一种层间激光改性的激光选区熔化成型梯度材料的方法与流程

本发明涉及激光选区熔化成型领域，尤其涉及一种层间激光改性的激光选区熔化成型梯度材料的方法。

背景技术：

传统的激光改性技术主要针对零件的表面进行性质的改变，从而获得满足一定要求的零部件，虽然能够满足部分工业需求，但是由于其仅仅改变了零件表面很薄的一层材料性质而无法改变零件内部材料性质，所以应用范围受到严重限制。

激光选区熔化(slm)成形技术是一种增材制造技术，是快速成型技术的最新发展技术。该技术基于离散材料逐层堆积成型原理，依据三维设计软件设计的数字化零件的三维数据，采用高能激光束对原材料粉末逐点、逐线、逐层熔化直接制造出功能零件。目前slm技术多用于成型整体性能相同的零件，没有能够直接成型出具有性能梯度性质的零件，而且存在少量的空洞、微裂纹以及表面凸起等缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种层间激光改性的激光选区熔化成型梯度材料的方法。解决激光选区熔化过程中存在的空洞、微裂纹以及表面凸起等缺陷，实现使用单种材料进行激光选区熔化成型时获得具有不同性能梯度的零件。

本发明通过下述技术方案实现：

一种层间激光改性的激光选区熔化成型梯度材料的方法，

步骤一：根据零件属性要求，对数字化三维模型进行切片和路径处理，以获取进行激光选区熔化成型数据和激光改性数据，然后导入激光选区熔化成型与激光表面改性系统中；该激光选区熔化成型与激光表面改性系统包括激光选区熔化成型模式、激光改性模式；

步骤二：首先，在激光选区熔化成型模式下，根据零件的激光选区熔化成型数据，在密封成型室内的成型基板上，通过激光束成型预定层数的实体，以完成该层实体的激光选区熔化成型作业；

步骤三：完成步骤二所述该层实体的激光选区熔化成型作业后，切换至激光改性模式，根据激光改性数据所设定的改性区域，对步骤二激光选区熔化成型的实体表面，通过激光束进行区域选择性激光改性处理，以完成该层实体改性区域作业；

步骤四：完成步骤三中该层实体的激光改性区域作业后，再切换至激光选区熔化成型模式继续进行下一个预定层数的实体成型；

步骤五：重复步骤二至步骤四，直到完成整个零件的加工作业，获得集多种性能于一体的梯度功能零件。

步骤一所述激光改性数据包括：该层实体整个成型表面的全区域改性数据和该层实体成型表面的局部区域改性数据。

步骤三所述区域选择性激光改性处理包括：该层实体整个成型表面的全区域改性和该层实体成型表面的局部区域改性；

所述全区域改性，是根据全区域改性数据，对该层实体在垂直方向的整个实体表面，进行全覆盖激光改性，即层间梯度改性；完成该层间梯度改性作业后，再切换至激光选区熔化成型模式继续进行下一个预定层数的实体成型；以此循环切换作业，直至获得具有垂直梯度性能的梯度功能零件；

所述局部区域改性，是根据局部区域改性数据，在该层已成型的实体表面，沿水平方向所选定的局部区域，进行局部区域激光改性，即层内梯度改性；完成该层内梯度改性作业后，再切换至激光选区熔化成型模式继续进行下一个预定层数的实体成型；以此循环切换作业，直至获得具有水平梯度性能的梯度功能零件。

所述预定层数是指一层或者一层以上；其中，每层的层厚为20μm-50μm。

在步骤一激光选区熔化成型模式中，采用的激光束扫描方式为正交层错扫描；在激光改性模式中，采用的激光束扫描方式为层错扫描。

激光选区熔化成型模式中设定参数为：激光功率190w，扫描速度500mm/s，扫描间距0.08mm，铺粉层厚0.035mm；

激光改性模式中设定参数为：激光功率100-190w，扫描速度300-600mm/s，扫描间距0.06-0.1mm。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1、将激光改性技术与激光选区熔化技术结合在一起，通过对成型若干层后的实体表面进行激光改性的方式，改变激光扫描区域的微观组织和力学性能，以此循环获得具有不同性能梯度的零件。

2、不同区域位置的组织和性能的变化可以通过修改激光改性工艺时的激光功率、扫描速度、扫描间距以及设定的改性层数来实现，因此具有极大的灵活性，可以通过工艺的自由组合来获得具有复杂性能梯度的零件。

3、由于激光改性过程中对已成型层的实体进行加热，因此可以消除层内的空洞、微应力以及表面凸起等缺陷，从而调高零件的致密度和表面质量。

4、通过激光选区熔化成型模式与激光改性模式之间的切换作业，从而既可实现层与层之间梯度变化，又可实现层内不同区域的梯度变化。根据激光改性模式中设定的的工艺参数不同，可获得退火组织、淬火组织、回火组织等具有不同性能的组织结构。

