一种增强增材制造零件材料性能的方法

本发明涉及增材制造，特别涉及一种增强增材制造零件材料性能的方法。

背景技术：

1、不锈钢、钛合金、高温合金、模具钢、硬质合金等典型金属具有优异的力学性能，广泛应用于航空航天、汽车、模具、医疗、高端工业装备等众多领域。目前这些金属零件成型主要采用锻造和粉末冶金烧结成形，然后再采用机械或特种加工方法制造出所需零件；受限于材料的难加工力学特征，工艺繁琐，加工效率极低。

2、相比于传统金属零件成型的繁琐工艺，增材制造(additive manufacturing，am)可以直接制造出结构复杂的零件，降低生产成本，达到更好的经济效益。am通过计算机控制激光路径，根据零件二维截面进行熔化成形，并逐层堆叠形成三维零件。上述过程中涉及多个剧烈变化的物理过程导致am过程中容易出现气孔、球化、未熔合、开裂等各种缺陷，且成形过程易受周围环境、粉末均匀性和零件尺寸的因素影响，即使通过大量工艺参数优化研究后获得的最优参数仍容易形成偶发缺陷，导致零件的性能受到影响。其中，层间界面球化现象和飞溅粉末形成的大尺寸凹坑和凸起对成形质量影响较大，如何减少这两种现象导致的残余拉应力大和力学性能降低是am技术需要攻克的重要难题。

3、较大的残余拉应力和力学性能下降等是影响3d打印金属零件制备的主要问题，成形零件内部累积的残余应力与变形大，导致最终零件出现孔隙、微裂纹等缺陷，导致零件整体性能不高。在逐层加工的过程中，气孔、球化、未熔合等缺陷受铺粉质量、保护气氛、粉体制备及激光工艺参数等多种因素的影响，当前对金属激光3d技术中层间界面的研究仍有不足。

4、目前，对金属激光3d打印的工艺研究主要针对元素的配比、粉体的制备和打印过程中的工艺参数研究，该方法难以避免打印零件残余应力较大和力学性能下降等问题。在逐层打印过程中引入辅助工艺能明显改善金属成型的整体性能。例如，中国专利授权公告号cn117600494b公开了一种提高3d打印准直器耐腐蚀性和强度的打印方法，该方法将3d打印的零件放置于氢气气氛保护炉中热处理，然后对零件进行切割、去毛刺和清洗烘干处理，所得打印零件显著提升材料耐腐蚀性和强度。但是，该方法无法降低金属增材制造的内应力，不能提高金属硬度。

5、目前，采取的激光增减材复合工艺中，减材处理可以实现当前层多余材料的去除，研究主要针对表面抛光和零件多余材料去除，但也为激光3d打印制备工艺提供了同步增减材处理的新思路。例如，中国专利申请公布号cn113953530a公开了一种增强金属增材制造层间结合强度的方法，该方法利用激光在前层金属表面进行飞秒激光微纳加工处理，得到特定形貌和取向的微沟槽和微孔洞阵列结构或其他超浸润性阵列结构。这种方法通过改变界面的浸润性提升界面的结合强度，从而优化增材制造产品性能。然而，该方法仅限于增强界面结合强度，无法降低金属增材制造的内应力、提高金属的强度和硬度。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种增强增材制造零件材料性能的方法，该方法在增材制造层间界面引入lipss(laser-induced periodic surfacestructure，激光诱导周期性表面结构)来调控金属增材制造的层间内应力，提高lpbf(laser powder bed fusion，激光粉末床熔合)成形过程中金属的硬度以及减小微观缺陷的形成和对逐层打印完成后的金属性能的不利影响，进而实现增材制造零件材料的应力可控，增强材料力学性能。

2、本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

3、一种增强增材制造零件材料性能的方法，包括如下步骤：

4、s1、规划激光加工路径，将激光加工路径导入控制系统；

5、s2、在基板上铺设金属粉末，利用激光在所述基板上成形基座；

6、s3、利用激光对基座表面进行加工，形成激光诱导周期性表面结构；

7、s4、在激光诱导周期性表面结构上铺设金属粉末，利用激光在所述激光诱导周期性表面结构继续加工沉积下一层；

8、s5、利用激光对上一步骤形成的表面进行加工，形成激光诱导周期性表面结构；

9、s6、重复步骤s4和s5，直至样品打印成型完成。

10、在本发明的一个优选实施例中，所述激光诱导周期性表面结构包括彼此平行的峰和谷的周期性系列表面结构。

11、在本发明的一个优选实施例中，峰的顶部结构包括扁平结构、圆形结构、不具有突出区域结构、礼帽形状结构、棱锥形状结构中的任一种或多种。

12、在本发明的一个优选实施例中，峰到谷的水平距离为500nm～100μm。

13、在本发明的一个优选实施例中，峰到谷的垂直距离为10nm～10μm。

14、在本发明的一个优选实施例中，激光加工设备包括成型缸、粉末缸、控制模块和处理器模块，所述成型缸的上方设有高速相机，采用氩气和氩/氢混合气作为保护气体。

15、在本发明的一个优选实施例中，沉积加工用的连续激光器的激光波长为1030nm，激光功率为50w～500w，激光扫描速度为2mm/s～2000mm/s，打印层厚为2μm～600μm，激光频率为20khz～500khz，光斑搭接率为25％～60％，铺粉之前基板的温度和环境温度控制在30℃-600℃。

