[发明专利]一种变功率复合扫描选区激光熔化方法

说明书

本发明公开了一种变功率复合扫描选区激光熔化方法，涉及材料成型技术领域，包括金属粉末预热、激光成形、去应力退火、激光表面相变强化等步骤，采用本发明的方案，获得无裂纹、无气泡、孔隙率低于0.5％的选区激光熔化成形件，致密度不低于99.5％，提高表面硬度不低于30％，且本发明集成选区激光成形技术、热处理技术和表面强化技术，缩短产品加工周期，提高成形效率不低于30％。

技术领域

本发明涉及材料成型技术领域，具体涉及一种变功率复合扫描选区激光熔化方法。

背景技术

选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是金属3D打印中比较成熟的技术包括，在强度、精度、致密性方面表现出色，潜力巨大，成为了快速成型体系中最具发展潜力的技术之一。选区激光熔化技术采用铺粉机构，通过高能量激光逐层扫描熔化金属粉末，金属粉末在吸收激光能量后温度急剧上升达到熔点后，随着激光的移动温度急剧下降凝固，实现激光制造，适用于制备微结构、小尺寸和高精度零件，致密度接近100％,尺寸精度达20-50um,表面粗糙度达20-30um，在机械、医疗、航空航天和军事等领域发展迅速。

选区激光熔化成形过程为复杂动态非平衡过程，存在着传热、熔化、相变、气化和传质等现象，且成形过程高能量激光源移动速度达2000m/s甚至更高，当激光光斑离开后，原有的微小熔池会急剧降温，冷却速度可达103K/s，金属粉末的熔化与凝固过程小于几毫秒，成形过程激光束和温度场不稳定，极易产生球化、孔隙、气泡和裂纹等缺陷。

目前，控制选区激光熔化缺陷的方法主要包括调整激光功率、改变激光扫描策略和选用优质的就金属粉末等方案，但是无法彻底解决气泡和裂纹等缺陷，且需要后期通过热等静压等技术后处理，减少气泡和裂纹

中国专利公开号为CN104385605B公开了一种纳米级零部件激光烧结成型方法及装置，包括混合进样系统、空气动力学透镜、共焦激光器组和工作台；混合进样系统具有一个缓冲腔。将纳米颗粒粉末置于粉末储存腔，该粉末经气体携带到混合腔，并与另一支路气体充分混合，所得气溶胶流进入缓冲腔，气体与纳米颗粒粉末进一步混合，压力和流速降低，得到雷诺数为200-700的流体；流体进一步以层流形式进入柱形腔体，经过每个透镜上的汇聚孔并聚焦后，以单颗粒流形式喷出；颗粒被工作台上涂有真空脂的烧结基体接收，并被共焦激光器组融化；通过工作台4在X、Y方向的移动，可获得具有纳米级成型精度的二维图样；通过在Z轴方向移动，可逐层堆叠获得具有纳米级成型精度的零部件。但是其仍然无法彻底解决气泡和裂纹等缺陷，且工艺较为复杂。

发明内容

本发明针基于冶金学和激光表面强化技术，提出一种高效、高精度的快速四阶段SLM成型技术，通过变功率激光束实施金属粉末预热、成形、去应力退火和激光表面强化四阶段复合扫描工艺，消除棋牌和裂纹缺陷，减少恐袭缺陷，提升成型件的机械强度、疲劳性能、成型精度、表面平整度等。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的一种变功率复合扫描选区激光熔化方法，包括如下步骤：

(1)金属粉末预热，柔性铺粉后对金属粉末施加低功率激光扫描，使金属粉末温度升高至190-210℃，使金属粉末内水蒸气溢出，减少气泡缺陷。

(2)激光成形，对预热后的金属粉末层按照设定扫描策略施加高功率激光扫描，提高设备成形速度和成型能力。

(3)去应力退火，对已凝固的金属切片层表面施加低功率激光扫描，控制温度降低至材料熔点以下25-35℃，降低了冷却速度，另一方面实现去应力退火，有效降低残余应力，减少开裂缺陷。

(4)激光表面相变强化，对已凝固成型的金属切层表面实施300-400W功率的激光扫描，促进金属晶粒纳米化、调整内应力、焊合裂纹，逐层提高成型件疲劳断裂强度。

优选的，所述低功率激光的功率低于100W，所述高功率激光的功率为400-500W。