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一種制備千層鋼板的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510942431.4

申請日:

2015.12.16

公開號:

CN105478766A

公開日:

2016.04.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):B22F 3/105申請日:20151216|||公開
IPC分類號: B22F3/105; B33Y10/00(2015.01)I 主分類號: B22F3/105
申請人: 陽江市五金刀剪產業技術研究院; 蘭州理工大學
發明人: 張瑞華; 尹燕; 劉鵬宇; 屈岳波; 路超; 栗子林; 許廣偉
地址: 529500廣東省陽江市高新區福岡工業園科技五路科技企業孵化中心首層
優先權:
專利代理機構: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102 代理人: 林麗明; 何淑珍
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510942431.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.01.23|||2016.05.11|||2016.04.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種千層鋼板的制作方法。本發明使用兩種不同金屬粉末交替鋪粉,利用激光選區分層熔化技術,直接打印成型千層鋼板。與傳統千層鋼制造工藝比,本發明能夠直接打印出滿足使用要求的千層鋼板。本發明的優點在于,其組織、成分、性能與傳統工藝相當,制造成本低,成型效率高,可根據不同的需要,改變粉末類型,設定掃描路徑,即可生產出不同類型的千層鋼。

權利要求書

1.一種制備千層鋼板的方法,其特征在于,使用兩種不同金屬粉末交替鋪粉,利用激光
選區分層熔化技術,直接打印成型千層鋼板,其包括以下制備步驟:
1)、建立千層鋼成型件三維模型,在高度方向上對其進行分層切片,設定掃描路徑,將
保存好的掃描路徑信息導入激光選區熔化設備處理器中;
2)、調整柔性刮刀的高度及其刮粉速度,以使鋪粉層厚與切片信息相一致,設定激光束
的功率、掃描速度、掃描間距和掃描方式;
3)、打開激光選區熔化設備的工作艙,將基板固定在工作臺上,封閉艙門,基板預熱到
200℃,抽真空充入保護氣,使氧濃度降到要求的范圍;
4)、左送粉缸送粉,左柔性刮刀在基板上均勻鋪覆一層待加工第一種金屬粉末,金屬粉
末厚度與步驟1)中切片厚度保持一致;
5)、激光束按照預先設定的掃描路徑、掃描方式對基板上的金屬粉末進行掃描,金屬粉
末熔化并凝固,形成熔覆層,掃描過程中出現的飛濺、氣化產物利用氣刀將其吹走;
6)、基板下降一個層厚的距離,右送粉缸上升一個層厚的高度送粉,并在步驟5)中形成
的熔覆層上用右柔性刮刀均勻鋪上第二種金屬粉末;
7)、激光束按照預先設定的掃描路徑、掃描方式對基板上的金屬粉末進行掃描,金屬粉
末熔化并凝固,形成熔覆層,掃描過程中出現的飛濺、氣化產物利用氣刀將其吹走;
8)、完成步驟7)中一個層面掃描后,基板下降一個層厚的距離,左送粉缸上升一個層厚
的高度送粉,并在步驟7)中形成的熔覆層上用左柔性刮刀均勻鋪上第一種金屬粉末;
9)、重復上述步驟5)~8),直至千層鋼板加工完成,關閉系統,待部件冷卻至室溫時取
出。
2.根據權利要求1所述的制備千層鋼板的方法,其特征在于,(因根據情況是不確定的,
影響權利要求表達清晰的要求,省去前面描述,放入說明書中)所述激光束的掃描方式為逐
點掃描、線掃描、面掃描、隨機掃描、或者按照輸入程序掃描。
3.根據權利要求2所述的制備千層鋼板的方法,其特征在于,所述激光束的掃描方式為
按照輸入程序掃描,以對每層金屬粉末按照特定的路線進行掃描,使打印的千層鋼板在后
期加工時出現立體感花紋、特殊紋路以及其他的一些特效。
4.根據權利要求1所述的制備千層鋼板的方法,其特征在于,所述金屬粉末的球形度≥
98%,顆粒度300-500目。
5.根據權利要求1所述的制備千層鋼板的方法,其特征在于,所述鋪粉厚度為0.04-
0.1mm。
6.根據權利要求1所述的制備千層鋼板的方法,其特征在于,所述激光束的功率為300-
500W,光束質量M2<1.1,掃描速度300-700mm/S,激光光束光斑直徑50-100μm,掃描間距50-
150μm,基板預熱溫度>200℃,激光束掃描方式:X-Y正交掃描,激光能量分布滿足高斯分布,
激光輸出模式為連續單模。
7.根據權利要求1所述的制備千層鋼板的方法,其特征在于,所述成型倉內的氧濃度控
制范圍5-10ppm,保護氣體為純度達到99.99%的氬氣。
8.根據權利要求1所述的制備千層鋼板的方法,其特征在于,所述激光掃描時的氣刀壓
力為0.1-0.2Mpa。

