一種純鎢金屬的增材制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種純鎢金屬的增材制造方法，屬于增材制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]純鎢是一種難熔金屬，具有高熔點、高密度、高溫強度和高硬度等特性，被廣泛應用于航空航天、國防武器、聚變能源等領(lǐng)域。但是由于金屬鎢的熔點高、成形性能差，對其加工目前只能采用熔鑄、粉末冶金、注射成型、等離子噴涂成型等，這些方法工藝復雜，需要昂貴的工裝模具，且只能成型相對結(jié)構(gòu)簡單的零件。
[0003]增材制造是一種新型加工技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造，不需要原胚和模具，直接根據(jù)零件的計算機三維模型數(shù)據(jù)，通過逐層增加材料的方法形成任何復雜形狀的物體。對于鈦合金、不銹鋼、鎳基合金等材料的增材制造研宄，國內(nèi)外開展較多，目前也較為成熟。但是對于難熔金屬和合金，例如鶴、鉬、鉭、銀等，受到其熔點、密度、熱導、恪體張力和粘度等固有物理性能影響，主要存在熔滴不穩(wěn)定、球化現(xiàn)象顯著、致密度不高等缺點，增材制造難度很大，其工藝和方法國內(nèi)外研宄也較少。對于鎢增材制造來說，國內(nèi)外的研宄大多針對鎢合金，如W-Fe，W-Ni，W-Cu等，F(xiàn)e、Ni或者Cu作為粘接材料在熱源作用下熔化，而將未熔化的鎢顆粒包裹其中并相互粘接，是典型的液相燒結(jié)過程，這可以降低鎢合金成型難度。
[0004]與鎢合金相比，純鎢成型必須基于完全熔化/凝固過程，由于鎢的熔點和熱導都比較高，在熱源作用下熔滴的鋪展/凝固行為較為復雜，很難實現(xiàn)完全致密，因此純鎢的增材成型工藝和方法一直未獲得突破。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種純鎢金屬的增材制造(3D打印)方法，本發(fā)明基于選區(qū)激光恪化(Selective Laser Melting, SLM)或粉末床激光恪融，采用特殊的預處理方法和過程工藝措施保證純鎢金屬的致密成型，其新穎性是系列工藝措施保證下，減少純鎢增材成形缺陷，提高致密度。
[0006]本發(fā)明基于已有的激光選區(qū)恪化(Selective Laser Melting, SLM)或粉末床激光熔融設(shè)備，其主要原理是預先在基底上鋪設(shè)一定厚度的金屬粉末層(通常為20 μπι?100 μm)，然后利用高能熱源(激光或電子束)按照計算機切片形狀和外形軌跡熔化預先鋪設(shè)的處于松散狀態(tài)的粉末薄層，受高能熱源輻照區(qū)域發(fā)生熔化/凝固，其他區(qū)域粉末仍保持未熔狀態(tài)并起到一定的后續(xù)支持作用。通過重復逐層鋪粉、逐層熔凝堆積的方式，可以成型任意形狀高致密度三維零件。
[0007]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種純鎢金屬的增材制造方法，包括:
[0008]I)篩選和配比鎢粉體顆粒
[0009]為了提高最終成型致密度，首先需要提高純鎢粉體顆粒的堆積密度，而純鎢粉體顆粒的堆積密度受到顆粒間摩擦、顆粒形狀、表面濕潤狀態(tài)和粒度、分布等因素影響，因此需要純鎢粉體顆粒為球狀，
[0010]取表面無雜質(zhì)和氧吸附的球形純鎢粉體顆粒，篩選出鎢粉體大顆粒和鎢粉體小顆粒，鎢粉體大顆粒的中值粒徑為15-20 μ??，鎢粉體小顆粒的中值粒徑為1-3 μ??，鎢粉體小顆粒與鎢粉體大顆粒的粒度比(鎢粉體小顆粒與鎢粉體大顆粒的直徑比)為0.1-0.2，
[0011]將鎢粉體小顆粒與鎢粉體大顆?；旌?雙尺度)，得到混合粉體，鎢粉體大顆粒的質(zhì)量占混合粉體質(zhì)量的65% _75%，鎢粉體小顆粒的質(zhì)量占混合粉體質(zhì)量的35% -25%，從而滿足一定的粒徑分布(雙峰分布)，此時鎢粉體大顆粒為主體，鎢粉體小顆粒嵌入鎢粉體大顆粒之間的空隙中，混合粉體的松裝堆積密度多50%的理論密度，理論密度是元素物理量，純鎢的理論密度是19.3g/cm3，松裝堆積密度是指粉體裝填于測量容器時，不施加任何外力所測得的密度。測試方法按照GB/T1479.1-2011金屬粉末松裝密度的測定，第I部分:漏斗法執(zhí)行。
[0012]向混合粉體中加入媽、稀土元素和炭黑，加入媽的質(zhì)量不超過混合粉體質(zhì)量的
1.5%，加入稀土元素的質(zhì)量不超過混合粉體質(zhì)量的1.5%，加入碳黑的質(zhì)量不超過混合粉體質(zhì)量的0.5%，
[0013]2)激光成型與重熔
