專利名稱：一種難熔金屬零部件的近凈成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于快速成形技術(shù)與粉末燒結(jié)復(fù)合成形領(lǐng)域，具體為一種近凈成形難熔金屬零件的方法。
背景技術(shù)：
難熔材料是以鎢、鑰等難熔金屬或添加一定的其他元素而構(gòu)成的一種純金屬或合金材料。與傳統(tǒng)合金材料相比，難熔材料的典型特點(diǎn)是熔點(diǎn)高，通常在3000°C左右，因此難于進(jìn)行鑄造加工且冶煉困難，多采用粉末冶金的方法加工成形。近年來，難熔材料零件由于其優(yōu)異的性能已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用；以鎢基合金為例，具有以下優(yōu)良性能，如密度高、抗拉強(qiáng)度好、延性好、具有良好的吸收射線的能力、良好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性及較低的熱膨脹系數(shù)，良好的耐腐蝕性與抗氧化性，良好的可焊接性和良好的機(jī)加工特性等。可用作防 輻射屏蔽材料和Y射線刀、導(dǎo)航儀的陀螺轉(zhuǎn)子，配重螺釘、調(diào)整片以及電鉚中的鉚釘材料，電火花加工用電極材料，點(diǎn)焊中的點(diǎn)焊材料，高壓開關(guān)的電接觸材料等等。粉末冶金(Powder Metallurgy, PM)是一種常見的難熔金屬零件的成形方法。其具體過程是將高熔點(diǎn)金屬粉末與添加元素進(jìn)行均勻混合，置于模具內(nèi)進(jìn)行壓制，再進(jìn)行燒結(jié)工藝處理，在燒結(jié)過程中低熔點(diǎn)粉末顆粒熔化粘結(jié)難熔金屬粉末，并在燒結(jié)過程中形成低熔點(diǎn)二元以及三元相從而形成以難熔金屬粉末為骨架以低熔點(diǎn)金屬粉末為粘結(jié)相的難熔燒結(jié)體。該成形方法可以生產(chǎn)W、Mo或其他合金難熔體。因此利用該技術(shù)可以制造出難熔金屬零件。為進(jìn)一步提高合金物理化學(xué)性能，還可加入特殊元素進(jìn)行改性。但是利用粉末冶金液相燒結(jié)法成形各種難熔材料零部件時(shí)，存在以下問題
(I)粉末冶金液相燒結(jié)法難以直接成形出任意復(fù)雜形狀的零件。難熔材料的應(yīng)用中如需要某種復(fù)雜形狀，粉末冶金液相燒結(jié)法則因工藝受限無法直接成形。實(shí)際生產(chǎn)中往往需要機(jī)械加工以及后續(xù)處理，這種方法不僅工藝繁瑣，生產(chǎn)效率低，而且還造成了材料的浪費(fèi)。(2)粉末冶金液相燒結(jié)法需要使用模具進(jìn)行成形，加工完成后需要將零件從模具中脫除，因此模具的設(shè)計(jì)與燒結(jié)工藝控制等環(huán)節(jié)至關(guān)重要，工藝控制困難，稍有偏差就會(huì)影響零件的尺寸精度。鎢合金，特別是其中的W-Ni-Fe合金具有諸如高密度、高強(qiáng)度、高延性、高導(dǎo)熱性和低膨脹率、良好電性等一系列優(yōu)良物理和力學(xué)性能，因而廣泛地被應(yīng)用于航空航天、軍事工業(yè)、電器儀表工業(yè)、壓力鑄造工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]。由于鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3410°C，因此該合金無法采用鑄造方法成形。二十世紀(jì)九十年代以前，該體系合金材料的成形基本靠傳統(tǒng)粉末冶金(PowderMetallurgy, PM)方法來實(shí)現(xiàn)，即零件制造需要經(jīng)過以下必要的步驟混粉、壓制、預(yù)燒、液相燒結(jié)、熱處理、毛坯機(jī)械加工、冷加工(旋鍛)、時(shí)效、機(jī)械加工。通過傳統(tǒng)PM方法成形的W-Ni-Fe合金往往形狀簡單，仍需要進(jìn)行必要的機(jī)械加工才能成為最終使用的零件，勢必造成工藝的繁瑣和較大的浪費(fèi)。傳統(tǒng)PM工藝中的液相燒結(jié)是靠混合粉末中的低熔點(diǎn)成分(Ni和Fe)在相對(duì)鎢熔點(diǎn)較低溫度下形成液相而實(shí)現(xiàn)致密化。而且據(jù)研究表明，當(dāng)液相量在3(T35Vol/%時(shí)，完全致密化才有可能。液相燒結(jié)過程中液體量(由Ni、Fe粘結(jié)相產(chǎn)生)直接影響合金的孔隙率，從而最終影響合金的綜合性能。因此，采用傳統(tǒng)PM方法成形W-Ni-Fe合金零件時(shí)，燒結(jié)液相量、零件致密化和零件綜合性能三者之間產(chǎn)生了相互制約和相互矛盾的關(guān)系，而且燒結(jié)零件容易產(chǎn)生坍塌和變形，局限了其進(jìn)一步發(fā)展。