金属增材制造方法及增材制造材料与流程

本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种金属增材制造方法，另外本发明还涉及一种金属增材制造材料。

背景技术：

增材制造俗称3d打印，是以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。增材制造技术解决了许多复杂结构零件成形难的问题，并能够减少加工工序，缩短加工周期，因而受到广泛关注。

金属增材制造就是采用金属材料进行逐层堆积，以制造出金属构件的高自动化加工方法，通过金属增材制造技术成型的金属构件越来越多的应用于航空航天、海洋船舶，医疗设备领域。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有金属增材制造工艺至少存在以下缺陷：

通过金属增材制造方法制造金属构件时，金属构件的每层都是由金属丝或粉末原料沉积形成，在沉积过程中金属丝或粉末原料会依次经历加热，熔化，固化和冷却四个阶段；最新的沉积层在整个构件中通常最后完成冷却，当其从材料的熔点冷却下来时，新沉积的区域会收缩，从而在构件的不同区域产生不均匀的膨胀和收缩，进而导致金属构件内部形成拉伸残余应力和变形，在后续使用中，产生的拉伸残余应力和变形都可能损害结构完整性和加速金属构件的失效。

技术实现要素：

基于上述背景问题，本发明旨在提供一种金属增材制造方法，使用在冷却过程中具有体积膨胀特性的金属增材制造材料来制造金属构件，可以减小拉伸残余应力，并且能够控制金属构件中的变形，从而使制造出的金属构件具有更长的使用寿命；本发明的另一目的是提供一种金属增材制造材料。

为达到上述目的，一方面，本发明实施例提供的技术方案是：

金属增材制造方法，采用在冷却过程中具有体积膨胀特性的金属增材制造材料进行增材制造，以减小增材制造过程中产生的拉伸残余应力或/和变形。

在一个实施例中，在单层沉积时，将金属增材制造材料熔覆到金属构件表面，以形成防护层，使其在被保护金属构件表面产生残余压应力或低残余拉应力。

在一个实施例中，在多层沉积时，以金属增材制造材料为原料，采用逐层堆积的方式直接制造出金属构件。

另一方面，本发明实施例提供一种金属增材制造材料，所述金属增材制造材料在冷却过程中具有体积膨胀特性。

在一个实施例中，所述金属增材制造材料在同素异形相变中具有体积膨胀特性。

优选地，所述金属增材制造材料的相变起始温度范围为25-800℃。

更优选地，所述金属增材制造材料的相变起始温度范围为25-300℃。

在一个实施例中，所述金属增材制造材料选自铁基材料、镍基材料、铝基材料、钛基材料中的一种。

优选地，所述金属增材制造材料为铁基材料，且所述金属增材制造材料为马氏体钢。

更优选地，所述马氏体钢包括以下百分比的组分：

ni6-20％、cr5-16％、mn<20％、cu<10％、mo0-2％、si<2％、c<0.4、余量为fe。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下效果：

1、本发明使用在冷却过程中具有体积膨胀特性的金属增材制造材料来制造金属构件，可以减小拉伸残余应力，甚至在金属构件中产生压缩残余应力，并且能够控制金属构件中的变形，从而使制造出的金属构件具有更长的使用寿命。

2、本发明的金属增材制造材料在冷却时具有体积膨胀特性，作为增材制造的原料，可以抑制金属构件中高残余拉伸应力的形成，另外具有体积膨胀特性的增材制造材料对冷却后产生的变形具有自我矫正的作用，从而可以减少金属构件的变形。

3、本发明的金属增材制造材料可以单层或多层沉积，在单层沉积中，将金属增材制造材料熔覆到有特殊应用要求(如抗腐蚀，耐疲劳等)的金属构件表面，从而形成防护层，使其在被保护金属构件表面产生残余压应力从而获得应用要求；多层沉积时，即直接采用本发明的金属增材制造材料为原料，以逐层堆积的方式直接制造出金属构件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例1中金属增材制造材料的膨胀曲线；

图2为本发明实施例1中马氏体钢焊丝在母材板上单道沉积后的母材的变形图；

图3为本发明实施例1中传统马氏体钢焊丝在母材板上单道沉积后的母材的变形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于金属增材制造过程中不同区域的不均匀热膨胀和收缩，会在金属构件中会产生残余应力和变形。最新的沉积层在整个金属构件中通常最后完成冷却，当其从材料的熔点冷却下来时，新沉积的区域会收缩，正是这种冷却收缩导致新沉积层中产生较高的拉伸残余应力甚至可以达到或超过材料的屈服强度；另外，由于发生塑性形变(拉伸残余应力大于屈服强度)，金属构件也将会发生某些变形。

