一种梯度结构3D打印金属零部件及其制备工艺
一种梯度结构3d打印金属零部件及其制备工艺
技术领域
1.本发明涉及3d打印成型技术领域，具体涉及一种梯度结构3d打印金属零部件及其制备工艺。
背景技术：
2.3d打印技术是一项新兴的技术，与传统的材料合成和制造工艺相比，它可以在更短的生产周期内生产出复杂或定制化的零件，已广泛应用于个性化生物植入物、大型复杂航空发动机叶片和圆盘、热核反应堆真空容器等制造领域。3d打印技术是一种基于粉末的增材制造工艺，它使用激光束选择性地以分层方式熔化金属粉末薄层，通过切割3d设计模型控制。这种方法不仅在快速成形中具有吸引力，而且在制造复杂组件时也具有吸引力。3d技术可以较好地解决传统加工工艺难制备复杂产品和成形困难等问题。但在3d打印成形过程中会出现气孔、熔合不良、裂纹等缺陷，甚至熔池快速冷却会使零件表面产生残余拉应力。这会极大的影响3d打印产品的服役性能。
3.激光喷丸强化(lsp)是一种很有前途的表面改性技术。lsp是利用高频、短的激光脉冲穿过约束层，然后冲击工件表面。lsp技术在微表面工程领域具有广泛的应用前景。lsp可以提高金属的抗疲劳、耐磨性和耐腐蚀性，在材料领域得到显著应用。如中国专利cn112809022a公开了一种增材制备金属零部件的新方法，采用金属3d打印和激光喷丸相结合的方式制备金属零部件，通过在打印成型过程中引入激光喷丸处理，在每一层成型层还没有完全固化的状态下进行激光冲击强化，或者边打印成型边对金属熔覆体进行激光冲击强化。该专利存在如下技术缺陷：1)采用逐层打印和激光喷丸耗时费力，操作流程复杂，生产效率低，不利于工业化推广应用；2)在每一层引入激光喷丸，虽然可以增加每层的致密性，改善材料性能，但是同时也会引入变形应力，影响最终成型件的尺寸精度。
技术实现要素：
4.本发明的目的是提供一种梯度结构3d打印金属零部件及其制备工艺，本发明通过在打印成型后，将激光喷丸技术引入到3d打印金属零部件的制备过程中，来解决3d打印材料表面致密性和气孔的问题，并且通过在激光喷丸的过程中引入脉冲电场，来解决裂纹扩展问题，从而制备出高质量的梯度结构3d打印金属零部件。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一种梯度结构3d打印金属零部件制备工艺，包括以下步骤：
7.(1)3d打印材料制备：筛选出粒径在100μm以下的金属粉末，置于烘箱中烘干水份；
8.(2)3d模型构建及参数设置：构建3d打印模型，设置相应的3d打印参数，导入3d打印设备；
9.(3)3d打印成型：使用激光熔覆型3d打印机进行打印，得到金属零部件；
10.(4)机械化处理：通过线切割去除金属零部件表面的支撑件；
11.(5)表面处理：对金属零部件的两面同时进行激光喷丸处理，并在喷丸过程中，在
金属零部件中导入脉冲电流；
12.(6)制得梯度结构3d打印金属零部件。
13.作为优选地，步骤(1)中，烘箱温度为50～150℃，烘干时间为30～60min。
14.作为优选地，步骤(1)中的金属粉末的纯度在99％以上。
15.作为优选地，步骤(2)中，3d打印的参数为：激光功率500～700w，扫描速度400～650mm/min，送粉量0.2～20r/min，层厚0.2～0.5mm。
16.作为优选地，步骤(3)中，激光器采用连续激光，激光熔覆头的通道≥3，全程采用氩气送粉。
17.作为优选地，步骤(5)中，激光喷丸的功率》200w，激光脉冲时间为25s～30s，光斑直径为0.1～5mm，喷丸时间为1min～30min。
18.作为优选地，步骤(5)中，分别在3d打印金属零部件的纵截面和横截面安装脉冲电流发射器，控制脉冲电流发射器的脉冲电流为0.1～10a，脉冲时间为25s～30s。
19.一种梯度结构3d打印金属零部件，由上述任意一种梯度结构3d打印金属零部件制备工艺制成。
20.进一步地，梯度结构3d打印金属零部件去除底座后的厚度在0.5mm以上。
21.本发明的有益效果：