二十世紀(jì)九十年代中期出現(xiàn)了粉末注射成形(Powder Injection Molding, PIM)技術(shù)，可以制備具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的W-Ni-Fe合金精細(xì)零部件，由此拓寬了鎢合金在民用工業(yè)和軍工行業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域。但PM依然沒有脫離傳統(tǒng)PM的液相燒結(jié)致密化原理，且存在著如下缺欠(1)脫脂燒結(jié)前，零件毛坯的致密度低；(2)毛坯脫脂過程中易出現(xiàn)鼓泡、彎曲、開裂、坍塌等缺陷，目前只適合制備小零件；(3)整個(gè)過程需要模具支持，因此無法制造結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的零件，如曲面葉輪、三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)零件等，而且所需模具價(jià)格昂貴。 近年來出現(xiàn)利用SLM快速成形系統(tǒng)和激光器掃描的辦法實(shí)現(xiàn)合金材料零部件的近凈加工，極大方便了合金材料零部件的成型，但現(xiàn)有的加工方法的加工機(jī)理在于與傳統(tǒng)PM工藝中的液相燒結(jié)相同，即激光器掃描切片時(shí)，混合粉末中的低熔點(diǎn)成分(Ni和Fe)在相對(duì)鎢熔點(diǎn)較低溫度下形成液相而實(shí)現(xiàn)致密化。在瞬時(shí)熔化的條件下，低熔點(diǎn)成分造成的液相量幾乎達(dá)不到3(T35Vol/%的技術(shù)指標(biāo)，因而而SLM快速成形系統(tǒng)和激光器掃描的辦法最終影響合金的綜合性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種難熔金屬零部件的近凈成形方法，該方法無需模具，具有工藝過程可控性強(qiáng)，無需后處理，簡單易行、可制造復(fù)雜形狀的特點(diǎn)。本發(fā)明的方法制造W-Ni-Fe合金零件的科學(xué)意義在于能夠省去傳統(tǒng)PM成形方式的復(fù)雜(成形工藝繁瑣)耗時(shí)(燒結(jié)溫度高，時(shí)間長)的過程及彌補(bǔ)SLM方法液相量達(dá)不到致密化3(T35Vol/%的技術(shù)指標(biāo)，而不能完全發(fā)揮出合金的綜合性能的技術(shù)不足，本發(fā)明將成形過程控制在幾十微米的單元結(jié)構(gòu)內(nèi)，更有利于零件致密化。直接由零件CAD模型文件制造致密合金零件，并且能任意提高零件的復(fù)雜度，不受現(xiàn)有模具設(shè)計(jì)復(fù)雜度的限制，更進(jìn)一步拓寬鎢合金在民用工業(yè)和軍工行業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)零件的個(gè)性化設(shè)計(jì)與制造。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是；該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟I、采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的CAD模型，然后由切片處理軟件生成多層切片信息并保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)傳送到SLM快速成形系統(tǒng)；
步驟2、送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為0. 02、. 2mm厚度的待加工色金屬粉末(粒徑約為I(TlOOiim)；
步驟3、采用光纖激光器掃描切片，并將步驟2平鋪的待加工色金屬粉末全部熔化，其中掃描速度為5(Tl000mm/s ；
步驟4、重復(fù)上述步驟(2)- (3)，直到整個(gè)零件加工結(jié)束。本發(fā)明的有益效果是，將選擇性激光熔化(SLM)快速成形技術(shù)與粉末燒結(jié)成形結(jié)合起來，這種復(fù)合方法具有以下優(yōu)點(diǎn)
本項(xiàng)目成形W-Ni-Fe粉末制造零件不同于以往激光成形和傳統(tǒng)PM以及PIM的制造過程，主要區(qū)別在以下幾個(gè)方面，即本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處
(I)采用高功率高能量密度光纖激光，能量易為金屬粉末顆粒吸收，成形溫度可達(dá)到接近FeNi沸點(diǎn)，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有粉末冶金方法燒結(jié)溫度，有利于粉末合金化，并提高FeNi與W相的結(jié)合力。(2)光纖激光較通常采用的二氧化碳激光的光斑更細(xì)微，直徑僅為其十分之一左右，成形單元被控制在微小范圍內(nèi)，更有利于液體的填充和成形致密化。(3) SLM過程中產(chǎn)生的表面張力流、液體攪動(dòng)，并且由于成形單元微小而產(chǎn)生瞬間凝固現(xiàn)象能夠有效抑制合金晶粒長大，從而提高合金的綜合性能。
