用于3D打印粗晶微区-超细晶微区排布的异质异构合金的方法与装置
用于3d打印粗晶微区-超细晶微区排布的异质异构合金的方法与装置
技术领域
1.本发明属于多材料增材制造技术领域，涉及一种用于3d打印粗晶微区-超细晶微区排布的异质异构合金的方法。
背景技术：
2.增材制造(additive manufacturing，am)是支撑机械与动力装备系统及复杂构件创新设计、制造和维修的重要技术手段。与传统减材、等材制造不同，增材制造是基于计算机三维模型数据，直接以逐点-逐线-逐面-逐层累积叠加的方式制造构件，能够直接、快速、准确、灵活地将三维模型转换为实体构件，因而，增材制造技术具有不受传统加工工艺限制的优势，为多功能新产品研制带来了颠覆性的突破和创新，尤其是在制造复杂零件方面有巨大的发展潜力，为多材料整体化成形提供了新途径。目前，以激光选区熔化(selective laser melting，slm)为代表的高精度金属材料构件增材制造技术已在航空航天、交通运输、动力工程、化工、核工业、医学等不同领域已经存在不同程度的应用。激光选区熔化增材制造由粉床选区激光烧结技术发展而来，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。激光选区熔化逐层累积成形的特点使之可以成形几乎任意复杂结构；精密的光路系统可以精确控制激光束在粉床表面运动；高速移动的高能量密度激光束能快速熔凝金属粉末获得细小晶粒。因此，相较于激光烧结、激光近净成形等3d打印技术，slm技术成形件具有更为优异的力学性能和成形精度。
3.实际上，基于slm增材制造开展功能型结构设计与直接成形研究，往往不可避免涉及多材料一体化结构思想，而多材料增材制造(multi-material additive manufacturing，mmam)技术即是利用现有的增材制造方法，为改善零部件的性能或实现零部件的多种特殊功能，对零部件的材料进行设计，使用多种具有优异性能的材料进行整体成形，从而达到多材料一体化功能型结构的设计目的。目前，国内外大多数slm增材制造设备与技术仅用于单一材料零部件的制造。虽然当前增材制造技术生产的零部件在品质和性能方面有一定优势，但仍无法满足一些特定工程需求，如对高性能、多功能材料和构件的使用要求。例如，新一代航天系统金属结构的发展趋向轻量化、功能一体化和智能化，多尺度结构与多材料融合的功能结构整体制造技术成为迫切需要。设计开发应用于航空航天和国防等领域的高性能、多功能、多材料构件，是目前多尺度结构和多材料一体化slm增材制造成形中最具挑战性的研究方向。本发明也正是为了提供一种多尺度结构和多材料一体化slm增材制造成形技术。
技术实现要素：
4.本发明的目的就是为了提供一种用于3d打印粗晶微区-超细晶微区排布的异质异构合金的方法，。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.本发明的技术方案之一提供了一种用于3d打印粗晶微区-超细晶微区排布的异质异构合金的方法，包括以下步骤：
7.(1)设计由金属粉末a和金属粉末b交错堆叠形成的微叠层构型，且金属粉末a与金属粉末b的材料组合满足：激光选区熔化时成型微叠层异质结构且材料相互兼容；
8.(2)使用送粉-落粉协同供粉方式铺设a、b两种粉末床，进行异种金属激光选区熔化增材制造：将金属粉末a铺粉完成后，进行激光选区熔化处理，得到第一叠层，然后，再铺设金属粉末b，继续进行激光选区熔化处理，得到第二叠层，如此循环，得到第一叠层与第二叠层交错堆叠的微叠层构型，即为目标产物异质异构合金。
9.进一步的，所述的金属粉末a为镍基合金gh3536球形粉末，gh3536合金成分如表1所示；所述的金属粉末b为高铜合金-铬锆铜合金粉末，其化学组成为99cu-0.9cr-0.1zr(即cu 99wt，cr 0.9wt％，zr 0.1wt％)。铜与镍金属相互间可以无限固溶且激光选区熔化时不会生成金属间化合物，添加适量改性合金元素则可以改善合金激光选区熔化成形性。
10.表1gh3536高温合金粉末成分
[0011][0012][0013]
更进一步的，镍基合金gh3536球形粉末的激光选区熔化工艺条件具体为：激光功率250w、扫描速度800mm/s、扫描间距60μm、采用67
°
倾斜分区扫描策略。
[0014]
更进一步的，高铜合金-铬锆铜合金粉末的激光选区熔化工艺条件具体为：激光功率250w、扫描速度600mm/s、扫描间距60μm、采用67
°
倾斜分区扫描策略。
