一种基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法

1.本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法。


背景技术：

2.增材制造技术(俗称“3d打印”技术)是近三十年来发展起来的基于数字模型设计软件将材料分解为逐层数据以实现累加制造实体零件的技术，具有成形速度快、生产周期短、材料利用率高、材料适应性好、无需图纸及工装设备、数字化程度高等优点，广泛应用于机械制造、航空航天、生物医疗等领域。
3.铜及铜合金具有优良的导电性、导热性、硬度高、耐磨抗裂等特点，被广泛应用于轨道交通、航空航天和电子信息等领域，对国民经济和科技进步起着极为重要的作用。随着工业发展，我国对高性能铜合金零件的需求量持续上升，特别是电子行业的迅猛发展，对铜合金的性能提出了新的要求与挑战：在微电子领域，为保证集成电路的可靠性和耐久性，对框架材料有着诸多的要求，其中最为核心的要求即对导电性和强度的要求；在电阻点焊电极、电气工程开关触桥等领域对铜合金的要求同样也多集中于其力学性能和导电性；在电力电气和轨道交通领域，需要材料在电弧侵蚀、高温、高速、极端天气的条件下保持稳定载流，对铜合金的硬度、电导率和载流摩擦磨损特性提出了很高的要求。
4.铜合金虽然便于挤压、铸造成形，但是焊接较为困难，铸造和锻造工艺很难实现复杂形状铜合金零件的制备，与传统工艺相比，激光选区熔化技术(selective laser melting,slm)作为一种增材制造(additive manufacturing,am)技术，采用高能量激光器作为热源，通过逐层铺粉、逐层激光照射实现单层金属粉末熔化后快速凝固，再用金属粉末覆盖已成形区域自动实现层层堆叠，以制造出致密的实体零件。与其它金属零件成形方法相比，slm技术成形特点是成形速度快、材料利用率高，并且可制造如空腔、栅格、多孔、内流道等结构复杂的零件。
5.目前对于cucrzr激光选区熔化工艺的研究多为正交试验法，激光选区熔化制造出的cucrzr合金零件的致密度多在97％-99％，极少数研究的致密度可达99.5％，制备高致密零件的技术成熟度较低，缺少工艺参数与缺陷形成的理论分析。已有研究中提出的一些工艺优化措施，如使用大功率激光器、短波长激光等，成本较高，可操作性低，不易大范围普及和推广。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，旨在解决现有的工艺优化成本高、效率低的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，该方法包括如下步骤：
8.s1在第一参数范围内，利用不同参数组合对合金粉末进行激光选区熔化成形以制
备试样，然后对所述试样进行成形效果分析，同时通过激光选区熔化单道成形获得不同参数组合的熔池尺寸；
9.s2在第二参数范围内，利用不同参数组合对合金粉末进行激光选区熔化单道成形，以得到不同参数组合的熔池尺寸并根据其建立熔池搭接模型；
10.s3根据所述熔池搭接模型，获得第一参数范围内不同参数组合的熔池搭接率，并分析成形效果与熔池搭接率的关系；
11.s4根据所述熔池搭接模型，计算第二参数范围内不同参数组合的熔池搭接率，并根据第一参数范围内成形效果与熔池搭接率的关系，对第二参数范围内激光熔化成形的成形效果进行预测，以获得优化工艺参数区间，进而实现基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化。
12.作为进一步优选地，步骤s1中，所述成形效果包括致密度和可打印性，所述可打印性包括：成形质量、缺陷和微观组织。
13.作为进一步优选地，步骤s1和s2中，所述合金粉末为cucrzr合金粉末，其中各组分质量配比为cu：cr：zr＝98.3～99：0.7～1.1：0.3～0.6。
14.作为新一步优选的，所述第一参数范围包括择激光功率、扫描线间距和曝光时间三个变量；所述第二参数范围包括激光功率和曝光时间两个变量。
15.作为进一步优选的，所述第一参数范围中各个变量的取值为3～5个；所述第二参数范围中各个变量的取值为10～20个。
16.作为进一步优选的，步骤s3中，使用proe建立熔池搭接模型，使用caxa进行熔池搭接率计算。