(4)綜合上述三點(diǎn)創(chuàng)新，結(jié)合SLM成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的特點(diǎn)，本項(xiàng)目能夠制造出具有高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)的W-Ni-Fe合金零件。
具體實(shí)施例方式 一種難熔金屬零部件的近凈成形方法，該方法借助于SLM快速成形系統(tǒng)和激光器掃描切片實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件加工成型，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟I、采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的CAD模型，然后由切片處理軟件生成多層切片信息并保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)傳送到SLM快速成形系統(tǒng)。步驟2、送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為0. 02、. 2mm厚度的待加工色金屬粉末(粒徑約為l(Tl00iim)。步驟3、采用光纖激光器掃描切片，并將步驟2平鋪的待加工色金屬粉末全部熔化，其中掃描速度為5(Tl000mm/s。通過光纖激光對(duì)所選擇區(qū)域的難熔金屬粉末進(jìn)行掃描，形成溫度極高的液相熔池，通過高能量密度的激光快速融化一快速凝固作用，使松散粉末形成致密的燒結(jié)體。這一加工過程比傳統(tǒng)的粉末冶金工藝成形出的零件具有更高的密度，并可通過成形工藝參數(shù)調(diào)整熔池的三維幾何形狀，以控制成型零件的致密化程度。步驟4、重復(fù)上述步驟(2)- (3)，直到整個(gè)零件加工結(jié)束。由于工藝參數(shù)具有靈活的可控性，可以形成不同溫度影響區(qū)域和極限溫度范圍，因而該復(fù)合成形法所涉及的成形材料成分較傳統(tǒng)粉末冶金廣泛。工藝過程簡單，避免了傳統(tǒng)的機(jī)加工，節(jié)省材料。本發(fā)明實(shí)施例中，光纖激光器可以為激光功率大于等于200W的YAG激光器。下面對(duì)本發(fā)明的具體過程作進(jìn)一步詳細(xì)的闡述
(I)每一層制造過程中，激光束對(duì)輪廓邊界和內(nèi)部的難熔金屬粉末進(jìn)化熔化，通過控制溫度場對(duì)難熔金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)。(2)重復(fù)上述過程，多層加工結(jié)束后，即可成形出具有一定形狀、一定強(qiáng)度的難熔金屬零件，對(duì)難熔金屬粉末進(jìn)行SLM燒結(jié)致密化控制的方法有以下兩種。(a)粉末成分控制與傳統(tǒng)粉末冶金工藝相似，在難熔金屬粉末中加入低熔點(diǎn)金屬粉末，考慮粉末的互溶度和液相表面張力，形成有利于致密化過程的低熔點(diǎn)相，保證難熔燒結(jié)體的成形性。(b)工藝參數(shù)控制在SLM加工中，由于激光光斑聚焦在部分區(qū)域，在這一特殊區(qū)域可形成極高溫度的熔池，達(dá)到極高的溫度3500°C)，熔池的溫度能接近甚至超過難熔金屬的熔點(diǎn)，將難熔金屬粉末熔化從而形成致密的燒結(jié)體。難熔金屬零件可以采用以下具體步驟成形
(I)采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的CAD模型，然后由切片處理軟件生成多層切片信息并保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)傳送到SLM快速成形系統(tǒng)。(2)送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為0. 02、. 2mm厚度的待加工粉末(粒徑約為 10^100u m)o(3)采用激光功率大于等于200W的YAG激光器或光纖激光器掃描切片并使難熔金屬粉末熔化，其中掃描速度為5(Tl000mm/S。(4)重復(fù)上述步驟(2) - (3)，直到整個(gè)零件加工結(jié)束。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是將選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)與粉末燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合。利用SLM技術(shù)可以在金屬粉床中形成極高的溫度場，根據(jù)CAD設(shè)計(jì)的復(fù)雜形狀切片，成形出具有任意復(fù)雜形狀的難熔金屬零件。實(shí)例I
