[发明专利]碾轧复合选区激光熔化的增材制造工艺及设备

说明书

本发明提供了一种碾轧复合选区激光熔化的增材制造工艺，基于传统的选区激光熔化工艺，在每层沉积结束后，增加碾轧工艺，能够有效降低成形件内部孔隙率和微裂纹，细化组织，改变残余应力状态。本申请还提供一种实现上述碾轧复合选区激光熔化增材制造工艺的设备，包括机架、成形缸、成形平台、铺粉装置和碾轧装置；碾轧装置包括支撑架、轧辊、第一燕尾滑块、第一燕尾导轨、电机、减速器和齿轮；支撑架的开口铰接有轧辊；轧辊与成形缸的上表面接触；支撑架的上端面与第一燕尾滑块固定连接；第一燕尾导轨的侧壁加工有齿形；减速器的输出轴与齿轮固定连接；齿轮与第一燕尾导轨的齿形啮合。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种碾轧复合选区激光熔化的增材制造工艺及设备。

背景技术

选区激光熔化(SLM)是最广泛应用的金属材料增材制造工艺。它将传统铸、锻等制造工艺转变为平面制造-累积叠加工艺，利用高能束激光使粉末逐层熔化以实现三维复杂零部件的直接制造。相比于其它的增材制造工艺，SLM技术有突出的优势。一方面，由于粉末处于静止状态，可起到辅助支撑作用，因此适合任意复杂形状金属零部件的制造；铺粉层厚最低可达到20μm左右，可加工毫米级至米级的零件。另一方面，该技术熔池尺寸较小，冷却速率可达10⁴-10⁶K/s，组织凝固速率比传统铸造工艺高一个数量级。快速凝固过程有利于细化材料微观组织，获得良好的力学性能。

尽管近年来SLM技术得到较大发展，但是其加工的零件依然存在孔隙率高、零件内部存在微裂纹的问题，影响了零件的综合力学性能以及理化性能。研究表明，影响孔隙率的因素很复杂，一方面是合金材料本身的影响，包括合金材料的成分、杂质以及材料内部的气孔等；一方面是SLM工艺参数的影响，包括激光能量密度、激光扫描方式、扫描速度、合金粉末颗粒大小、形状和分布、铺粉层厚、保护气氛、粉床温度、基板预热温度等。各影响因素相互作用，且不同的材料影响机制有所不同；还有一方面是SLM工艺本身的特点导致，每层沉积层表面不可避免的存在高低起伏，影响铺粉层厚度的均匀性，进而出现未熔合孔隙，甚至是层间分离。目前，但并没有能够囊括所有影响因素的孔隙成形机制及控制方法。为了降低孔隙率，只能通过大量的试验进行工艺优化，浪费大量财力、物力，且优化结果不能保证。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种碾轧复合选区激光熔化的增材制造工艺及设备，有效解决了传统SLM工艺孔隙率高的问题。

本发明提供一种碾轧复合选区激光熔化的增材制造工艺，包括如下步骤：

S1、将所需加工零件的三维模型导入工艺规划与切片软件，然后进行模型修复、添加支撑等模型前处理；然后设定工艺参数，包括铺粉参数、碾轧参数、激光参数和环境参数；所述碾轧参数包括碾轧速度、碾轧压下量和碾轧次数；最后进行切片处理，得到加工文件；

S2、成形平台移动至平台Z轴原点；将加工文件导入增材制造设备的工控机，由工控机中的控制软件读取加工文件，然后控制送粉装置、铺粉装置、激光系统、碾轧装置及成形平台协同运动。

优选的，所述协同运动的工作步骤如下：

①成形平台下降一个粉层厚度；

②送粉装置输送一定量的粉末至铺粉装置的粉仓中；

③铺粉装置水平运动，实现均匀铺粉；

④激光系统工作，打开激光束，按照加工文件中的扫描路径熔化粉层，形成沉积层；

⑤单层路径扫描结束后，激光束自动关闭；

⑥成形平台上升一个碾轧压下量；碾轧装置按照预设的碾轧速度和碾轧压下量进行水平运动，对沉积层进行碾轧；

⑦重复步骤⑥至预设的碾轧次数；

经过步骤①-⑦，完成零件单层的成形，而后不断重复①-⑦，实现逐层成形，直至完成整个零件的增材制造。