專利名稱：一種近凈成形零件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于快速成形技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種近凈成形零件的方法。
背景技術(shù)：
熱等靜壓(HIP)是在冷等靜壓和熱壓技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的粉末成形的綜合工藝方法，可以用來(lái)近凈成形各種金屬、陶瓷、硬質(zhì)合金以及復(fù)合材料等粉末冶金零部件。它是將制造好的包套經(jīng)組裝后，填裝金屬粉末，經(jīng)真空抽氣密封后放入熱等靜壓爐進(jìn)行熱等靜壓。經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理后，模具中的粉末就會(huì)變成百分之百密度的固態(tài)零件，然后再用侵蝕處理的辦法去掉包套就可獲得與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)相差無(wú)幾的零件。利用該技術(shù)制造的金屬零件其力學(xué)性能與鍛造工藝相當(dāng)，尺寸精度可達(dá)0.1mm。制造零件只需經(jīng)少量簡(jiǎn)單的機(jī)加工就可使用，整個(gè)過(guò)程幾乎不存在任何廢料。
但是熱等靜壓粉末材料近凈成形各種零部件時(shí)，存在以下問(wèn)題(1)進(jìn)行熱等靜壓時(shí)，先將粉末裝入包套內(nèi)，再放入熱等靜壓機(jī)的高壓缸中，這中間需要進(jìn)行包套的檢漏、填充、抽真空和密封等工藝，因此存在不易找到合適的包套材料、裝料后包套容易變形、工藝繁瑣、工藝周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)；(2)采用熱等靜壓粉末近凈成形各種零件，由于包套的最終尺寸決定了所成形的零件尺寸，因此包套的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，稍有偏差就可能影響成形零件的尺寸；(3)經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理后，還需去掉包套，因此可能會(huì)影響零件的形狀和結(jié)構(gòu)尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種近凈成形零件的方法，該方法不需要包套，具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)單易行和低耗高效特點(diǎn)。
本發(fā)明提供的一種近凈成形零件的方法，其步驟為(1)采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLM或SLS快速成形機(jī)。
(2)將SLM或SLS快速成形機(jī)的成形室抽真空。
(3)送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為0.02-0.1mm厚度的粒徑為10-60μm的金屬粉末。
(4)采用激光功率大于等于100W的半導(dǎo)體泵浦YAG激光器、光纖激光器或CO2激光器，激光光斑為10-250μm，掃描間距為0.04-0.1mm，掃描速度為50-300mm/s，對(duì)位于該層切片邊界處約為1-3mm寬的金屬粉末進(jìn)行掃描；(5)重復(fù)上述步驟(3)-(4)，直至制成致密的殼體。
(6)無(wú)需包套封裝，直接將SLM或SLS制件轉(zhuǎn)移到熱等靜壓爐，根據(jù)材料的性能，設(shè)定合理的工藝參數(shù)，進(jìn)行加熱和加壓處理。
上述步驟(4)還包括對(duì)該層切片邊界內(nèi)的金屬粉末沿著網(wǎng)狀軌跡掃描成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使零件內(nèi)部相對(duì)密度為50％-60％。
本發(fā)明將快速成形技術(shù)如選擇性激光熔化(SLM)或選擇性激光燒結(jié)(SLS)與熱等靜壓(HIP)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這種復(fù)合方法具備以下優(yōu)點(diǎn)(1)由于在真空環(huán)境下熔化或燒結(jié)制件，確保了SLM或SLS制件內(nèi)部無(wú)空氣或氣體存在。
(2)采用SLM或SLS技術(shù)，可以成形復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的零件。
(3)SLM或SLS成形的零件外殼是完全致密的，在熱等靜壓(HIP)過(guò)程中阻礙了外部氣體進(jìn)入零件內(nèi)部，可以替代熱等靜壓(HIP)的包套。
(4)因熱等靜壓(HIP)過(guò)程無(wú)需包套，免去了設(shè)計(jì)包套帶來(lái)的偏差，避免了包套材料對(duì)于零件的污染以及零件脫離包套的工藝過(guò)程。
(5)工藝過(guò)程簡(jiǎn)單易行，低耗高效。