[0015]
更进一步的，所述的镍基合金gh3536粉末与高铜合金-铬锆铜粉末均为气雾化制备球形粉末，球形率≥90％，粒径为15～53μm。
[0016]
进一步的，所述第一叠层与第二叠层分别由若干片层金属粉末a与金属粉末b连续打印而成。
[0017]
更进一步的，每片层金属粉末a或金属粉末b的厚度为20μm，所述第一叠层与第二叠层的厚度为100μm。
[0018]
进一步的，在微叠层构型的上下两端还设有由金属粉末a激光选区熔化成型得到的异质异构合金顶部和底部。
[0019]
进一步的，a、b异种金属粉末床的铺设需要送粉-落粉协同供粉装置完成，所述供粉装置由送粉缸、落粉盒及各自对应驱动机构组成，具体结构如图1所示。
[0020]
更进一步的，所述送粉-落粉协同供粉装置包括可上下升降的成形舱、位于成形舱右侧且可上下升降的送粉缸、以及位于成形舱上方且可左右移动的落粉盒，所述落粉盒底部的粉盒槽口左侧还设有铺粉刮刀，在送粉缸的右侧还设有积粉室，所述的成形舱上还设有成形基板。送粉缸、成形舱与落粉盒分别在对应的丝杠机构的作用下实现上下升降与左右往复移动，
[0021]
具体工作时，送粉缸布置在成形舱右侧，可在底部的丝杠机构驱动下进行上下往复运动，进行送粉供粉时，所述送粉缸每次动作上升指定距离，铺粉刮刀自右向左运动将缸内装填的粉末a铺到成形基板上。落粉盒与铺粉刮刀一同布置在成形舱上方，可由两侧皮带轮等机构驱动进行左右往复运动，所述落粉盒底部设有粉盒槽口与挡板，可在微型电机驱
动下启闭。切换至落粉供粉时，所述落粉盒与刮刀一起自右向左移动，在设定位置处停止并开启底部的粉盒槽口，待内部装填粉末b落下后关闭粉盒槽口继续向左移动，刮刀将b粉末铺设到成形基板上。具体的，所述粉盒槽口启闭由微型电机控制，并可通过装置驱动软件设置开启时间与槽口宽度。另外，铺设金属粉末a镍基合金gh3536时，所述送粉缸上升指定距离为两倍层厚，40μm；铺设金属粉末b高铜合金-铬锆铜时，所述落粉盒停留位置为成形基板最右侧，底部槽口开启时间为2s，宽度为1mm。
[0022]
进一步的，金属粉末a和金属粉末b在3d打印前，还先置于真空干燥箱内，在130℃下真空干燥12h。进一步的，激光选区熔化制造过程需要在惰性气体保护气氛中进行以避免氧化的影响。具体是指采用氮气为保护气体，惰性气氛中氧含量控制在0.1vol％以下。
[0023]
与现有技术相比，本发明通过构型设计、材料选取与优选工艺，可以制备出粗晶微区-超细晶微区人工排布的异质异构合金，其组织特征为：镍基合金呈柱状粗晶沿构建方向生长(building direction，bd)，平均粒径为150μm；高铜合金呈现为无序超细晶状态，平均粒径低于1μm。粗晶微曲与超细晶微曲交替堆叠形成叠层结构，也即实现了一种人工排布的异质异构合金，所得镍基合金与高铜合金其多尺度复相的协调变形能力使构件强-韧-塑性能均衡提升，既保留了镍基合金的高强度，也具备铜合金优良的导电性能。
[0024]
本发明还提供了一种多材料激光选区熔化增材制造方法，尤其针对3d打印人工排布的异质异构合金提供了一种激光选区熔化增材制造方法与装置，为异质异构合金设计提供了新的思路，为增材制造新一代构型化金属基复合材料的工程应用、发展多材料结构功能一体化激光增材制造新理论奠定重要基础。
附图说明
[0025]
图1为本发明提供的多材料将光选区熔化增材制造装置的结构示意图；
[0026]
图2为本发明提供的微叠层构型示意图(左)与应用叠层构型的拉伸试样结构示意图(右)；
[0027]
图3为激光束扫描方式示意图；
[0028]
图4为本发明实施例1成形件微观组织ebsd图。
[0029]
图中各标号说明：
[0030]
1-落粉盒，2-振镜组件，3-粉盒槽口，4-铺粉刮刀，5-槽口丝杠，6-成形舱，7-送粉缸，8-集粉室，9-成形丝杠，10-送粉丝杠。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0032]
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
[0033]
实施例1：
[0034]
(1)构建零件模型：
[0035]
使用三维建模软件构建图2所示拉伸试样模型，由三部分组成：底部与顶部设定为
单材料镍基合金gh3536，中间拉伸段为叠层构型，设定材料为高铜合金与镍基合金交错堆叠。其中拉伸试样底部凸出0.4mm矩形部分是为线切割留出余量。将模型导入分层切片软件，按照设定的层厚对试样模型进行分层切片，提取每一层片内的分布情况及边界等信息，生成指导激光选区熔化成形粉末铺设、激光扫描过程中区域划分等动作的控制文件。
