一种高强铝合金构件激光选区熔化过程中裂纹控制方法

摘要

本发明一种高强铝合金构件激光选区熔化过程中裂纹控制方法，S1、在激光选区熔化成形前，对原材料进行烘干；S2、将数模转化格式导入软件，切片厚度按最小层厚0.01mm分层，保持原始三维坐标不变，连续导入2‑3次切片文件；S3、采用时间优化填充方式，连续扫描完成局部区域后烧结下一局部区域，采用棋盘格激光烧结的扫描策略，采取优先烧结靠近吸风口部位的方式，每烧结一层结束，再次铺粉后整个激光烧结面旋转角度67°；S4、每一层打印图样采用2‑3种不同工艺参数烧结成型，逐层分别烧结2‑3次；S5、对打印成型后的构件进行热处理。本发明通过该优化的成形工艺设置，可制备高品质无裂纹高强铝合金构件。

说明书

技术领域

本发明涉及激光选区熔化领域，特别是涉及高强铝合金构件激光选区熔化过程中裂纹控制方法。

背景技术

随着航空航天军工装备的飞速发展，对新材料、新工艺的开发提出更高要求。作为金属3D打印的重要材料之一，铝合金由于密度轻、弹性好、比刚度和比强度高等一系列优良特性，一直被认为是“朝阳材料”。它在军工、航空航天、汽车制造等领域已被广泛应用且具有很好的发展前景，与3D打印的结合更是使其迸发出新的活力。激光选区熔化技术是3D打印领域中应用前景最广泛的一种加工工艺。该技术不需要使用其他辅助设备，仅通过激光选区熔化设备即可直接成形。解决了传统制备工艺，良品率低且生产周期长，工序繁琐等问题。

相比钛合金、铁基、镍基合金，铝合金的3D打印研究和应用在近十年来获得较快的发展。目前，3D打印用铝合金的拉伸强度已超过540MPa，屈服强度达520MPa以上。随着抗拉强度不断提高，内应力不断加大，在激光选区熔化成形过程中，材料内部易生成裂纹。在高强铝合金构件生产时，若内部存在裂纹则导致疲劳性能严重降低，使用该类零部件存在安全隐患。因此，解决高强铝合金3D打印过程中出现的裂纹问题是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强铝合金构件激光选区熔化过程中裂纹控制方法，从工艺优化角度出发，制备高品质无裂纹高强铝合金构件。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种高强铝合金构件激光选区熔化过程中裂纹控制方法，包括以下步骤：

S1、材料准备：在激光选区熔化成形前，对原材料进行烘干，降低粉末内部水分含量；

S2、模型处理：在UG NX软件中将数模转化成STL格式，然后导入到Magics软件中，做后续文件修复、摆放、加支撑、切片数据处理，切片厚度按最小层厚0.01mm分层，导入参数编辑软件时，保持原始三维坐标不变，连续导入2-3次切片文件；

S3、激光扫描策略设置：采用时间优化填充方式，连续扫描完成局部区域后烧结下一局部区域，采用棋盘格激光烧结的扫描策略，采取优先烧结靠近吸风口部位的方式，每烧结一层结束，再次铺粉后整个激光烧结面旋转角度67°；

S4、工艺参数设置：每一层打印图样采用2-3种不同工艺参数烧结成型，逐层分别烧结2-3次；

S5、热处理：对打印成型后的构件进行热处理。

进一步的，所述S1中粉末在真空环境中，升温至60-80℃，保温6-12小时。

进一步的，所述S4每一层设置3种不同工艺参数，当烧结某一层打印图样时，

a)首先采用A类工艺参数，激光功率100-400W，扫描速度为1500-7000mm/s；

b)对该层进行B类工艺参数烧结，激光功率350-500W，扫描速度为1200-1700mm/s；

c)进行C类工艺参数烧结，激光功率100-300W，扫描速度为2000-4000mm/s。

进一步的，所述S5热处理温度300-360℃，保温3-9小时，空气冷却。

与现有技术相比，本发明高强铝合金构件激光选区熔化过程中裂纹控制方法的有益效果是：通过该优化的成形工艺设置，可制备高品质无裂纹高强铝合金构件。每一层经过3类工艺参数烧结，虽然成形效率有所降低，但对于航空航天关键零部件提供了一种高强铝合金构件激光选区熔化成形无裂纹的优化工艺方案。

附图说明

图1为每一层打印图样采用3种不同工艺参数烧结成型的工艺流程图。

具体实施方式

一种高强铝合金构件激光选区熔化过程中裂纹控制方法，包括以下步骤：

S1、材料准备：在激光选区熔化成形前，对原材料进行烘干，降低粉末内部水分含量，粉末在真空环境中，升温至60-80℃，保温6-12小时。粉末内部水分含量过高会增加O元素、H元素杂质比例，O元素、H元素含量过高会加剧高强铝合金材料内部裂纹产生风险。

S2、模型处理：在UG NX软件中将数模转化成STL格式，然后导入到Magics软件中，做后续文件修复、摆放、加支撑、切片等数据处理。值得注意的是，切片厚度按最小层厚0.01mm分层，导入参数编辑软件时，保持原始三维坐标不变，连续导入2-3次切片文件，以便后续激光选区熔化成形时，每一层打印图样可以采用2-3种不同工艺参数烧结成型。

S3、激光扫描策略设置：构件打印成形时为提高打印成形效率，降低激光束空走路程，因此采用时间优化填充方式，连续扫描完成局部区域后烧结下一局部区域，采用棋盘格激光烧结的扫描策略，可有效降低内应力，有利于控制裂纹的产生。激光烧结时，溅射的金属蒸汽冷凝物会沿着风向落于平整的金属粉床上，采取优先烧结靠近吸风口部位的方式，可避免将金属冷凝物再次熔化造成零件内部熔合不良的现象。每烧结一层结束，再次铺粉后整个激光烧结面旋转角度67°，尽可能避免上下烧结层完全重叠，降低各向异性，一定程度上也有利于控制裂纹的产生。

S4、工艺参数设置：在模型处理阶段时，切片文件导入参数编辑软件，保持原始三维坐标不变，连续导入2-3次切片文件，因此，每一层打印图样可以采用2-3种不同工艺参数烧结成型，逐层分别烧结2-3次。

以每一层设置3种不同工艺参数为例，当烧结某一层打印图样时，

a)首先采用A类工艺参数，该类工艺参数特点为激光扫描速度快且能量密度小，目的是将该层粉末轻微烧结固定于原有位置，激光功率100-400W，扫描速度为1500-7000mm/s；

b)对该层进行B类工艺参数烧结，该类工艺参数特点是激光功率大且能量密度高，目的是将该层烧结为内部致密的实体，激光功率350-500W，扫描速度为1200-1700mm/s。因A类工艺参数已将粉末固定于原有位置，烧结B类工艺参数时，多道熔池不会聚集；

c)进行C类工艺参数烧结，该类工艺参数特点为激光扫描速度快且能量密度小，目的是将该层进行快速热处理，释放材料内部应力，起到降低裂纹产生的效果，激光功率100-300W，扫描速度为2000-4000mm/s。进行该类工艺参数烧结，可避免因B类参数烧结后，温度下降过快导致的内部裂纹产生。

S5、热处理：对打印成型后的构件进行热处理，温度300-360℃，保温3-9小时，空气冷却。

本发明通过该优化的成形工艺设置，可制备高品质无裂纹高强铝合金构件。每一层经过3类工艺参数烧结，虽然成形效率有所降低，但对于航空航天关键零部件提供了一种高强铝合金构件激光选区熔化成形无裂纹的优化工艺方案。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。