22.(1)针对现有3d打印金属零部件存在气孔和疏松的技术缺陷，本发明通过采用在打印成型后的金属零部件的两表面进行激光喷丸，消除了产品表面的气孔，提高了产品表面的致密度，同时还能使金属零部件产生梯度组织，总体上提高金属零部件的力学性能。
23.(2)针对现有3d打印金属零部件存在裂纹的技术缺陷，本发明通过采用电脉冲的“热效应”和“肌肤效应”，让电流在裂纹尖端聚集发热，使裂纹熔化，促使裂纹“愈合”，从而解决了金属零部件的裂纹问题。
24.(3)本发明在喷丸过程中引入电场，使激光和电场相互作用，一方面能够通过电场热效应抑制激光能场在产品表面的应力集中，使激光喷丸层的厚度更厚，从而产生更为明显的梯度超细组织，以及减小产品内部气孔、裂纹等缺陷，即电场促进了激光能场的效果，另一方面，激光能场使材料具有梯度结构，即不同位置的晶界数量不同，从而对电流的阻碍作用不同，从而为电流能在不同区域对裂纹的“愈合”起到很好的效果。
附图说明
25.图1为实施例1的3d打印金属零部件的激光喷丸后厚度方向的金相图。
26.图2为实施例2的3d打印金属零部件的激光喷丸后厚度方向的金相图。
具体实施方式
27.下面结合具体实例对本发明作进一步说明，以便于对本发明的理解，但并不因此而限制本发明。
28.实施案例1
29.一种梯度结构3d打印金属零部件，其制备工艺如下：
30.步骤1，3d打印材料制备：购买纯度为99％的316l不锈钢3d打印金属粉末5kg，其粒度在50μm～150μm范围内，然后对金属粉末进行筛选，选出粒径在100μm以下的金属粉末约
4kg，放入50℃的烘箱烘烤30min。
31.步骤2，3d模型构建及参数设置：用solidworks软件构建长宽高分别为50mm
×
30mm
×
20mm的3d打印模型，设置激光功率为500w，扫描速度为400mm/min，送粉量为0.2r/min,层厚0.2mm，生成g代码，导入3d打印设备。
32.步骤3，3d打印成型：采用具有3通道激光熔覆头的连续激光器依次分层打印，全程采用氩气送粉，生产等离子体，防止熔池氧化。
33.步骤4，打印后机械化处理：通过线切割去除表面支撑件，获得厚度为19mm的3d打印金属零部件。
34.步骤5，激光喷丸耦合电脉冲表面处理：采用激光功率为200w的喷丸设备对步骤4所得的3d打印金属零部件进行喷丸处理，激光脉冲时间为25s，光斑直径为0.1mm，喷丸时间为30min，在喷丸过程中分别在3d打印零部件的纵截面和横截面安装脉冲电流发射器，其中横截面发射器的脉冲电流为10a，脉冲时间为25s，纵截面从上往下安装3个脉冲电流发射器，电流依次为10a，5a和10a，脉冲时间为25s。采用纵横两方向电流作用，能使电场充分发挥作用，从而为电流能在不同区域对裂纹的“愈合”起到更好的效果。
35.步骤6，制得梯度结构3d打印金属零部件。
36.将步骤6所得的梯度结构3d打印金属零部件，截取长宽高为1cm
×
1cm
×
3cm的小块试样，对其梯度组织进行观察，可以看到约2.4cm厚的梯度组织，且沿着表层向心部方向延伸，微观组织晶粒尺寸降低，没有裂纹、气孔、疏松等微观缺陷，如图1所示。图1示出了产品一半厚度，且箭头所示方向为从产品边缘指向产品中心。
37.对上述小块试样进行不同应变速率下的力学性能测试，拉伸性能如表1所示。从表1可以看出，本发明的梯度结构3d打印金属零部件的屈服强度、抗拉强度和延伸率均较为优异。
38.表1
39.应变速率1/s屈服强度mpa抗拉强度mpa延伸率％10-3
64381220 10-4
61280024.2
40.实施案例2
41.一种梯度结构3d打印金属零部件，其制备工艺如下：
42.步骤1，3d打印材料制备：购买纯度为99％的304不锈钢3d打印金属粉末1kg，粒度在50μm～150μm范围内，然后对金属粉末进行筛选，选出粒径在100μm以下的金属粉末约0.7kg，放入150℃的烘箱烘烤60min。
43.步骤2，3d模型构建及参数设置：用solidworks软件构建长宽高分别为50mm