[0036]
(2)增材制造成形前处理：
[0037]
①
将经过真空干燥12小时的镍基合金gh3536粉末与铬锆铜合金粉末分别装填于送粉缸7、落粉盒1内；
②
调平铺粉刮刀4与成形基板，使刮刀底面与基板相距一个层厚的距离。采用送粉缸7供粉的方式预铺一个层厚的gh3536粉末于基板上，粉末床均匀一致无凹凸；
③
将步骤(1)生成的控制文件导入激光选区熔化装置驱动软件，识别模型材料分布，设置各分区激光工艺参数与扫描路径；
④
封闭装置充入氮气，使氧含量低于0.1vol％以避免成形过程中金属粉末的氧化。
[0038]
(3)激光选区熔化制造成形：
[0039]
①
结合图3，激光以gh3536粉末设定的工艺参数，即激光功率250w，扫面速度800mm/s，扫描间距60μm，67
°
倾斜分区扫描策略扫描步骤(2)预铺在成形基板上的单层gh3536粉末两次，即单层制造试样切片的第一层。一方面预热基板降低温度梯度，一方面加强基板与粉末床的熔合连接，以避免试样成形产生翘曲。
[0040]
②
送粉缸7供粉制造成形试样底部：送粉丝杠10带动送粉缸7上升两倍层厚的距离40μm，铺粉刮刀4从送粉缸7右侧自右向左运动将高于成形舱6的粉均匀铺在成形基板上后返回原位。多余粉末则收集进两侧集粉室8内等待回收。激光束按装置驱动软件与控制文件设定参数采用67
°
倾斜分区扫描(即路径可由位于成形舱6上方的振镜组件2调节)的方式对零件模型的切片实体区域进行扫描熔化凝固成形基板上部分gh3536合金粉末，得到试样第一成形层，其中激光工艺参数包括：激光功率250w，扫面速度800mm/s，扫描间距60μm。成形丝杠9带动成形基板下降一个层厚的距离20μm，同时送粉缸7再次上升40μm，开始下一层粉末增材制造。依此循环，直至完成拉伸试样底部的成形制造。
[0041]
③
送粉缸7-落粉盒1协同供粉成形试样拉伸段：装置切换供粉方式为送粉-落粉协同供粉。第一叠层为gh3536合金材料，采用送粉缸7供粉的方式，步骤同上：送粉缸7上升40微米，铺粉刮刀4自送粉缸7右侧开始往复运动一次完成铺粉，激光扫描切片区域，成形基板下降20μm。依此循环五次，完成第一叠层成形制造。装置驱动软件自行切换为落粉盒1供粉开始第二叠层成形制造：成形室上方皮带轮带动落粉盒1与铺粉刮刀4一起自右向左运动至成形基板最右侧，停止运行。固定在落粉盒1上方的微型电机开始动作，通过槽口丝杠5打开落粉盒1底部的粉盒槽口3，其内部装填的铬锆铜合金粉末落下至成形基板上。具体的，落粉槽口打开宽度1mm，持续时间2s。电机反向运动关闭粉盒槽口3停止落粉，皮带轮再次启动带动铺粉刮刀4继续向左运动将粉末均匀铺在成形基板上，多余粉末被刮至集粉舱，其后铺粉刮刀4退回最右侧原位。激光系统开始运作，扫描熔凝粉末床切片实体区域。其中适用于铬锆铜合金粉末激光工艺参数包括：激光功率250w，扫面速度600mm/s，扫描间距60μm。成形基板下降一个层厚的距离20微米，完成第一层铬锆铜的激光选区熔化。依此循环五次则完成第二叠层铬锆铜材料的成形制造。再次切换回送粉缸7供粉方式进行gh3536合金粉末的激光选区熔化增材制造，开始下一轮循环直至拉伸段全部叠层完成成形。
[0042]
④
送粉缸7供粉成形拉伸式样顶部：装置驱动软件切换为单送粉缸7供粉方式，重
复步骤
②
步骤进行gh3536合金粉末的激光选熔化成形制造。
[0043]
(5)表征与测试：
[0044]
①
图4展示了步骤(4)制造成形的微叠层试样ebsd图谱，粗晶微区-超细晶微区按所设计叠层结构交替分布，实现人工排布的异质异构合金的增材制造。
[0045]
②
对应用微叠层结构拉伸试样进行拉伸性能测试。测得所成形异质合金最高抗拉强度为295mpa，断后延伸率为20％。相较于激光选区熔化制造的铬锆铜合金(抗拉强度238mpa)提高了24％，并保持了优良的塑性，达到突破金属材料结构强度-塑/韧性倒置关系的目的。
[0046]
③
对成形的微叠层结构试样进行导电性能测试。测得所成形异质合金电阻率为1.13
×
10-6
ω
·
m，相较于3d打印的镍基合金-gh3536电阻率4.35
×
10-6
ω
·
m，高铜合金-铬锆铜电阻率4.97
×
10-7
ω
·
m，仍保持了优良的导电性能。
[0047]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