16、在本发明的一个优选实施例中，激光诱导周期性表面结构加工用的脉冲激光器包括但不限于纳秒、皮秒和飞秒激光器，其中红外激光器的波长为1030-1064nm，紫外激光器的波长为343-355nm，激光的平均功率为10w-500w，扫描速度为5mm/s-2000mm/s，激光单脉冲能量为2μj～2000μj，激光输出脉宽2fs-10ns，激光频率为100khz～1mhz。

17、在本发明的一个优选实施例中，铺粉方向与峰和谷的长度方向平行设置或者垂直设置。

18、在本发明的一个优选实施例中，根据激光诱导周期性表面结构不同的周期、深度确定所需的激光加工参数。

19、由于采用了如上的技术方案，相比现有技术，本发明的有益效果为：本发明提供的一种增强增材制造零件材料性能的方法，该方法在增材制造层间界面引入lipss来调控金属增材制造的层间内应力，提高lpbf成形过程中金属的硬度以及减小微观缺陷的形成和对逐层打印完成后的金属性能的不利影响，进而实现增材制造零件材料的应力可控，增强材料力学性能。另外，本发明还可以采用不同方向和尺寸的激光诱导周期性表面结构在层间界面结构设计和制备，通过制备层间界面的激光诱导周期性表面结构可以使层间界面与液态熔融金属层的接触方式的改变，保证了金属粉层熔融嵌入质量。

技术特征：

1.一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，所述激光诱导周期性表面结构包括彼此平行的峰和谷的周期性系列表面结构。

3.根据权利要求2所述的一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，峰的顶部结构包括扁平结构、圆形结构、不具有突出区域结构、礼帽形状结构、棱锥形状结构中的任一种或多种。

4.根据权利要求2所述的一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，峰到谷的水平距离为500nm～100μm。

5.根据权利要求2所述的一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，峰到谷的垂直距离为10nm～10μm。

6.根据权利要求1所述的一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，激光加工设备包括成型缸、粉末缸、控制模块和处理器模块，所述成型缸的上方设有高速相机，采用氩气和氩/氢混合气作为保护气体。

7.根据权利要求1所述的一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，沉积加工用的连续激光器的激光波长为1030nm，激光功率为50w～500w，激光扫描速度为2mm/s～2000mm/s，打印层厚为2μm～600μm，激光频率为20khz～500khz，光斑搭接率为25％～60％，铺粉之前基板的温度和环境温度控制在30℃-600℃。

8.根据权利要求1所述的一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，激光诱导周期性表面结构加工用的脉冲激光器包括但不限于纳秒、皮秒和飞秒激光器，其中红外激光器的波长为1030-1064nm，紫外激光器的波长为343-355nm，激光的平均功率为10w-500w，扫描速度为5mm/s-2000mm/s，激光单脉冲能量为2μj～2000μj，激光输出脉宽2fs-10ns，激光频率为100khz～1mhz。

9.根据权利要求1所述的一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，铺粉方向与峰和谷的长度方向平行设置或者垂直设置。

10.根据权利要求1所述的一种增强增材制造零件材料性能的方法，其特征在于，根据激光诱导周期性表面结构不同的周期、深度确定所需的激光加工参数。

技术总结本发明提供了一种增强增材制造零件材料性能的方法，包括如下步骤：S1、规划激光加工路径，将激光加工路径导入控制系统；S2、在基板上铺设金属粉末，利用激光在所述基板上成形基座；S3、利用激光对基座表面进行加工，形成激光诱导周期性表面结构；S4、在激光诱导周期性表面结构上铺设金属粉末，利用激光在所述激光诱导周期性表面结构继续加工沉积下一层；S5、利用激光对上一步骤形成的表面进行加工，形成激光诱导周期性表面结构；S6、重复步骤S4和S5，直至样品打印成型完成。本发明在增材制造层间界面引入LIPSS来调控金属增材制造的层间内应力，进而实现增材制造零件材料的应力可控，增强材料力学性能。技术研发人员：王成勇,丁峰,李晟,杨洋,孙世龙,刘嘉业受保护的技术使用者：广东工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29