圖1為本發(fā)明近凈成形零件方法的工藝流程圖，其中(a)激光熔化或燒結(jié)成形致密外殼；(b)激光選擇性掃描制件內(nèi)部粉末；(c)熱等靜壓；(d)最終零件；圖2為本發(fā)明的選擇性激光熔化(SLM)或選擇性激光燒結(jié)(SLS)成形零件殼體示意圖，其中(a)內(nèi)部為未熔化的松裝粉末；(b)內(nèi)部為激光選擇性掃描的粉末。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體過(guò)程作進(jìn)一步詳細(xì)的闡述(1)采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLM或SLS快速成形機(jī)。
(2)將SLM或SLS快速成形機(jī)的成形室抽真空，以確保熔化或燒結(jié)后零件內(nèi)部為真空環(huán)境。
(3)送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為0.02-0.1mm厚度的金屬粉末(金屬粉末粒徑約為10-60μm)。
(4)采用激光功率大于等于100W的半導(dǎo)體泵浦YAG激光器、光纖激光器或CO2激光器，激光光斑為10-250μm，掃描間距為0.04-0.1mm，掃描速度為50-300mm/s，對(duì)位于該層切片邊界處約為1-3mm寬的金屬粉末進(jìn)行掃描，以熔化或燒結(jié)邊界處的粉末材料，使之相對(duì)密度大于92％。
(5)重復(fù)上述步驟(3)-(4)，直至制成致密的殼體。其功能是確保SLM或SLS制件具有一個(gè)整體的、相對(duì)密度大于92％的封閉殼體，達(dá)到在隨后的熱等靜壓中阻礙熱等靜壓爐中的氣體進(jìn)入零件內(nèi)部的目的，起到包套作用；SLM或SLS制件無(wú)需包套封裝，可以直接放入熱等靜壓(HIP)爐進(jìn)行加熱、加壓處理，從而得到力學(xué)性能滿足要求的完全致密的零件。
(6)無(wú)需包套封裝，直接將SLM或SLS制件轉(zhuǎn)移到熱等靜壓爐，設(shè)定成形溫度為0.5-0.7Tm(0Tm為金屬粉末的熔點(diǎn))，成形壓力為100-200MPa，進(jìn)行熱等靜壓。
在步驟(4)時(shí)，對(duì)于零件內(nèi)部的金屬粉末或不進(jìn)行激光掃描，為未熔化的松裝粉末，如附圖2a)，或采用相同的工藝參數(shù)沿著網(wǎng)狀軌跡掃描成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如附圖2b)，零件內(nèi)部相對(duì)密度為50％-60％。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是將現(xiàn)有技術(shù)中的選擇性激光熔化(SLM)或選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)與熱等靜壓(HIP)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這種復(fù)合工藝是在真空中熔化或燒結(jié)密封制件，保證了制件內(nèi)部無(wú)空氣存在，同時(shí)熱等靜壓時(shí)無(wú)需包套，免去了設(shè)計(jì)包套所帶來(lái)的偏差，避免了包套材料對(duì)于零件的污染以及零件脫離包套的工藝過(guò)程，且可以成形復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)、高性能的零件。
實(shí)例1(1)首先根據(jù)SLM制件經(jīng)過(guò)熱等靜壓后可能出現(xiàn)的變形情況，利用三維造型軟件(如UG、Pro/E等)設(shè)計(jì)出零件熱等靜壓前的CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLM快速成形機(jī)。
(2)將SLM快速成形機(jī)的成形室抽真空。
(3)送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為100μm厚的不銹鋼粉末(粒徑約為20μm)。
(4)采用激光功率大于等于100W的半導(dǎo)體泵浦YAG激光器或光纖激光器，激光光斑約為30μm，掃描速度約為200mm/s，掃描間距約為0.07mm，對(duì)位于該層切片邊界處約為3mm寬的金屬粉末進(jìn)行掃描，以熔化邊界處的粉末材料，其相對(duì)密度為95％左右；對(duì)于該層內(nèi)部的金屬粉末采用兩種方式進(jìn)行處理，一種是不進(jìn)行激光掃描，為未熔化的松裝粉末，如附圖2a)，另一種是采用相同工藝參數(shù)的激光進(jìn)行掃描成間距約為2mm的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如附圖2b)，內(nèi)部的相對(duì)密度為60％左右。
(5)重復(fù)上述步驟(3)-(4)，直至制成具有一個(gè)整體的、相對(duì)密度約為95％的封閉殼體且內(nèi)部相對(duì)密度約為60％的SLM制件。
