[发明专利]一种金属零件的激光增材制造方法和装备

说明书

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，具体涉及一种高精度金属零件的增材制造方法和装备，尤其适用于大尺寸甚至超大尺寸的复杂金属零件的制造。

背景技术

近几年来，基于“离散一堆积”和“添加成形”的激光增材制造技术已经可以从CAD模型和金属粉末直接制造密度近乎100％的金属零件。常用金属材料如工具钢、不锈钢、镍合金、铜合金、钛合金和钨合金等都已经试制成功，制造的金属零件正在逐步走向实际工业应用。

目前，采用激光增材制造技术直接制造100％密度金属零件的方法归纳起来有两种：一种是基于自动送粉工艺的激光熔化沉积技术(Laser Melting Deposition，以下简称LMD技术)，另一种是基于预置铺粉工艺的选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，也称选择性激光熔化技术，以下简称SLM技术)。

由于粉末供给方式不同，LMD与SLM两者的技术路线和装备都有明显差异。LMD采用的是自动送粉，即在加工成形过程中，金属粉末是从储粉斗通过喷嘴同步喷射到熔池中，一次性完成粉末的送入、熔化、凝固成形，因此也称为一步法。

由于合金粉末是从喷嘴中动态喷出的，因此LMD技术中的激光光斑不能够太小，否则大部分金属粉末将不能够被激光捕捉；而且由于激光与工件的相对运动是采用机床来实现的，机床的加速度和速度都较小，成形制造精密构件时沉积效率将会很低。因此，LMD工艺一般采用较大的光斑直径，所制造的零件形状相对比较简单，成形线宽较宽，空间分辨率较低，成形件精度较差，一般在毫米量级。所以，LMD技术成形零件后续机加工较大。然而，LMD技术的显著优势之一是，成形装备可以借用发展十分成熟的通用机床，制造大尺寸零部件所用的装备制造难度系数不高。因此，LMD技术可以制备大尺寸的零件，其投影面积尺寸可达到数平方米。

而SLM技术则采用预置铺粉的方式，即预先在成型缸中铺设一层一定厚度的金属粉末床，然后采用激光束对合金粉末层实现选择性熔化。这种粉末先预置、然后熔化成形的工艺又称为两步法。

SLM成形工艺中，由于合金粉末处于静止状态，因此采用很小的激光光斑也能够有效捕捉住合金粉末，实现高精度成形。而且，由于采用扫描振镜实现激光与工件的相对运动，扫描振镜的基本特性使得激光束的扫描速度、跳转速度和加速度比LMD采用机床时的对应参数大得多。因此，与LMD相比，SLM技术的最小成形线宽小得多，成形件的空间分辨率、成形精度和表面光洁度高得多。而且，由于是采用铺粉工艺，粉床可以作为悬挂结构的支撑。上述种种原因使得SLM技术特别适合具有精细复杂结构的金属零件的净成形。

下面结合图1具体说明其工作过程。

现有技术中，SLM技术制造金属零件1通常是在成型缸2内完成，如图1所示，具体过程说明如下。

首先，按照待加工金属零件1所需要的精度，采用SLM设备中专门设计的软件对待加工金属零件1的三维CAD模型按照一定厚度进行分层切片，获得金属零件1的每层平面轮廓扫描信息。为保护金属在加工过程中不被氧化，成型缸2和储粉斗(或者储粉缸)3均需要采用气体保护，一般地将成型缸2置于气氛室4中，气氛室4中可以充入各种保护气氛，如氩气、氮气等。有的设备还会在成型缸2周围布置加热保温装置，使其具有预热缓冷功能。在制造金属零件1过程中，储粉斗3中的金属粉末5被送往成型缸2，自动铺粉器7以成型缸2的上表面台面6作为基准面将粉末铺平。铺粉时成型缸2的整个区域都需要铺满金属粉末5(如图1所示的铺粉后成型缸俯视图)。由于传统SLM设备成型缸2的大小是固定的，因此在制作金属零件过程中，整个零件高度内，成型缸2内将铺满金属粉末；计算机控制系统按照所需加工零件给定的图形信息驱动扫描振镜，使得激光束在粉床表面实现选择性扫描、熔化金属粉末，熔融粉末快速冷凝后就形成金属零件1的一层；然后成型缸2的活塞下降一个单层厚度的高度，重复铺粉-激光选择性扫描-熔化成形过程；通过上述过程熔化粉末层的层层叠加，即获得了金属零件1。储粉斗3可以置于成型缸2的侧上方(此时一般称为储粉斗)，也可以平行放置在成型缸2的侧面(此时一般称为储粉缸)。储粉斗可以置于气氛室4，也可以置于气氛室4外；但是储粉缸必须置于气氛室4中。