×
30mm
×
5mm的3d打印模型，设置激光功率为700w，扫描速度为650mm/min，送粉量为0.5r/min,层厚0.5mm，生成g代码，导入3d打印设备。
44.步骤3，3d打印成型：采用具有4通道激光熔覆头的连续激光器依次分层打印，全程采用氩气送粉，生成等离子体，防止熔池氧化。
45.步骤4，打印后机械化处理：通过线切割去除表面支撑件，获得厚度为4.8mm的3d打印金属零部件。
46.步骤5，激光喷丸耦合电脉冲表面处理：采用激光功率为700w的喷丸设备对步骤4
中所得的3d打印金属零部件进行喷丸处理，激光脉冲时间为30s，光斑直径为0.1mm，喷丸时间为1min，在喷丸过程中分别在3d打印金属零部件的纵截面和横截面安装脉冲电流发射器，其中横截面发射器脉冲电流为0.1a，脉冲时间为30s，纵截面安装1个脉冲电流发射器，电流为1a，脉冲时间为30s。
47.步骤6，制得梯度结构3d打印金属零部件。
48.将步骤6所得的3d打印金属零部件截取长宽高为1cm
×
1cm
×
0.5cm的小块试样，对其梯度组织进行观察，可以看到约0.2cm厚的梯度组织，且沿着表层向心部方向延伸，微观组织的晶粒尺寸降低，没有裂纹、气孔、疏松等微观缺陷，如图2所示。图2示出了产品一半厚度，且箭头所示方向为从产品边缘指向产品中心。
49.对上述小块试样进行不同应变速率下的力学性能测试，拉伸性能如表2所示。
50.表2
51.应变速率1/s屈服强度mpa抗拉强度mpa延伸率％10-3
70092520％10-4
70289326％
52.实施案例3
53.一种梯度结构3d打印金属零部件，其制备工艺如下：
54.步骤1，3d打印材料制备：购买纯度为99.9％的316l不锈钢3d打印金属粉末10kg，粒度在50μm～150μm的范围内，然后对金属粉末进行筛选，选出粒径在100μm以下的金属粉末约8.6kg，放入150℃的烘箱烘烤60min。
55.步骤2，3d模型构建及参数设置：用solidworks软件构建长宽高分别为50mm
×
30mm
×
1mm的3d打印模型，设置激光功率为700w，扫描速度为650mm/min，送粉量为0.4r/min，层厚0.2mm，生成g代码，导入3d打印设备。
56.步骤3，3d打印成型：采用具有4通道激光熔覆头的连续激光器依次分层打印，全程采用氩气送粉，生成等离子体，防止熔池氧化。
57.步骤4，打印后机械化处理：通过线切割去除表面支撑件，获得厚度为0.5mm的3d打印金属零部件。
58.步骤5，激光喷丸耦合电脉冲表面处理：采用激光功率为200w的喷丸设备对步骤4中所得的3d打印金属零部件进行喷丸处理，激光脉冲时间为30s，光斑直径为5mm，喷丸时间为10min，在喷丸过程中分别在3d打印零部件的纵截面和横截面安装脉冲电流发射器，其中横截面发射器脉冲电流为0.1a，脉冲时间为30s，纵截面安装3个脉冲电流发射器，电流依次为10a、1a和10a,脉冲时间为30s。
59.步骤6，制得梯度结构3d打印金属零部件。
60.对步骤6制得的梯度结构3d打印金属零部件进行不同应变速率下的力学性能测试，拉伸性能如表3所示。
61.表3
62.应变速率1/s屈服强度mpa抗拉强度mpa延伸率％10-3
72189621.2％10-4
71188224.3％
63.实施案例4
64.一种梯度结构3d打印金属零部件，其制备工艺如下：
65.步骤1，3d打印材料制备：购买纯度为99.5％的316l不锈钢3d打印金属粉末6kg，粒度在50μm～150μm的范围内，然后对金属粉末进行筛选，选出粒径在100μm以下的金属粉末约5.3kg，放入100℃的烘箱烘烤50min。
66.步骤2，3d模型构建及参数设置：用solidworks软件构建长宽高分别为60mm
×
20mm
×
10mm的3d打印模型，设置激光功率为500w，扫描速度为550mm/min，送粉量为0.5r/min,层厚0.2mm，并生成g代码，并导入3d打印设备。