說明書

一種制備千層鋼板的方法

技術領域

本發明屬于屬于增材制造領域,更具體地說,尤其涉及一種千層鋼板的制作方法。

背景技術

激光選區熔化技術(SLM)是指基于離散-堆積原理,利用激光、精密傳動、新材料、
計算機輔助設計/計算機輔助制造(CAD/CAM)等技術,通過精細激光聚焦光斑,逐線搭接掃
描新鋪粉層上選定的區域,形成二維輪廓后,層與層堆積成型制造,從而直接獲得幾乎任意
形狀、具有完全冶金結合的金屬功能零件的科學技術體系。與傳統加工技術不同,通過激光
選區熔化技術在一臺設備上即可快速、精密地制造出致密度可達95%以上、任意復雜形狀的
零件,從而實現了零件的“自由制造”,解決了許多復雜結構零件成形困難等問題,大大減少
了加工工序,縮短了加工周期,適合制造傳統工藝無法加工或者加工工藝繁瑣的零件。

千層鋼板性能優異,機械加工性能良好,經熱處理后,具有優良的耐腐蝕性能、較
高的強度和耐磨性。傳統的千層鋼板通過層焊不同質量的鋼和軟鐵,經錘打及焊接熔合制
造而成,同時兼顧整體柔韌性,鋼板上的圖案除用酸蝕外,亦可用錘打、沖擊、銼和磨的方法
制成。現代的千層鋼板一般由互補的兩種鋼材在一起鍛造而成。通過軟硬材料層疊在一起
鍛造出的鋼材既具有韌性也具有韌性。

瑞典利用粉末冶金法制成柱狀千層鋼,而后通過鍛壓、酸洗工藝加工成市場上受
大眾青睞的各種千層鋼制品,具體流程如下:

1)利用粉末冶金方法,把兩種組分粉末按特定分層方法,熔壓成大尺寸圓柱鋼。

2)通過鍛軋,把圓柱鋼材鍛造成尺寸合適的板材。

3)用特定形狀的模具,在板材上鍛造出凹凸。

4)將板材上的凸起磨平,酸洗出花紋。

由此可見,采用的無論是傳統工藝或者是當今比較先進的粉末冶金法,生產的千
層鋼板都會受到制造技術限制,工藝繁瑣,產品單一,難以滿足日新月異的市場需求,為此
本發明公開了一種利用激光選區熔化技術制備千層鋼板的方法。

發明內容

本發明地目的是提供一種利用激光選區熔化設備,交替鋪覆兩種不同的金屬粉
末,通過激光選區熔化技術,按照預先設定的激光成形參數,層層選區熔化,快速的制造出
具有一定使用性能的千層鋼板的制備方法。

本發明通過以下技術方案實現。

本發明是一種制備千層鋼板的方法,使用兩種不同金屬粉末交替鋪粉,利用激光
選區分層熔化技術,直接打印成型千層鋼板,其包括以下制備步驟:

1)、建立千層鋼成型件三維模型,在高度方向上對其進行分層切片,設定掃描路徑,將
保存好的掃描路徑信息導入激光選區熔化設備處理器中;

2)、調整柔性刮刀的高度及其刮粉速度,以使鋪粉層厚與切片信息相一致,設定激光束
的功率、掃描速度、掃描間距和掃描方式;

3)、打開激光選區熔化設備的工作艙,將基板固定在工作臺上,封閉艙門,基板預熱到
200℃,抽真空充入保護氣,使氧濃度降到要求的范圍;

4)、左送粉缸送粉,左柔性刮刀在基板上均勻鋪覆一層待加工第一種金屬粉末,金屬粉
末厚度與步驟1)中切片厚度保持一致;

5)、激光束按照預先設定的掃描路徑、掃描方式對基板上的金屬粉末進行掃描,金屬粉
末熔化并凝固,形成熔覆層,掃描過程中出現的飛濺、氣化產物利用氣刀將其吹走;

6)、基板下降一個層厚的距離,右送粉缸上升一個層厚的高度送粉,并在步驟5)中形成
的熔覆層上用右柔性刮刀均勻鋪上第二種金屬粉末;

7)、激光束按照預先設定的掃描路徑、掃描方式對基板上的金屬粉末進行掃描,金屬粉
末熔化并凝固,形成熔覆層,掃描過程中出現的飛濺、氣化產物利用氣刀將其吹走;

8)、完成步驟7)中一個層面掃描后,基板下降一個層厚的距離,左送粉缸上升一個層厚
的高度送粉,并在步驟7)中形成的熔覆層上用左柔性刮刀均勻鋪上第一種金屬粉末;