(6)無(wú)需包套封裝，將SLM制件直接放入熱等靜壓爐，抽空并洗爐，采用同時(shí)升溫和加壓，升溫速度約為10℃/min，升壓速度約為11MPa/min，設(shè)定成形溫度約為1125℃，成形壓力約為120MPa，保溫、保壓時(shí)間為225min左右，在溫度和壓力同時(shí)作用下，SLM制件內(nèi)部達(dá)到完全致密，最后得到力學(xué)性能滿足要求的完全致密的，且?guī)缀纬叽绾托螤罨痉弦蟮牧慵?br> (7)最后，對(duì)近凈成形得到的零件進(jìn)行機(jī)加工，使零件幾何尺寸和形狀完全滿足要求。
實(shí)例2(1)首先根據(jù)SLS制件經(jīng)過(guò)熱等靜壓后可能出現(xiàn)的變形情況，利用三維造型軟件(如UG、Pro/E等)設(shè)計(jì)出零件熱等靜壓前的CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLS快速成形機(jī)。
(2)將SLS快速成形機(jī)的成形室抽真空；。
(3)送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為100μm厚的不銹鋼粉末(粒徑約為20μm)。
(4)采用激光功率大于100W的CO2激光器，激光光斑約為60μm，掃描速度約為100mm/s，掃描間距約為0.1mm，對(duì)位于該層切片邊界處約為3mm寬的不銹鋼粉末進(jìn)行掃描，以燒結(jié)邊界處的粉末材料；對(duì)于該層內(nèi)部粉末材料采用兩種方式進(jìn)行處理，一種是不進(jìn)行激光掃描，為未燒結(jié)的松裝粉末，如附圖2a)，另一種是采用相同工藝參數(shù)的激光進(jìn)行掃描成間距約為2mm的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如附圖2b)，內(nèi)部的相對(duì)密度為50％左右；(5)重復(fù)上述步驟(3)-(4)，直至制成具有一個(gè)整體的、相對(duì)密度約為95％的封閉的殼體且內(nèi)部相對(duì)密度約為50％的SLS制件。
(6)無(wú)需包套封裝，將SLS制件直接放入熱等靜壓爐，抽空并洗爐，采用同時(shí)升溫、加壓方式，升溫速度約為10℃/min，升壓速度約為12MPa/min，設(shè)定成形溫度約為1125℃，成形壓力約為150MPa，保溫、保壓時(shí)間為300min左右，在溫度和壓力同時(shí)作用下，SLS制件內(nèi)部達(dá)到完全致密，最后得到力學(xué)性能滿足要求的完全致密的，且?guī)缀纬叽绾托螤罨痉弦蟮牧慵?；最后，?duì)近凈成形得到的零件進(jìn)行機(jī)加工，使零件幾何尺寸和形狀完全滿足要求。
權(quán)利要求
1.一種近凈成形零件的方法，其步驟為(1)采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLM或SLS快速成形機(jī)；(2)將SLM或SLS快速成形設(shè)備的成形室抽真空；(3)送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為0.02-0.1mm厚度的粒徑為10-60μm的金屬粉末；(4)采用激光功率大于等于100W的半導(dǎo)體泵浦YAG激光器、光纖激光器，或CO2激光器，激光光斑為10-250μm，掃描間距為0.04-0.1mm，掃描速度為50-300mm/s，對(duì)位于該層切片邊界處約為1-3mm寬的金屬粉末進(jìn)行掃描；(5)重復(fù)上述步驟(3)-(4)，直至制成致密的殼體；(6)將SLM或SLS制件轉(zhuǎn)移到熱等靜壓爐，進(jìn)行加熱和加壓處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)還包括對(duì)該層切片邊界內(nèi)的金屬粉末沿著網(wǎng)狀軌跡掃描成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使零件內(nèi)部相對(duì)密度為50％-60％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近凈成形零件的方法，其步驟為將零件的三維模型輸入SLM或SLS快速機(jī)中，并將SLM或SLS快速機(jī)的成形室抽真空，激光器對(duì)位于切片邊界處的金屬粉末進(jìn)行掃描，熔化邊界處的粉末材料，對(duì)邊界內(nèi)的金屬粉末沿網(wǎng)狀軌跡掃描成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使零件內(nèi)部相對(duì)密度為50％－60％；使金屬粉末快速制造成一個(gè)整體的、完全致密外殼的密封制件，再將SLM或SLS制件直接進(jìn)行HIP處理，最后得到滿足性能和精度要求的合格零件。本發(fā)明將快速成形技術(shù)如選擇性激光熔化(SLM)或選擇性激光燒結(jié)(SLS)與熱等靜壓(HIP)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單易行，低耗高效。
文檔編號(hào)B22F3/105GK1861296SQ200610019368
公開日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月14日
發(fā)明者史玉升, 黃樹槐, 劉錦輝, 魏青松, 任麗花 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)