[发明专利]基于层间冲击强化工艺的金属3D打印机及打印方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属零件3D打印过程中面向熔覆层的冲击强化方法。采用该方法可根据熔覆层的不同特征采用合理的冲击工艺，从而消除熔覆层内部缺陷、细化晶粒并增加熔覆层内部的残余压应力，最终增加金属零件的力学性能尤其是高温疲劳力学性能。

技术背景

金属3D打印技术是一种能通过点、线、面的累加而直接成形结构复杂且力学性能优异的金属零件的先进制造技术。然而在成形过程中逐点累加成形的工作原理导致成形件内部几乎不可避免的产生孔洞、疏松等缺陷，并且对于大部分材料成形件内部还容易出现微裂纹。即便是采用可成形性最好的材料来成形零件并经过热等静压及热处理等工艺对零件进行后处理，其高温力学性能如高温疲劳性能依然无法达到锻件的标准。

发明内容

为解决现有金属3D打印过程中在成形件内部所产生的孔洞、疏松等缺陷的技术问题，本发明提供一种金属零件3D打印过程中面向熔覆层冲击强化的金属3D打印机及打印方法。

为达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现的：

基于层间冲击强化工艺的金属3D打印机，包括熔覆喷嘴，其特殊之处在于：还包括设置在熔覆喷嘴上的强化喷嘴，所述强化喷嘴对熔覆喷嘴所形成的熔覆层进行冲击强化。

上述强化喷嘴为激光冲击强化喷嘴和/或机械喷丸强化喷嘴。

上述强化喷嘴中心线与熔覆层的夹角范围30°-60°。

基于层间冲击强化工艺的金属3D打印方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】熔覆层成形：

首先采用金属3D打印技术在基材表面形成若干熔覆层，层厚0.05-0.3mm，当熔覆层达到一定厚度时，停止3D打印成形；

2】熔覆层加热：

通过加热装置将熔覆层上表面加热到100℃-700℃；

3】熔覆层分区：

将熔覆层分为边界区和中间区7；其中边界区由外边界区6组成，或者由外边界区6和内边界区8组成；所述外边界区6为零件外轮廓向零件内部偏移0.5-3mm所形成的闭合曲线与该外轮廓形成的封闭区域，所述内边界区8为零件内轮廓向零件内部偏移0.5-3mm所形成的闭合曲线与该内轮廓形成的封闭区域；所述中间区7为除边界区之外的其他区域；

4】熔覆层强化：

强化顺序为先边界区再中间区7，且中间区强化时的覆盖率为边界区的0.5-0.8倍；

5】熔覆层继续成形：

在强化后的熔覆层顶部继续形成若干熔覆层，层厚0.05-0.3mm；

6】重复步骤2、3、4、5直至金属3D打印件成形完成。

采用上述的金属3D打印方法，在进行强化时，强化喷嘴中心线与熔覆层的夹角范围为30°-60°。

采用上述的金属3D打印方法，每完成1-3层的熔覆和强化，强化喷嘴中心线在XOY平面内的投影与X轴的夹角增大10°-50°。

采用上述的金属3D打印方法，在每次进行熔覆时，所述外边界区6的偏移量在0.5-3mm之间变换，所述内边界区8的偏移量在0.5-3mm之间变换。

所述熔覆层的材料为Ti合金；所述步骤2的加热温度为200℃；所述加热采用在基材底部设置加热板的方式实现。

本发明与现有技术相比，优点是：

本发明可以在金属3D成形过程中分阶段冲击已成形的熔覆层，从而消除熔覆层内部的空洞、疏松、微裂纹等缺陷提高成形件的致密度；在冲击强化过程中将熔覆层进行加热和合理的分区工艺规划，保证在提高致密度增强力学性能的同时也确保金属3D打印件的表面精度。

附图说明

图1是本发明方法在金属3D成形过程中采用冲击强化的原理示意图；

图2是在金属3D成形过程中采用机械喷丸强化案例示意图。

其中附图标记为：1-激光聚焦头，2-强化喷嘴，3-熔覆层，4-基材，5-加热板，6-外边界区6，7-中间区7，8-内边界区8，9-熔覆喷嘴，10-强化喷嘴，11-强化丸，12-粉末。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于层间冲击强化工艺的金属3D打印机，包括熔覆喷嘴9，强化喷嘴10,激光聚焦头与熔覆喷嘴集成为一体。强化喷嘴10对熔覆喷嘴9所形成的熔覆层3进行冲击强化，强化喷嘴为激光冲击强化喷嘴和/或机械喷丸强化喷嘴，强化喷嘴中心线与熔覆层的夹角范围30°-60°。