一种低成本高速选区激光熔化钛合金成形方法

本发明涉及一种低成本高速选区激光熔化钛合金成形方法，属于增材制造与先进制造领域。

背景技术：

1、选区激光熔化是将实体的数字模型切片离散化后，按照离散后的扫描路径控制聚焦激光束逐点逐层扫描粉层、熔化凝固堆积成形实体的近净成形方法。这一方法能够熔化金属粉末，获得致密度和尺寸精度高、表面质量好、性能优良的成形件，是增材制造和先进制造领域最具潜力和应用最广的发展方向。

2、选区激光熔化存在的主要问题是成形效率过低。目前，选区激光熔化成形时通常设置粉层层厚在20～80μm，使用光斑直径100μm左右的激光，扫描速度一般在1000mm/s左右，扫描间距在0.06mm～0.12mm之间。其成形效率仅为3cm3/小时～10cm3/小时，严重影响了选区激光熔化的进一步应用。

3、目前，选区激光熔化成形过程中，激光器一般使用1064nm光纤激光器，功率不超过500w，成形时形成热传导熔池，提高选区激光熔化成形效率通常通过增加激光器数量实现，例如中国发明专利申请cn201811416721.5公开了一种双光束选区激光熔化增材制造方法，通过双激光光束协同作用提高选区激光熔化的成形效率；中国发明专利申请cn201911287875.3公开了一种高精度、高效率的双光束复合激光选区熔化成形方法及装置，使用两台激光束分时出光或同时出光，提高成形效率；中国发明专利申请cn202310131011.2公开了一种大幅面高效率高精度激光选区熔化成形设备与方法，设备使用多个激光加工单元，每个激光加工单元均能够同时采用多组千瓦级高功率激光/百瓦级高功率激光协同成形其所对应的金属粉末层子区域，通过多个激光加工单元协同，提升选区激光熔化成形效率、扩展成形幅面。但是，增加激光器数量导致设备成本增加。

4、随着激光器制造技术的发展，调节输出激光光斑直径已十分方便。当激光光斑直径聚焦到50μm以内时，光斑内激光能量密度较高，作用在钛合金粉床表面时极易形成大熔道深度的匙孔熔池。

5、本发明公开了一种利用大熔道深度匙孔熔池，实现大铺粉层厚提高选区激光熔化钛合金成形效率的方法，解决了多激光器提高成形效率成本高的问题。这一方法在不增加设备成本的前提下，将选区激光熔化钛合金成形效率提高到30cm3/小时以上，制备的选区激光熔化成形件致密度超过99.0％。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种低成本高速选区激光熔化钛合金成形方法，包括以下步骤：

2、(1)调节激光器，将激光束光斑直径聚焦到30μm～50μm。

3、(2)将铺粉厚度设置为180μm～240μm。

4、(3)通过多层单道扫描试验，建立激光扫描功率、扫描速度与熔道宽度、熔道深度关系矩阵，确定实现钥孔熔化模式时所需的激光扫描功率和扫描速度及其对应熔道宽度和熔道深度。

5、(4)根据单道扫描试验获得的激光扫描功率、扫描速度与熔道宽度、熔道深度之间的关系矩阵，按照熔道深度不小于铺粉厚度乘以钛合金理论密度与粉末堆积密度比值的1.1倍，确定激光扫描功率和扫描速度；当多种扫描功率和扫描速度组合都能满足熔道深度要求条件下，优先选择扫描速度快的工艺参数组合。

6、(5)确定激光扫描功率和扫描速度后，根据单道扫描试验熔道宽度结果，按照熔道宽度的0.4～0.5倍确定扫描间距。

7、(6)激光扫描完一层后，平台下降，下降高度等于设定的铺粉厚度乘以粉末堆积密度与钛合金理论密度的比值。

8、(7)铺粉刮刀在平台上将粉末铺在已下降的粉床上。

9、(8)激光扫描角度逆时针旋转33°～66°，进行扫描。

10、(9)重复步骤7和8，直至完成零件的成形，清理粉床，即可获得致密零件。

11、优选的，步骤(2)中，使用的粉末为钛合金球形粉末，最大粒径小于60μm。

12、优选的，步骤(3)中，多层单道试验时层数为40层，熔道宽度、熔道深度尺寸通过定量金相方法测量成形试样截面顶层熔道的熔化区域宽度和搭接焊道深度确定。

13、优选的，步骤(9)中，获得的零件的致密度超过99.0％，成形效率超过30cm3/小时。

14、优选的，使用单一激光器，激光器波长1064nm，功率不超过500w。

15、本发明的有益效果

16、(1)本发明在不增加激光器数量、不提高设备成本情况下，将选区激光熔化成形效率提高到30cm3/小时以上，获得的成形件致密度超过99.0％，是目前常见单激光选区激光成形效率的3～10倍，在提高效率的基础上大大降低了选区激光熔化成形件的成本。

17、(2)本发明中为了保证结合良好，设置了步骤(4)，熔道深度必须不小于实际铺粉层厚的1.1倍；由于粉末凝固后收缩，实际铺粉厚度比设定的铺粉厚度要大，是设定的铺粉厚度乘以钛合金理论密度除以粉末堆积密度的比值。

18、(3)由于熔池截面形状是抛物线形状，测量的熔道宽度是熔池截面的最大尺寸，为保证熔池搭接良好，必须将扫描间距设置为熔道宽度的0.4-0.5倍。

19、(4)增加步骤(3)～步骤(5)这3个步骤能够快速准确的获得成形工艺参数。

技术特征：

1.一种低成本高速选区激光熔化钛合金成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述低成本高速选区激光熔化钛合金成形方法，其特征在于：步骤(2)中，使用的粉末为钛合金球形粉末，最大粒径小于60μm。

3.根据权利要求1所述低成本高速选区激光熔化钛合金成形方法，其特征在于：步骤(3)中，多层单道试验时层数为40层，熔道宽度、熔道深度尺寸通过定量金相方法测量成形试样截面顶层熔道的熔化区域宽度和搭接焊道深度确定。

4.根据权利要求1所述低成本高速选区激光熔化钛合金成形方法，其特征在于：使用单一激光器，激光器波长1064nm，功率不超过500w。

技术总结本发明公开了一种低成本高速选区激光熔化钛合金成形方法，包括以下步骤：调节激光器缩小激光光斑直径；使用大层厚铺粉；通过单道扫描试验，建立设定层厚下的激光扫描功率、速度与熔道宽度、熔道深度关系矩阵；根据矩阵，按照熔道深度不小于铺粉厚度乘以钛合金理论密度与粉末堆积密度比值的1.1倍确定激光扫描功率、速度和扫描间距，开始扫描；扫描结束后平台下降，铺粉刮刀将粉末铺在已下降的粉床上，按一定角度逆时针旋转进行铺粉后激光扫描；重复平台下降、铺粉和激光扫描过程，直至完成零件成形，获得致密度超过99.0％的零件，成形效率超过30cm3/小时。本发明能够克服效率低、多激光器成本高的缺点，实现高致密度钛合金零件的快速成形。技术研发人员：黎振华,王备,王宁,姚碧波受保护的技术使用者：昆明理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5