17.作为进一步优选的，所述基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法还包括步骤s5，具体为：在优化工艺参数区间进行激光选区熔化，然后进行成形效果验证。
18.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
19.有益效果：
20.1.本发明通过激光选区熔化单道成形确定不同工艺参数对熔池形貌尺寸的影响，以此搭建“工艺参数-熔池尺寸”的熔池搭接模型并计算熔池搭接率，结合致密度和可打印性分析结果，能够找到最佳熔池搭接状态，预测并避免缺陷的形成，从而科学高效地进行成形工艺优化设计，实现合金激光选区熔化工艺优化，以此解决当前工艺优化成本较高、效率较低等问题；
21.2.同时，本发明对第一参数范围和第二参数范围中变量的取值数量进行优化，在小参数范围内制备试样，并在大参数范围内进行单道成形，能够有效提高工艺优化效率，降低优化成本。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法的流程图；
23.图2是本发明实施例中用于激光选区熔化的合金粉末的sem图；
24.图3是本发明实施例中制得试样的成形效果分析；
25.图4是本发明实施例中第一参数范围内试样致密度和体能量密度的关系及缺陷分
析；
26.图5是本发明实施例中基于熔池搭接模型获取的截面搭接情况及不同参数组合，其中(a)为不同参数下搭接模型的熔池搭接情况，(b)为不同参数下搭接模型对应的不同搭接率占比；
27.图6是本发明实施例中工艺优化后试样成形情况及微观组织形貌，其中(a)为基于熔池搭接模型工艺优化后的试样宏观成形情况，(b)为未腐蚀的微观组织，(c)为腐蚀后的微观组织。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.如图1所示，本发明提供了一种基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，该方法包括如下步骤：
30.s1在第一参数范围内，利用不同参数组合对合金粉末进行激光选区熔化成形以制备试样，然后对试样进行成形效果分析，包括致密度和可打印性分析，同时通过激光选区熔化单道成形获得不同参数组合的熔池尺寸；
31.s2在第二参数范围内，利用不同参数组合对合金粉末进行激光选区熔化单道成形，以得到不同参数组合的熔池尺寸并根据其建立熔池搭接模型；
32.s3根据熔池搭接模型，截得模型沿打印方向剖面，获得第一参数范围内不同参数组合的熔池搭接率，并分析成形效果与熔池搭接率的关系；
33.s4根据熔池搭接模型，计算第二参数范围内不同参数组合的熔池搭接率，结合第一参数范围内致密度和可打印性分析结果，分析其对应的熔池搭接率的情况，对第二参数范围内激光熔化成形的致密度和可打印性进行预测，以计算最佳搭接率，进而获得优化工艺参数区间；
34.s5在优化工艺参数区间中选择部分工艺参数进行激光选区熔化，然后进行致密度测试和可打印性验证。
35.进一步，步骤s1中，成形效果包括致密度和可打印性，其中可打印性包括：成形质量、缺陷和微观组织，采用zeiss ax10光学显微镜和st-100e全自动电子密度计进行可打印性分析。
36.进一步，步骤s1和s2中，通过旋转电极雾化制备合金粉末，合金粉末为cucrzr合金粉末，其中各组分质量配比为cu：cr：zr＝98.3～99：0.7～1.1：0.3～0.6。选择激光功率、扫描线间距和曝光时间三个变量参数作为正交试验因素，进行实验制备试样。
37.进一步，第一参数范围中各个变量参数的取值为3～5个；第二参数范围中各个变量参数的取值为10～20个，通过在小参数范围内进行块体成形预实验制备试样，在大参数范围内进行激光选区熔化单道成形，能够有效降低参数优化的工作量和实验成本。
38.进一步，步骤s3中，使用proe建立熔池搭接模型，使用caxa进行熔池搭接率计算。
39.下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。
40.一、激光选区熔化
41.将混合好的合金粉末收集在粉末缸内，对基板进行清理、喷砂、去除表面氧化层之后进行安装，最后完成刮刀的更换安装。打开抽气装置，充入氩气保护，使设备内氧气含量保证在100ppm以下，并对不锈钢基板预热到170℃。使用quantam软件完成5
×5×