为此，本发明采用在冷却过程中具有体积膨胀特性的金属增材制造材料来制造金属构件，可以减小拉伸残余应力，甚至在金属构件中产生压缩残余应力，并且能够控制金属构件中的变形，从而使制造出的金属构件具有更长的使用寿命。

接下来通过具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

本实施例提供一种金属增材制造材料，所述金属增材制造材料在冷却过程中具有体积膨胀特性。具体的，本实施例的金属增材制造材料为马氏体钢，包括以下百分比的组分：ni6-20％、cr5-16％、mn<20％、cu<10％、mo0-2％、si<2％、c<0.4、余量为fe。

本实施例的马氏体钢在同素异形相变中具有体积膨胀特性，其膨胀曲线如图1所示，图1中的膨胀曲线是通过膨胀法测得的。

从图1可以看出，马氏体相变起始温度范围为25-800℃，马氏体转变在接近220℃(马氏体转变开始温度，ms)开始，到50℃左右时体积膨胀达到最大值，意味着冷却到此温度下对拉伸残余应力的抵消效果最好。

本实施例的金属增材制造材料的形态为焊丝，焊接时接电极，熔化后沉积到基板上。具体的，本实施例的金属增材制造材料可用于单层或多层沉积。在单层沉积中，通常将本实施例的金属增材制造材料熔覆到有特殊应用要求(如抗腐蚀，耐疲劳等)的金属构件表面，从而形成防护层，使其在被保护金属构件表面产生残余压应力从而获得应用要求。但在沉积过程中，要注意沉积相邻沉积层之间的时间间隔以使相邻沉积层得到足够的冷却，避免过热所造成的较大热应力和变形。

在多层沉积中，直接以本实施例的金属增材制造材料为原料，然后以逐层堆积的方式直接制造成金属构件。

为了验证本实施例的金属增材制造材料的效果，将本实施例的马氏体钢焊丝与传统马氏体钢焊丝的单道沉积过程进行研究，图2和图3分别是本实施例的马氏体钢焊丝和传统马氏体钢焊丝在母材板上单道沉积后的母材板的变形图，具体采用ncorr分析软件测量得到，分析软件原理为数字图像处理技术(digitalimagecorrelation)，图2和图3中纵坐标为母材板的位置，纵坐标上的差值代表母材板的变形量。

对比图2和图3可以看出，本实施例马氏体钢焊丝单道沉积后，母材板的变形量为1mm左右，而传统马氏体钢焊丝单道沉积后，母材板的变形量为2mm左右，即本实施例马氏体钢焊丝单道沉积对母材板的变形更小，通过此现象可以预测，多道沉积的增材过程会将此增益效果累积，从而对残余拉应力和变形的缓解有更显著的作用。

需要说明的是，金属增材制造材料并不局限于很实施例的铁基马氏体钢，在其他实施例中，金属增材制造材料还可以是镍基材料、铝基材料或钛基材料；另外所述金属增材制造材料的形态也不局限于焊丝，其还可以是金属丝或金属粉末。

实施例2

为了减小增材制造过程中产生的拉伸残余应力或/和变形，本实施例提供一种金属增材制造方法，本实施例选用在冷却过程中具有体积膨胀特性的材料进行增材制造，具体的，本实施例选用马氏体钢进行增材制造。

马氏体钢在冷却过程中，高温奥氏体会转变为低温相，例如铁素体，贝氏体，马氏体，或铁素体、贝氏体、马氏体这些低温相在钢中的混合物，并导致体积膨胀，体积膨胀可以抵消高拉伸残余应力和变形；抵消高拉伸残余应力和变形的有效性取决于体积膨胀的程度和发生同素异形相变的温度范围，马氏体的形成，尤其是在接近或高于环境温度(或增材制造构件的预期使用温度)时，用来抵消高拉伸残余应力和变形是最有效的。

虽然金属增材制造材料的使用可以极大的降低金属构件内的拉伸残余应力，但由于逐层堆积的增材制造方式存在拉伸残余应力的积累效应，因此在打印每层时的拉伸残余应力仍需要得到进一步严格控制。为此，应尽可能选用小的热输入进行加工，在相同热输入下选用相对慢的速度进行沉积，从而控制因冷却速度过大造成的残余应力。针对本实施例的马氏体钢而言，在沉积完每层后进行充分的冷却至50℃左右，从而保证在沉积下一层的时候的热量(热应力)不会过大。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。