一种降低大型增材构件孔隙率的方法 |
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| 申请号 | CN202310054438.7 | 申请日 | 2023-02-03 | 公开(公告)号 | CN116352112A | 公开(公告)日 | 2023-06-30 |
| 申请人 | 江苏大学; | 发明人 | 鲁金忠; 邓维维; 罗开玉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 增材制造 领域以及材料表面强化处理领域，具体涉及一种降低大型增材构件孔隙率的方法，其通过对大型增材件进行特定 温度 T1＝0.3Tm和 激光冲击强化 的同步复合处理，可以在构件表面产生较多的稳定的亚晶结构和大 角 度 晶界 ，降低增材构件表面及其内部的大部分孔隙，提高构件致 密度 ；还可以增加构件表面的残余压应 力 值；更容易在构件表面形成纳米梯度结构，同步提升构件的强韧性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种降低大型增材构件孔隙率的方法，其特征在于，对大型增材制造金属构件进行特定温度T1和激光冲击强化的复合作用，从而降低大型增材构件的孔隙率，实现强韧性的同步提升，具体步骤如下： |
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| 说明书全文 | 一种降低大型增材构件孔隙率的方法技术领域背景技术[0002] 增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)从快速原型制造发展而来，利用高密度能量束，如激光束，电子束以及等离子束等作为输入热源，对粉末或线材进行逐层熔化在凝固，在数字模型的指导下逐步添加材料薄层来实现复杂零件的柔性制造。这种独特的功能允许直接根据设计生产复杂或定制的零件。金属增材制造技术正在获得关键领域的认可，如医疗植入物、航空航天和许多其他领域。 [0003] 但由于增材制造快速熔化和快速凝固的特点，导致溶解于高温熔池中的氢气和氮气，在熔池凝固时因气体溶解度急剧下降，来不及逸出而残留在熔池内部形成气孔；过高的热输入导致低熔点合金元素气化，金属蒸汽在熔池快速凝固时来不及排除而形成气孔；保护气体如氩气被裹挟到熔池内部形成孔隙。 [0004] 因此增材制造过程中不可避免地会形成气孔和未熔合缺陷，尽管优化工艺参数能在一定程度上降低缺陷水平，但至今尚无有效方法予以完全消除。增材制造缺陷具有全域分布、形态多样、尺寸跨度大和形成机制复杂等特点。缺陷的存在会减小材料的有效承载面积，作为典型的应力集中源，会诱导疲劳裂纹的萌生，从而降低材料的疲劳强度和寿命。 [0005] 激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP)技术是一项新兴的表面形变强化技术，通过高能，高应变率，高压，超快激光辐照在金属材料表面，是材料表面吸收层气化，形成高温高压的等离子体，其持续吸收能量形成高压冲击波像材料内部传播，利用冲击波的力效应使材料表面发生塑性变形，诱导较深的残余压应力层，细化材料表面晶粒尺寸，改善材料的疲劳性能。大量研究该技术是延缓裂纹萌生，降低裂纹扩展速率的有效技术，可以利用力效应使细小裂纹闭合。但是在对较大裂纹或孔隙作用时，无法使其完全闭合，只能使其缩小。 发明内容[0006] 鉴于上述问题，本发明提出一种降低大型增材构件孔隙率的方法，通过对大型增材件进行特定温度及激光冲击强化处理，以降低增材构件表面及其内部的大部分孔隙，提高构件致密度；在处理表面形成稳定的纳米梯度结构，同步提升构件的强韧性。 [0007] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。 [0008] 一种降低大型增材构件孔隙率的有效方法，其特征在于，对大型增材制造金属构件进行特定温度T1和激光冲击强化的复合作用，从而降低大型增材构件的孔隙率，实现强韧性的同步提升，具体步骤如下： [0009] (1)将恒温加热板固定于激光冲击强化的平台上； [0010] (2)根据增材构件应用需要，选取大型增材构件需要处理的表面，并铺设吸收层，并将其固定于恒温板上，开启恒温加热板，使其温度保持在T1＝0.3×Tm，其中恒温加热板是通过电热板给大型增材构件加热使其温度保持在T1，Tm为大型增材构件材料的熔化温度；所述吸收层为铝箔或黑胶带； [0011] (3)监测大型增材构件的待加工表面温度，待其稳定在T1温度时，根据不同的材料调节适当的激光冲击强化工艺参数，打开约束层喷射装置，开启激光器，开始激光冲击强化处理，其中所述的约束层为温度为T1的流动甘油； [0012] 其中，激光冲击强化工艺参数根据以下公式进行选择： [0013] 根据公式(1)： [0014] 公式(2)： [0015] 以及公式(3)：2HEL≤P≤2.5HEL [0016] 计算出合适的激光能量密度I0， [0017] 另光斑直径为3mm，横向和纵向搭接率均为50％，频率为5～10Hz。 [0018] 其余工艺参数根据合理的I0的范围 [0019] 以及公式(4)： 进行选择脉宽τ，以及能量E的大小。 [0020] 公式(1)～(4)中，各参数定义如下： [0021] P为激光冲击过程中的峰值压力；α为校正因子，α＝0.1～0.2；Z为声阻抗；I0为激光能量密度；HEL为雨贡纽弹性极限；λ，μ为大型增材构件材料的Lame常数；σY为屈服强度；σ0为残余应力，σ0>0。 [0022] (4)待处理表面加工完毕后，关闭激光器，关闭约束层喷射装置，关闭恒温加热板，加工完毕。 [0023] 通过特定温度T1和激光冲击强化复合处理，可以在构件表面产生较多的更稳定的亚晶结构和大角度晶界，可以对材料表面及内部的孔隙进行调控，减少增材构件的孔隙及细小裂纹；还可以增加构件处理表面的残余压应力值；在恒温和激光冲击强化复合处理之后，材料表面更容易形成纳米梯度结构，从而使得增材构件的强韧性获得较大的同步提升。 [0024] 本发明的有益效果在于： [0025] 1.本方法可以在材料表面出现更多的亚晶结构，对比单独激光冲击强化处理产生的大面积位错网等结构，更加稳定；且亚晶界中分布着诸多析出相，大多为纳米级析出相；亚晶界通过局部旋转形成较多大角度晶界，增加位错等缺陷的攀移难度，增加位错密度和残余压应力值；在材料表面更易形成纳米梯度结构。 [0026] 2.材料内部的孔隙(直径10μm以内)通过温度加热进行闭合。激光冲击强化通过冲击波的力效应将材料表面及表面以下1.2mm范围内的小孔隙(直径25μm以内)闭合；较大孔隙(直径25μm以上)或细长裂纹在热的作用下使其缩小，最终在冲击波的力效应作用下闭合；因此本方法可以大幅度降低构件的孔隙率。 [0029] 图1为本发明所述方法的流程图。 [0030] 图2为S0，S1，S2试样截面的气孔分布图。 [0031] 图3是S0，S1，S2试样拉伸曲线。 具体实施方式[0032] 下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。 [0033] 本实施例所采用标距为25×6mm2的标准狗骨头拉伸试样，其材料为316L，通过选区激光熔化技术制备而成。 [0034] 一种降低大型增材构件孔隙率的有效方法的具体实施例，如下： [0035] 一种降低大型增材构件孔隙率的有效方法，对大型增材制造金属构件进行特定温度和激光冲击强化的复合作用，从而降低大型增材构件的孔隙率，实现强韧性的同步提升，具体步骤如下： [0036] (1)将恒温加热板固定于激光冲击强化的平台上； [0037] (2)在拉伸试样标距处铺设吸收层，并将其固定于恒温加热板上，开启恒温加热板，使其温度保持在T1＝0.3×Tm＝0.3×1400＝420℃，其中恒温加热板是通过电热板给拉伸试样加热使其温度保持在420℃，1400℃是316L不锈钢材料的熔点；所述吸收层为铝箔； [0038] (3)监测待加工表面温度，待其稳定在420℃时，根据不同的材料调节适当的激光冲击强化工艺参数，打开约束层喷射装置，开启激光器，开始激光冲击强化处理，其中，约束层为温度为420℃流动甘油； [0039] 其中，根据计算所得激光冲击强化工艺参数如下： [0040] [0041] (4)待处理表面加工完毕后，关闭激光器，关闭约束层喷射装置，关闭恒温加热板加热装置，加工完毕。 [0042] 图2是S0，S1和S2试样的孔隙分布图。其中S1为原始增材试样，S1为激光冲击强化处理过的试样，S2为本方法处理过的试样。从图2中可以看出经过激光冲击强化处理之后(S1)，孔隙率有了一定的减少。而经过本方法处理之后，孔隙几乎消失，孔隙率几乎降低为0(S2)。由此可见，经过本方法处理试样的孔隙率低于激光冲击强化处理的试样，且远远低于原始增材试样(S0)。 [0043] 图3是S0，S1和S2试样的拉伸曲线图。由图3可以发现S0试样的抗拉强度为610MPa，而S1的抗拉强度为640MPa，提升了30MPa，提升了4.9％，S2式样的抗拉强度为720MPa，较S0试样，提升110MPa，提升了18％；S0的延伸率为10.2％，S1试样的延伸率为8.6％，对比S0试样，下降1.6％；而S2的延伸率为12％，较S0提升1.8％。由此可见，本方法处理的试样，强韧性均得到了较大的提升。 [0044] 因此得出结论：本发明所述的一种降低大型增材构件孔隙率的有效方法可以对增材构件的孔隙进行调控，减少增材过程中产生的孔隙；使得材料的强韧性得到较大的同步提升。 |
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