(I)利用三維造型軟件(如UG、Pix)/E等)設(shè)計(jì)出難熔零件的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)信息輸入到SLM快速成形系統(tǒng)。(2)由送粉機(jī)構(gòu)在金屬基板上平鋪一層約為0. 02、. 2mm厚度的W-Ni混合粉末(其中W質(zhì)量分?jǐn)?shù)彡80%，粒徑約為10 100 u m)。
(3)采用激光功率為200W的YAG激光器或光纖激光器掃描選擇掃描路徑后的切片，使難熔混合金屬粉末熔化，其中掃描速度為10(T300mm/S。(4)重復(fù)上述步驟(2)- (3)，直到整個(gè)零件的外殼加工結(jié)束，此時(shí)W-Ni難熔金屬復(fù)雜金屬零件SLM加工完成。(5)最后，對(duì)成形出的W-Ni難熔合金復(fù)雜零件進(jìn)行后續(xù)加工(如拋光、熔滲等)，使零件的尺寸和形狀滿足零件要求。實(shí)例2
(I)利用三維造型軟件(如UG、Pix)/E等)設(shè)計(jì)出難熔零件的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)信息輸入到SLM快速成形系統(tǒng)。(2)由送粉機(jī)構(gòu)在金屬基板上平鋪一層約為0.05、. 15mm厚度的鎢粉(粒徑約為
10^100um)o(3)采用激光功率為200W的YAG激光器或光纖激光器掃描選擇加工路徑后的切片，使鎢粉末熔化，其中掃描速度為5(Tl000mm/S。(4)重復(fù)步驟(2)- (3)，直至具有一定復(fù)雜形狀的鎢金屬零件加工完成。(5)將所得到的具有復(fù)雜形狀的鎢金屬零件過機(jī)械拋光等步驟后處理，即可以得到具有一定復(fù)雜形狀和尺寸的純鎢難熔金屬零件。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種難熔金屬零部件的近凈成形方法，該方法借助于SLM快速成形系統(tǒng)和激光器掃描切片實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件加工成型，其特征在于該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟I、采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的CAD模型，然后由切片處理軟件生成多層切片信息并保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)傳送到SLM快速成形系統(tǒng)； 步驟2、送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為0. 02、. 2mm厚度的待加工金屬粉末(粒徑約為 I(TlOOiim)； 步驟3、采用光纖激光器掃描切片，并將步驟2平鋪的待加工色金屬粉末全部熔化，其中掃描速度為5(Tl000mm/s ； 步驟4、重復(fù)上述步驟(2)- (3)，直到整個(gè)零件加工結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種難熔金屬零部件的近凈成形方法，其特征在于光纖激光器可以為激光功率大于等于200W的YAG激光器。
全文摘要
一種難熔金屬零部件的近凈成形方法，解決PM成形方式的復(fù)雜、耗時(shí)及彌補(bǔ)SLM方法液相量達(dá)不到致密化30~35Vol/%的技術(shù)指標(biāo)，而不能完全發(fā)揮出合金的綜合性能的技術(shù)不足，采用的方法是，1、采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的CAD模型，然后由切片處理軟件生成多層切片信息并保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)傳送到SLM快速成形系統(tǒng)；2、送粉機(jī)構(gòu)在工作平臺(tái)上平鋪一層約為0.02~0.2mm厚度的待加工金屬粉末(粒徑約為10~100μm)；3、采用光纖激光器掃描切片，并將步驟2平鋪的待加工色金屬粉末全部熔化，其中掃描速度為50~1000mm/s；4、重復(fù)上述步驟(2)(3)，直到整個(gè)零件加工結(jié)束。有益效果是粉末合金化，并提高合金的結(jié)合力，更有利于液體的填充和成形致密化，從而提高合金的綜合性能。
文檔編號(hào)B22F3/00GK102773479SQ20121023134
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者劉華南, 劉錦輝, 吳桐, 肖勝兵, 謝文娟 申請(qǐng)人:黑龍江科技學(xué)院