附图说明

图1是本发明层间激光改性的激光选区熔化成型梯度材料的方法流程示意图。

图2是水平方向的层内梯度成型过程示意图。

图3是图2中已成型的层内梯度零件截面示意图。

图4是激光选区熔化成型模式下完成的实体层。

图5是图4所示实体层在垂直方向的层间梯度成型过程示意图。

图6是图4所示已成型的层间梯度零件截面示意图。

图7是对激光选区熔化成型模式下完成的实体层进行外轮廓改性示意图。

图8是图7已成型的外轮廓改性后梯度零件截面示意图。

图中：密封成型室1；扫描振镜2；激光束3；改性区域4；成型基板5。

图中：a代表激光选区熔化成型模式下，形成的实体层。

具体实施方式

slm技术的典型特点是分层叠加制造，每层的厚度为20-50μm，这为在微米级范围内改变零件的性质提供了可能。将激光表面改性技术改变表层材料性能的特点与激光选区熔化技术微米级分层叠加制造的特点结合起来，通过改变两者的工艺参数可以获得将不同性能聚集到一体的新型梯度材料。而随着科技的发展，复杂的环境对功能零件的要求越来越高，为了实现具有特殊功能、特殊要求的金属零件slm打印，基于层间激光改性技术的激光选区熔化成型梯度材料的装置和方法必将会带来新的创新与突破。激光改性，实际上是对已经获得的具有一定厚度实体的表面在进行激光处理。

下面结合附图1-8对本发明作进一步详细描述。

本发明公开了一种层间激光改性的激光选区熔化成型梯度材料的方法。密封成型室1为成型过程提供无氧环境；扫描振镜2用于控制激光束3进行激光选区熔化成型过程与激光改性过程的切换；成型基板5为成型零件实体的基台。

在实施过程中，需在计算机的辅助下根据零件的实际使用要求，通过如下步骤实现：

步骤一：根据零件属性要求，对数字化三维模型进行切片和路径处理，以获取进行激光选区熔化成型数据和激光改性数据，然后导入激光选区熔化成型与激光表面改性系统中；该激光选区熔化成型与激光表面改性系统包括激光选区熔化成型模式、激光改性模式；

步骤二：首先，在激光选区熔化成型模式下，根据零件的激光选区熔化成型数据，在密封成型室内的成型基板上，通过激光束成型预定层数的实体，以完成该层实体的激光选区熔化成型作业；

步骤三：完成步骤二所述该层实体的激光选区熔化成型作业后，切换至激光改性模式，根据激光改性数据所设定的改性区域，对步骤二激光选区熔化成型的实体表面，通过激光束进行区域选择性激光改性处理，以完成该层实体改性区域作业；

步骤四：完成步骤三中该层实体的激光改性区域作业后，再切换至激光选区熔化成型模式继续进行下一个预定层数的实体成型；

步骤五：重复步骤二至步骤四，直到完成整个零件的加工作业，获得集多种性能于一体的梯度功能零件。

步骤一所述激光改性数据包括：该层实体整个成型表面的全区域改性数据和该层实体成型表面的局部区域改性数据。

步骤三所述区域选择性激光改性处理包括：该层实体整个成型表面的全区域改性和该层实体成型表面的局部区域改性；

所述全区域改性，是根据全区域改性数据，对该层实体在垂直方向的整个实体表面，进行全覆盖激光改性，即层间梯度改性；完成该层间梯度改性作业后，再切换至激光选区熔化成型模式继续进行下一个预定层数的实体成型；以此循环切换作业，直至获得具有垂直梯度性能的梯度功能零件；

所述局部区域改性，是根据局部区域改性数据，在该层已成型的实体表面，沿水平方向所选定的局部区域，进行局部区域激光改性，即层内梯度改性；完成该层内梯度改性作业后，再切换至激光选区熔化成型模式继续进行下一个预定层数的实体成型；以此循环切换作业，直至获得具有水平梯度性能的梯度功能零件。

通过激光选区熔化成型模式与激光改性模式之间的切换作业，从而既可实现层与层之间梯度变化，又可实现层内不同区域的梯度变化。

所述预定层数是指一层或者一层以上；其中，每层的层厚为20μm-50μm。具体层厚可根据零件实际成型精度、粉末粒径等因素选择。预定层数需要根据零件的设计要求而定。比如根据零件的设计要求，完成第一层实体后在这层实体上进行区域改性，或者完成两层实体后，仅在最上层(第二层)这层实体上进行区域改性，以此类推。

在步骤一激光选区熔化成型模式中，采用的激光束扫描方式为正交层错扫描；在激光改性模式中，采用的激光束扫描方式为层错扫描。

激光选区熔化成型模式中设定参数为：激光功率190w，扫描速度500mm/s，扫描间距0.08mm，铺粉层厚0.035mm；

激光改性模式中设定参数为：激光功率100-190w，扫描速度300-600mm/s，扫描间距0.06-0.1mm。由此可见，根据激光改性模式中设定的的工艺参数不同，可获得退火组织、淬火组织、回火组织等具有不同性能的组织结构。

本发明激光改性，可以是该层整体表面的改性(如图5)、该层任意位置的局部表面改性(如图2)，以及该层的外轮廓表面改性(如图7)；从而获得内部和外部具有不同性能的梯度三维零件。

如上所述，本发明将激光表面改性工艺与激光选区熔化工艺进行有机整合，通过每激光选区熔化成型一定层数后，激光束重新扫描已成型零件进行激光改性的方式，来改变零件不同区域的微观组织和性能，从而获得具有不同性能梯度的高性能零件。同时经过激光束的重新扫描，可以消除层内的空洞、微裂纹、表面凸起等缺陷，提高成型件的致密度和表面质量。零件组织和性能的变化可以通过调整设定的层数、激光重扫描功率、激光束扫描速度和激光束扫描间距的方式实现。因此，本发明在提高成型零件致密度的同时，实现了多性能梯度材料的激光选区熔化技术直接成型，对推动工业技术的发展起到重大作用。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。