5mm3正方体模型的建立及工艺参数的设置，将模型数据导入设备后设备系统自动开始试样制造。本实验选择激光功率、扫描线间距、曝光时间三个变量作为正交试验因素，进行实验制备试样，第一参数范围内包括4个激光功率(p/w：310、330、350、370)，3个扫描线间距(h/μm：50、70、90)和3个曝光时间(θ/μs：120、150、200)。
42.二、致密度分析
43.将线切割后的试样放入无水乙醇中超声清洗去除表面粘附的杂质后进行干燥，将试样放在st-100e全自动电子密度计测量台上称重，待示数稳定后按键记录数据，再将试样放在水槽里的吊篮中称重，待示数稳定后按键直接得到结果，记录数据以实现致密度分析。每个试样保证至少3次测量，取平均值以减小误差。
44.三、可打印性分析
45.可打印性分析为三方面：成形质量分析，缺陷分析，微观组织分析。
46.成形质量分析直接在打印过程进行，对不同工艺参数的试样逐层制造过程中翘曲，过热等成形质量问题进行分析；
47.缺陷分析使用zeiss ax10光学显微镜，对打磨抛光试样的表面孔隙率和孔隙形貌进行分析，对打印缺陷进行归类判断；
48.微观组织分析使用zeiss ax10光学显微镜对经抛光腐蚀后的试样进行分析，观察熔池形貌及熔池搭接情况。
49.四、熔池搭接模型
50.熔池搭接模型使用proe软件对不同参数组合进行单道成形实验获得的熔池尺寸进行建模。第二参数范围内包括10个激光功率(p/w：300、310、320、330、340、350、360、370、380、390)和9个曝光时间(θ/μs：120、130、140、150、160、170、180、190、200)，建模时使用3个扫描线间距(h/μm：50、70、90)。固定层间厚度和67
°
扫描策略，输入不同的熔宽、熔深及扫描线间距，在本熔池搭接模型模拟过程中，不考虑焊道余高的影响。
51.五、搭接率计算及缺陷预测
52.基于熔池搭接模型，截得模型沿打印方向剖面，获得熔池搭接情况，计算并统计熔池搭接率r
l
，进行cucrzr激光选区熔化的缺陷预测，其缺陷边界条件如下：
53.未熔合：
54.d/t＜1或h/w＜1或r
l
≤3
55.匙孔：
56.r
l
≥8
57.其中，d为熔池的深度，w为熔池的宽度，t为层厚，h为扫描线间距。
58.六、工艺设计优化的验证
59.包括两个方面：致密度测试和微观组织验证。
60.致密度测试使用st-100e全自动电子密度计，取用模型模拟计算后具有代表性的工艺参数组合制造的测试试样，测得其致密度，每个试样保证至少三次测量，取平均值以减小误差。
61.微观组织验证使用zeiss ax10光学显微镜，对经抛光腐蚀后的试样进行分析，腐蚀后熔合线即熔池边界清晰可见，观察熔池形貌及熔池搭接情况，观察缺陷位置及形状。
62.七、实验结果分析
63.图2为98.7cu-0.82cr-0.48zr合金粉末与激光选区熔化打印成形效果；旋转电极雾化制造的粉末球形度良好，霍尔流速21.2s/50g，符合激光选区熔化使用的粉末标准。
64.图3为成形效果图，其显示cucrzr合金粉末具有可打印性，但是打印过程中各别参数试样翘曲，影响试样成形；各别试样在打印过程中由于试样整体过热，熔池塌陷，成形精度差；同时，高体能量密度试样表面存在明显的肉眼可见的匙孔缺陷。
65.图4为结合zeiss ax10光学显微镜分析的cucrzr合金的成形形貌。可以看到试样在高扫描速度、宽扫描线间距、低激光功率情况(低体能量密度)下，存在未熔合缺陷；在低扫描速度、高激光功率情况(高体能量密度)下，存在匙孔。结合致密度体能量密度云图进一步分析，发现仅在一定体能量密度范围内可成形良好，且不同工艺参数组合出的相同体能量密度下成形情况也不尽相同，仅通过体能量密度难以完整说明试样的可打印性，可见最优工艺参数是特定工艺参数组合的结果，在该组合内成形具有较高质量。
66.图5为在不同工艺参数单道实验中得到的熔池尺寸并建立熔池搭接模型后，获取的不同工艺参数组合的熔池搭接情况，基于搭接模型计算熔池搭接率，结合块体成形显微组织及致密度，对比对应工艺参数成形试样微观组织可以发现搭接率r
l
≤3时易出现未熔合缺陷，r
l
≥8时易出现匙孔缺陷，即在不同参数工艺下的熔池搭接过程中，搭接次数不够出现未熔合，搭接次数过多则使得熔池在复杂的热循环作用下难以排出气体，故而成形效果差的位置集中于搭接3次以下及8次以上的位置，这有助于分析缺陷产生的位置及缺陷类型。