67.步骤3，3d打印成型：采用具有6通道激光熔覆头的连续激光器依次分层打印，送粉量在10r/min，全程采用氩气送粉，生成等离子体，防止熔池氧化。
68.步骤4，打印后机械化处理：通过线切割去除表面支撑件，获得厚度为5.2mm的3d打印金属零部件。
69.步骤5，激光喷丸耦合电脉冲表面处理：采用激光功率为700w的喷丸设备对步骤4中所得的3d打印金属零部件进行喷丸处理，激光脉冲时间为30s，光斑直径为2mm，喷丸时间为20min，在喷丸过程中分别在3d打印零部件的纵截面和横截面安装脉冲电流发射器，其中横截面发射器脉冲电流为5a，脉冲时间为30s，纵截面安装3个脉冲电流发射器，电流依次为10a、5a和10a，脉冲时间为30s。
70.对步骤6制得的梯度结构3d打印金属零部件进行不同应变速率下的力学性能测试，拉伸性能如表4所示。
71.表4
[0072][0073][0074]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。
技术特征：
1.一种梯度结构3d打印金属零部件制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：(1)3d打印材料制备：筛选出粒径在100μm以下的金属粉末，置于烘箱中烘干水份；(2)3d模型构建及参数设置：构建3d打印模型，设置相应的3d打印参数，导入3d打印设备；(3)3d打印成型：使用激光熔覆型3d打印机进行打印，得到金属零部件；(4)机械化处理：通过线切割去除金属零部件表面的支撑件；(5)表面处理：对金属零部件的两面同时进行激光喷丸处理，并在喷丸过程中，在金属零部件中导入脉冲电流；(6)制得梯度结构3d打印金属零部件。2.根据权利1所述的一种梯度结构3d打印金属零部件制备工艺，其特征在于，步骤(1)中，烘箱温度为50～150℃，烘干时间为30～60min。3.根据权利1所述的一种梯度结构3d打印金属零部件制备工艺，其特征在于，步骤(1)中的金属粉末的纯度在99％以上。4.根据权利1所述的一种梯度结构3d打印金属零部件制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，3d打印的参数为：激光功率500～700w，扫描速度400～650mm/min，送粉量0.2～20r/min，层厚0.2～0.5mm。5.根据权利1所述的一种梯度结构3d打印金属零部件的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中，激光器采用连续激光，激光熔覆头的通道≥3，全程采用氩气送粉。6.根据权利1所述的一种梯度结构3d打印金属零部件制备工艺，其特征在于，步骤(5)中，激光喷丸的功率>200w，激光脉冲时间为25s～30s，光斑直径为0.1～5mm，喷丸时间为1min～30min。7.根据权利1所述的一种梯度结构3d打印金属零部件制备工艺，其特征在于，步骤(5)中，分别在3d打印金属零部件的纵截面和横截面安装脉冲电流发射器，控制脉冲电流发射器的脉冲电流为0.1～10a，脉冲时间为25s～30s。8.一种梯度结构3d打印金属零部件，其特征在于，由权利要求1～7任意一项所述的一种梯度结构3d打印金属零部件制备工艺制成。9.根据权利要求8所述的一种梯度结构3d打印金属零部件，其特征在于，梯度结构3d打印金属零部件去除底座后的厚度在0.5mm以上。
技术总结
本发明公开了一种梯度结构3D打印金属零部件及其制备工艺，属于3D打印成形制备领域。本发明的制备工艺包括：1)3D打印材料准备，2)3D模型构建及参数设置，3)3D打印成型，4)机械化处理，5)表面处理，最终获得表面致密无气孔和力学性能优异的3D打印金属零部件。本发明通过将激光喷丸技术引入到3D打印金属零部件的制备过程中，来解决材料表面致密和气孔的问题，并且通过在激光喷丸的过程中引入脉冲电场，解决裂纹扩展问题，从而制备出高质量的梯度结构3D打印金属零部件。度结构3D打印金属零部件。
