[发明专利]一种铝合金结构件的激光增材制造方法

说明书

技术领域

本发明属于激光增材制造，具体是一种铝合金结构件的激光增材制造方法。

背景技术

激光增材制造技术（又称激光3D打印技术）是一种新型制造技术，可以克服传统加工的减材制造对原材料的大量浪费，同时具有快速成型，细化晶粒，组织均匀无缺陷，结构强度高，易加工复杂形状结构件等诸多优异特点。铝及铝合金是有色金属中应用最广泛的材料之一，铝合金具有密度小、易加工、热膨胀系数低、热导率高、比刚度和比强度高等诸多优异性能。在日常生产和生活以及航空、汽车、高铁、发动机活塞、光学仪器等领域取得了广泛应用。在国防工业和民用航空方面, 铝合金是飞机机体结构的主要用材，尤其在我国自主研发的战斗机上，铝合金结构件所占的比重达到机身重量的50%以上。近20年来，不断提高铝合金结构件的性能、降低成本、开发新型铝合金是国内外的发展趋势，主要是围绕强度、刚度、耐热性、可靠性、长寿命、减重和低成本制造成形技术等问题而开展的。

发明内容

本发明的目的是为克服传统制造方法制备铝合金结构件的不足，而提供一种利用激光增材制造技术，通过计算机的编程控制在基材表面熔覆成型铝合金结构件的技术和制备方法。该表面涂层具有结构强度高、凝固组织晶粒细小，无组织缺陷，可大量节约金属材料，制造成本低等特点。

实现本发明目的的技术方案是：

一种铝合金结构件的激光增材制造方法，具体包括如下步骤：

（1）首先将铝合金基体材料用砂纸打磨、抛光，使材料表面粗糙度Ra <1μm，之后用5%～10%的盐酸酸洗30～40分钟，再用清水清洗，然后放入超声波仪器中用丙酮清洗半小时以上，最后将其放入高真空辉光等离子渗金属设备中阴极上，抽真空到10^-3pa以下，在电压-400～-800V，电流2～5 A参数下轰击30～40分钟，冷却到室温后取出待用；

（2）将一定比例的Al粉、铁基合金粉末、稀土La₂O₃粉末采用球磨机混合4小时以上。粉末通过真空等离子旋转电极雾化工艺来制备，粒度0.050～0.250ｍｍ。粉末混合均匀后放入150℃的烘干箱烘干1小时以上，再置于特制的送粉器中备用；

（3）在铝合金零件CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，切片厚度为500～800 μm，将铝合金结构件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，并传递给数控工作台；

（4）将自制的氩气保护装置放置在工作台上，内部放置烘干的铝合金基材，预先充入一定流量的高纯氩气（≥99.99%），使腔内氧含量小于70μＬ∕Ｌ；

（5）开启激光和数控设备，调出激光加工程序，点击运行按钮，激光束按照预定的加工轨迹运行，与此同时，送粉装置将混合粉末喷射到激光束产生的熔池中，形成与基材冶金结合的激光熔覆层。通过每一层的数控加工程序实现逐层激光熔覆，获得一个熔覆截面。一层熔覆过后, 激光头上升一定高度(对应该薄层厚度), 再熔覆第2层，并使第2层与第1层冶金结合在一起，就这样逐层熔覆下去，最终得到三维金属零件。

    步骤（1）所述基体材料为任何系列铝合金；

步骤（2）中所述的各粉末的质量百分比为：Al: 60～80，铁基合金粉末：15～35，La₂O₃粉末：5.0；铁基合金粉末质量百分比为：Cr：30.0，Si：4.0，B: 3.5，Ni:5.0，Mn ：1.5，C ：3.2，Fe：余量；

步骤（3）所述激光熔覆的工艺参数为：输出功率1.2～5kW，光斑直径3～8mm，扫描速度200～1000mm/min，搭接率10%～30%；

步骤（4）所述高纯Ar气流量为15～40L·min^-1；

步骤（5）所述单个熔覆层厚度为500～800 μm。