[0014]激光選區(qū)熔化成型是本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)手段，但現(xiàn)有技術(shù)還不能用激光選區(qū)熔化成型鎢金屬，為了克服鎢的高熱導、高熔點、高熔體粘度、高熔體張力特性，本申請通過篩選和配比球形鎢粉體顆粒的粒徑比和質(zhì)量比，添加熔池穩(wěn)定元素，優(yōu)化光纖激光器參數(shù)、掃描策略和粉床參數(shù)，并采用激光重熔、預熱和新型“多層復合鐵-隔熱材料-鎢基板”等特殊工藝措施，克服了這個技術(shù)屏障，這就是本申請的創(chuàng)新點。
[0015]激光選區(qū)熔化成型與重熔的步驟包括:
[0016]A、在光纖激光器的工作平臺上安裝金屬基板，并將金屬基板預熱至200_600°C，同時控制鋪粉刮刀與金屬基板的間隙為30 μm，在激光成型與重熔過程中，金屬基板始終保持在200-600°C，將I)制備的混合粉體填裝到粉體料倉中；
[0017]B、密封成形腔體，用真空泵將成形腔體內(nèi)抽至相對真空度為_90KPa (相對實驗地大氣壓，本專利實驗地點為北京)；
[0018]C、向成形腔體內(nèi)輸入保護氣體氬氣、氮氣或氦氣；
[0019]D、重復B-C步驟，使成形腔體內(nèi)氧含量降至300ppm以下，然后用激光對金屬基板“犧牲區(qū)域”進行掃描，消耗成型腔體內(nèi)殘留氧，直至氧含量降至50ppm以下，對成型腔體進行嚴格的氧含量控制，是為了盡量避免成型過程中的氧化和強烈反常熱毛細對流現(xiàn)象，從而減少熔滴團聚球化，提高最終成型致密度；
[0020]E、通過鋪粉機構(gòu)向金屬基板上送入粉體料倉中的混合粉體，并由鋪粉刮刀鋪平，得厚度30 μ m的混合粉體薄層；
[0021]F、開始成型，通過高能激光束熔化成型切片區(qū)域內(nèi)的混合粉體，在30min內(nèi)，成型腔體內(nèi)氧含量降至< lppm，并在激光成型與重熔過程中成型腔體內(nèi)氧含量始終< Ippm;
[0022]G、每一混合粉體薄層成型之后再重熔，即不鋪混合粉體激光重新掃描一次(laserremelting)，使表面粗糙度降低，下一層鋪粉更加均勻，并提高最終致密度，激光重熔的掃描方向與成型的掃描方向夾角為90°，以降低整體殘余應力，如圖1-2所示；
[0023]H、重熔完成后，工作平臺下降一個切片厚度(混合粉體薄層厚度)30 μπι;
[0024]1、重復步驟E-H，直至整個零件成形完畢。
[0025]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0026]進一步，在I)中，所述稀土元素為鑭系元素鑭、鐘、鐠、釹、钷、釤、銪、禮、鎮(zhèn)、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥中的一種或幾種。
[0027]采用此步驟的有益效果是加入鑭系元素是為了抑制成型過程中的氧化和強烈熱毛細對流引起的球化問題，增強激光吸收。
[0028]進一步，在2)的A中，所述金屬基板為多層復合“鋼-隔熱材料-鎢”基板，制備方法如下:取316L不銹鋼板(Renishaw公司市售產(chǎn)品)，在靠近316L不銹鋼板邊緣處開有安裝孔，用于與成型設(shè)備的工作平臺連接，在316L不銹鋼板上開槽，單個槽面積不超過10cm2,深度不超過5mm，將石棉放置于槽內(nèi)，作為隔熱層，取與槽形狀相匹配的鎢板，放置于槽內(nèi)石棉上，鎢板和不銹鋼板之間粘接或螺絲固定，鎢板表面與316L不銹鋼板表面在同一平面上，多層復合“鋼-隔熱材料-鎢”基板上分為犧牲區(qū)域和成型切片區(qū)域，成型切片區(qū)域為多層復合“鋼-隔熱材料-鎢”基板中鎢板所在的區(qū)域，犧牲區(qū)域為多層復合“鋼-隔熱材料-鎢”基板中鎢板之外的區(qū)域，如圖5-6所示。
[0029]采用此步驟的有益效果是為了避免其他元素對鎢的污染，成型基板采用軋制鎢板，但由于鎢板的熱導較高，會迅速傳遞走激光熱量，因此必須采用多層復合鋼-隔熱材料-鎢基板，減少整體熱導，減少激光熱量散失，避免鋼雜質(zhì)污染鎢。
[0030]進一步，在2)的A中，所述混合粉體填裝到粉體料倉時，需要在氬氣保護下的手套箱中進行，混合粉體用過之后，再次填裝到粉體料倉時，也需要在氬氣保護下進行。
[0031]采用此步驟的有益效果是避免粉體吸附氧。
[0032]進一步，在2)的G中，如果激光重熔掃描后未形成相互搭接良好的熔化軌跡，則重復2-3次重熔，滿意的情況如圖3，不滿意的情形如圖4。
[0033]進一步，在2)中，所述激光成型與重熔的參數(shù)一致或不一致，所述激光成型的參數(shù)為光纖激光器的輸出功率> 400W，激光輸出為調(diào)制脈沖激光模式，為了穩(wěn)定熔池，激光輸出為調(diào)制脈沖激光模式，光斑直徑< 100 μ m，點距(point distance) 30-50 μ m，曝光時間(exposure time) 200-300 μ S，速度 150-200mm/s，掃描間距(Hatch space) 80-120 μ m，考慮鎢粉體對激光的吸收系數(shù)、反射等因素之后，實際激光功率密度> 3X 106W/cm2;
[0034]所述