9)、重復上述步驟5)~8),直至千層鋼板加工完成,關閉系統,待部件冷卻至室溫時取
出。

上述激光束的掃描方式為逐點掃描、線掃描、面掃描、隨機掃描、或者按照輸入程
序掃描。

上述激光束的掃描方式為按照輸入程序掃描,以對每層金屬粉末按照特定的路線
進行掃描,使打印的千層鋼板在后期加工時出現立體感花紋、特殊紋路以及其他的一些特
效。

上述金屬粉末的球形度≥98%,顆粒度300-500目。

上述鋪粉厚度為0.04-0.1mm。

上述激光束的功率為300-500W,光束質量M2<1.1,掃描速度300-700mm/S,激光光
束光斑直徑50-100μm,掃描間距50-150μm,基板預熱溫度>200℃,激光束掃描方式X-Y正交
掃描,激光能量分布滿足高斯分布,激光輸出模式為連續單模。

上述成型倉內的氧濃度控制范圍5-10ppm,保護氣體為純度達到99.99%的氬氣。

上述激光掃描時的氣刀壓力為0.1-0.2Mpa。

本發明的優點在于,(1)制備過程中無需鍛壓,可以有效減少尺寸誤差,降低雜質
含量,同時,激光選區熔化過程中有惰性氣體保護,可以有效的避免千層鋼板在鍛壓、軋制
過程中出現的氧化等問題,從而提高千層鋼的綜合性能;(2)粉末熔化的時候,液相熔池溫
度高、尺寸小、凝固時間短,因此冷卻速度高,為高度非平衡凝固,能有效減少合金元素的微
觀偏析,合金致密度較傳統粉末冶金工藝更高,具有細小、均勻、穩定的快速凝固組織,從而
獲得力學性能優異的千層鋼板;(3)可以根據不同的需求,進行柔性化定制,尤其是內部結
構具有成分區別、用傳統方法無法制造或者制造工藝很復雜的千層鋼板,結構越復雜,利用
激光選區熔化技術制備千層鋼板越有優勢;(4)同一層內成分均勻分布,相尺寸細小,遠小
于傳統方法制備得到的相尺寸,提高了鋼板的綜合性能。

附圖說明

附圖1為本發明激光選區熔化系統的結構示意圖。

附圖2為本發明的流程圖示意圖。

附圖中個數字標號的名稱分別是:1-左柔性刮刀,2-右柔性刮刀,3-第一種金
屬粉末,4-第二種金屬粉末,5-左送粉缸,6-左送粉缸活塞,7-成型缸活塞,8-右送粉
缸活塞,9-右送粉缸,10-激光發生器,11-掃描系統,12-激光發生器,13-基板,14-成
型件。


具體實施方式

下面對本發明作進一步詳細描述。

名詞解釋:

掃描路徑:路徑是激光行走的軌跡,生成切片信息的時候加上去的激光加工路徑;

掃描方式:指不同軌跡之間的位置關系,掃描方式是與功率、掃描速度,一塊設定的一
個參數。

如圖1所示,本發明的制備千層鋼板的方法需要用到激光選區熔化系統,該系統包
括工作艙、工作臺、左送粉缸5、右送粉缸9、左柔性刮刀1、右柔性刮刀2、激光器發生器10、
12、掃描系統11,其中工作臺、左送粉缸5、右送粉缸9、左柔性刮刀1、右柔性刮刀2安裝在工
作艙中由工作艙密封,其中左送粉缸5連接有左送粉缸活塞6實現升降,右送粉缸9連接有右
送粉缸活塞8實現升降,工作臺連接有成型缸活塞7實現升降。

如圖2所示,本發明的制備千層鋼板的方法包括以下制備步驟:

1)、利用計算機設計出千層鋼板的三維模型,通過切片軟件在模型的高度方向上對其
進行分層切片,切片厚度為0.04-0.1mm,設定掃描路徑,將保存好的掃描路徑信息導入激光
選區熔化設備處理器中;

2)、調整柔性刮刀的高度及其刮粉速度,以使鋪粉層厚與切片信息相一致,設定激光束
的功率、掃描速度、掃描間距和掃描方式;

3)、打開激光選區熔化設備的工作艙,將基板13固定在工作臺上,封閉艙門,基板13預
熱到200℃,抽真空并充入純度為99.99%氬氣進行保護,氧濃度保持在5-10ppm內;

4)、左送粉缸5送粉,左柔性刮刀1在基板13上均勻鋪覆一層待加工第一種金屬粉末3,
金屬粉末厚度與步驟1)中切片厚度保持一致,金屬粉末厚度為0.04-0.1mm;

5)、激光束按照預先設定的掃描路徑、掃描方式對基板13上的金屬粉末進行掃描,金屬
粉末熔化并凝固,形成熔覆層,掃描過程中出現的飛濺、氣化產物利用氣刀將其吹走,氣刀
口的壓強為0.1-0.2MPa;