67.图6为基于熔池搭接模型工艺优化后所选取的r
l
主要集中于4-7的工艺参数下试样成形情况及微观组织形貌，可见成形良好，未见未熔合、匙孔等缺陷。
68.传统基于激光体能量密度和致密度的工艺优化方法，不仅效率低，对相同体能量密度的不同工艺参数组合导致低致密度这一现象也缺乏说服力。本发明通过建立参数与尺寸的定量关系，搭建“工艺参数-熔池尺寸”熔池搭接数学模型，预测并避免缺陷的形成，科学高效的进行成形工艺优化设计，实现了高致密度cucrzr合金激光选区熔化成形工艺优化，对解决当前工艺优化成本较高、效率较低的发展限制问题具有重要意义。
69.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：s1在第一参数范围内，利用不同参数组合对合金粉末进行激光选区熔化成形以制备试样，然后对所述试样进行成形效果分析，同时通过激光选区熔化单道成形获得不同参数组合的熔池尺寸；s2在第二参数范围内，利用不同参数组合对合金粉末进行激光选区熔化单道成形，以得到不同参数组合的熔池尺寸并根据其建立熔池搭接模型；s3根据所述熔池搭接模型，获得第一参数范围内不同参数组合的熔池搭接率，并分析成形效果与熔池搭接率的关系；s4根据所述熔池搭接模型，计算第二参数范围内不同参数组合的熔池搭接率，并根据第一参数范围内成形效果与熔池搭接率的关系，对第二参数范围内激光熔化成形的成形效果进行预测，以获得优化工艺参数区间，进而实现基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化。2.如权利要求1所述的基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，其特征在于，步骤s1中，所述成形效果包括致密度和可打印性，所述可打印性包括：成形质量、缺陷和微观组织。3.如权利要求1所述的基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，其特征在于，步骤s1和s2中，所述合金粉末为cucrzr合金粉末，其中各组分质量配比为cu：cr：zr＝98.3～99：0.7～1.1：0.3～0.6。4.如权利要求1所述的基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，其特征在于，所述第一参数范围包括择激光功率、扫描线间距和曝光时间三个变量；所述第二参数范围包括激光功率和曝光时间两个变量。5.如权利要求1所述的基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，其特征在于，所述第一参数范围中各个变量的取值为3～5个；所述第二参数范围中各个变量的取值为10～20个。6.如权利要求1所述的基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，其特征在于，步骤s3中，使用proe建立熔池搭接模型，使用caxa进行熔池搭接率计算。7.如权利要求1所述的基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，其特征在于，所述基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法还包括步骤s5，具体为：在优化工艺参数区间进行激光选区熔化，然后进行成形效果验证。

技术总结
本发明提供了一种基于熔池搭接模型的激光选区熔化工艺优化方法，属于增材制造领域，该方法具体为：在第一参数范围内，对合金粉末进行激光选区熔化成形以制备试样，然后对试样进行成形效果分析；在第二参数范围内，对合金粉末进行激光选区熔化单道成形，以得到熔池尺寸并根据其建立熔池搭接模型；根据熔池搭接模型，获得第一参数范围和第二参数范围内不同参数组合的熔池搭接率，并根据第一参数范围内成形效果与熔池搭接率的关系，对第二参数范围内激光熔化成形的成形效果进行预测，以获得优化工艺参数区间。本发明能够科学高效地进行成形工艺优化设计，实现合金激光选区熔化工艺优化，以此解决当前工艺优化成本高、效率低等问题。题。题。


技术研发人员：韩永典 张雅晴 徐连勇 赵雷 郝康达
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/7/19