牺牲层喷涂在掩模版中孔内；利用刮刀去除多余的涂层，并将其安装在驱动机构上。 [0054] S2：根据加工需求和选定的金属增材制造技术设定金属增材制造的工艺参数，包括激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚等；激光退火的工艺参数，包括能量密度、加工速度、光斑大小、作用位置、作用层数和作用次数等；激光冲击的工艺参数，包括各光路的脉冲频率、脉冲宽度、单脉冲能量、光斑直径、作用位置、作用层数、作用次数和工作模式等。用惰性气体排出成形腔内的空气。 [0055] S3：提取该层增材制造扫描信息，设定的激光冲击和激光退火加工信息，判断该层是否达到了设定的激光冲击层数。 [0056] (1)是，11‑升降台带动10‑基板下移1个层厚的距离。采用金属增材制造技术加工一层沉积层的同时，掩模版移动到激光冲击作用位置上方，按照设定的激光冲击工作模式，脉冲激光器发出的激光经过分光器分为多条光路，照射在掩模版上，产生冲击波作用于工件表面。 [0057] (2)否，11‑升降台带动10‑基板下移1个层厚的距离，采用金属增材制造技术加工一层沉积层。 [0058] S4：判断该层是否设定了激光退火。 [0059] (1)是，根据设定激光退火加工信息，对已经成形金属表面进行激光退火。 [0060] (2)否，跳至步骤S5。 [0061] S5：判断是否成形完最后一层。 [0062] (1)是，结束整个制造过程 [0063] (2)否，跳至步骤S3 [0064] S6：结束。 [0065] 下面以加工AlSi10Mg合金为例来具体说明，制造方法包括以下步骤。 [0066] 激光冲击、激光退火多光路复合的增材制造策略如图6所示，设定为在每SLM成形5层时，对其中某些位置同时进行工作模式Ⅰ和工作模式Ⅱ的激光冲击强化。在每成形15层后，对工件边缘位置进行工作模式Ⅲ的激光冲击强化。每成形50层进行一次激光退火。 [0067] S1：设计、安装掩模版。本工艺一共需要3块掩模版，其中2块掩模版(代号掩模版A和掩模版B)均用于激光冲击工作模式Ⅰ和Ⅱ，第三块掩膜版(代号掩模版C)用于工作模式Ⅲ。3块掩膜版中20‑约束层采用高冲击阻抗BK‑7玻璃；21‑耐高温材料采用钨钢合金；23‑牺牲层采用石墨。在掩膜版A和B的21‑耐高温材料的表面加工1个直径100μm的圆形通孔(如图3(b)所示)，将23‑牺牲层喷涂在21‑耐高温材料表面的孔内，利用刮刀去除多余的涂层，将通孔装满23‑牺牲层的21‑耐高温材料倒扣，用20‑约束层压住。掩模版C仅由20‑约束层和 23‑牺牲层组成。将3块掩膜版安装在11‑掩模版驱动机构上。 [0068] S2：导入工件模型，计算机对三维的模型进行切片，确定每一层激光扫描二维模型。设置金属增材制造参数：使用Nb‑YAG激光器，功率为270W，扫描速度为1800mm/s，铺粉层厚30μm，扫描间距60μm，保护气体为氩气。设置激光退火参数：退火光斑加工速度为9mm/s，退火光斑长度12mm，激光光斑宽度2.4mm。设置激光冲击参数：使用Nb‑YAG激光器、峰值能量2 密度为7.95GW/cm 、脉冲持续时间为7ns、脉冲波长为1064nm、单脉冲能量0.7mJ、光斑直径 1mm。 [0069] S3：提取设定的增材制造信息、激光冲击位置与工作模式和激光退火位置，判断是否达到了设定的激光冲击位置。 [0070] (1)是，加工平台下降一个层厚，水平刮板运动，使粉末在基板上以设定的层厚均匀铺上一层，激光熔化粉末状材料来成型零件的2D切片。同时，激光冲击开始工作。在连续激光e产生的SLM激光光斑扫描的同时，传动机构控制掩模版在加工平面移动。脉冲激光a，b，c照射在掩模版上，在设定的位置产生应力波。 [0071] (2)否，加工平台下降一个层厚并铺粉，通过SLM技术加工一层沉积层。 [0072] S4：判断该层是否设定了激光退火。 [0073] (1)是，对已经形成的金属表面进行激光退火。 [0074] (2)否，跳至步骤S5。 [0075] S5：判断是否成形完最后一层。 [0076] (1)是，结束整个制造过程 [0077] (2)否，跳至步骤S3 [0078] S6：结束。 [0079] 对比例为仅经过SLM加工而不进行激光冲击与退火的AlSi10Mg合金。在室温下测试其力学性能，测试结果如表1所示： [0080] 表1 [0081] [0082] 与对比例相比，实施例的致密度提升了1.14％，气孔、裂纹等缺陷得到了改善。实施例的平均晶粒尺寸降低了20.5％。 [0083] 实施例的显微硬度提高了25.8％，完全消除了残余拉应力并转化为残余压应力，实施例的极限抗拉强度和伸长率提高了26.8％和32.5％。 |
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