6)、基板13下降一個層厚的距離,右送粉缸9上升一個層厚的高度送粉,并在步驟5)中
形成的熔覆層上用右柔性刮刀2均勻鋪覆一層厚度為0.04-0.1mm的第二種金屬粉末4;

7)、激光束按照預先設定的掃描路徑,選擇性的對基板13上的金屬粉末進行掃描,金屬
粉末熔化并凝固,形成熔覆層;

8)、完成步驟7)中一個層面掃描后,基板13下降一個層厚的距離,左送粉缸5上升一個
層厚的高度送粉,并在步驟7)中形成的熔覆層上用左柔性刮刀1均勻鋪覆一層厚度為0.04-
0.1mm的第一種金屬粉末3;

9)、重復上述步驟5)~8),直至千層鋼板加工完成,關閉系統,待部件冷卻至室溫時取
出。

上述步驟中,激光束的功率為300-500W,光束質量M2<1.1,掃描速度300-700mm/S,
激光光束光斑直徑50-100μm,掃描間距50-150μm,基板預熱溫度:>200℃,激光束掃描方式
X-Y正交掃描,激光能量分布滿足高斯分布,激光輸出模式為連續單模;金屬粉末的球形度
≥98%,顆粒度300-500目。

實施例1

1)、將設計的千層鋼板的三維模型進行切片處理,切片厚度為0.05mm,且包含待加工零
件的橫截面輪廓信息和掃描加工路徑,保存成.STL格式后導入激光選區熔化設備處理器
中;

2)、調整柔性刮刀的高度及其刮粉速度,以使鋪粉層厚與切片信息相一致,設定激光束
的功率、掃描速度、掃描間距和掃描方式;

3)、選定適合千層鋼板的基板13,固定在工作臺上,密封成型倉,抽真空并充入純度為
99.99%氬氣進行保護,氧濃度保持在5-10ppm內;

4)、左送粉缸5送粉,左柔性刮刀1在基板13上均勻鋪覆一層厚度為0.05mm的第一種金
屬粉末3,其成分為C:0.9-1.2%,Si:0.2-0.8%,Mn:0.3-0.7%,Cr:9-15%,Mo:2-6%,V:
0.1-0.5%,其余為Fe;

5)、激光束按照預先設定的掃描路徑、掃描方式對基板上的粉末進行掃描,粉末熔化并
凝固,形成熔覆層;

6)、完成該層粉末的掃描之后,基板13下降一個層厚的距離,右送粉缸9上升相同的距
離,并在已成型層上用右柔性刮刀2均勻的鋪上厚度為0.05mm的第二種金屬粉末4,其成分
的質量百分比為C:0.4-0.8%,Si:0.3-0.9%,Mn:0.3-0.8%,Cr:8-16%,其余為Fe;

7)、激光束按照預先設定的掃描路徑、掃描方式熔化該層粉末進行掃描,粉末熔化并凝
固,形成第二個熔覆層;

8)、完成該層粉末的掃描之后,基板13下降一個層厚的距離,在已成型層上用左柔性刮
刀1均勻鋪上一層厚度為0.05mm的第一種金屬粉末3;

9)重復上述步驟5)~8),直至三維模成型件14的實體制造完成。

上述步驟中,激光束功率300W,光束質量M2<1.1,掃描速度500mm/S,激光束光斑直
徑75μm,基板預熱溫度250℃,激光束掃描方式X-Y正交掃描,激光能量分布滿足高斯分布;
激光輸出模式為連續單模;金屬粉末的球形度≥98%,顆粒度300目。

本實施例制造的千層鋼性能如表1。

表1千層鋼板的性能


實施例2

其他條件與實施例1相同,激光束功率400W,光束質量M2<1.1,掃描速度500mm/S,激光
束光斑直徑75μm,基板預熱溫度250℃,激光束掃描方式X-Y正交掃描,激光能量分布滿足
高斯分布,激光輸出模式為連續單模。

本實施例制造的千層鋼性能如表2。

表2千層鋼板處理后的各項性能


實施例3

其他條件與實施例1相同,激光束功率300W;光束質量M2<1.1;掃描速度,400mm/S;激光
束光斑直徑75μm;基板預熱溫度250℃;激光束掃描方式X-Y正交掃描,激光能量分布滿足
高斯分布,激光輸出模式為連續單模。

本實施例制造的千層鋼性能如表3。

表3千層鋼板處理后的各項性能


以上實施例是本發明較佳實施方案,但本發明的實施方案并不受上述實施例的限制,
其他的任何未背離本發明的本質與原理所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均同理包括在
本發明的專利保護范圍之內。

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一種 制備 鋼板 方法
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