[发明专利]一种多孔发汗金属结构的高质量激光选区熔化成形方法

说明书

本发明公开了一种基于接触式刮刀铺粉工艺的多孔发汗金属结构高质量激光选区熔化成形方法，属于先进制造技术领域。该方法在多孔发汗金属结构四周设置与其不相连的闭合随形保护框，并在成形过程中通过激光线能量密度的差异化设置，使得随形保护框的已成形层总高度总是大于多孔发汗金属结构的已成形层总高度，从而有效避免了成形过程中接触式铺粉刮刀对多孔发汗金属结构成形层的摩擦、碰撞，大幅提升了多孔发汗金属结构的成形质量。同时，该方法还无需在成形完成后对多孔发汗金属结构和随形保护框施加额外的分离处理，制造流程简单。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，更具体地，涉及一种多孔发汗金属结构的高质量激光选区熔化成形方法。

背景技术

发汗冷却是一种新兴的超高速飞行器主动热防护技术，其通过压力驱动冷却介质进入飞行器表面的多孔发汗金属结构并排出，不仅能有效带走飞行器内部热量，还可阻隔飞行器表面的气动加热，有力推动了飞行器超远距离打击能力与超高速突防能力的进一步提升。

激光选区熔化(Selective laser melting，SLM)是现阶段发展最快的激光3D打印技术之一，其通过对逐层预铺的金属粉末施加选择性的激光熔化堆积，可实现复杂金属零部件的整体成形，有望为多孔发汗金属结构的高精度、短周期制造带来新方案。

现有SLM技术通常采用接触式刮刀铺粉工艺，且铺粉厚度一般仅为10～50μm。在成形多孔发汗金属结构时，一旦成形层上表面因熔滴飞溅等原因形成局部微小突起，或者刮刀下表面略有起伏，刮刀就可能与成形层直接接触并发生摩擦甚至碰撞。由于多孔发汗材料的强度一般不如致密材料，刮刀的摩擦、碰撞经常会导致成形层的变形乃至破损，显著降低了良品率。事实上，类似问题在SLM成形其他各类多孔金属产品时也屡见不鲜。

为尽量避免接触式刮刀铺粉工艺对多孔金属产品SLM成形质量带来不利影响，研究者目前主要提出了两类解决方案。第一类方案是采用非接触式铺粉工艺替代接触式刮刀铺粉。例如，申请号为201010178060.4的专利申请提供了一种非接触式粉末自动供给及铺平装置，该装置通过铺粉筛的振动直接将金属粉末散落在待铺粉区域，从根源上杜绝了铺粉装置与成形层的摩擦、碰撞。然而，此类方案所铺置的金属粉末层因没有受到刮刀的挤压紧实作用而较为松散，致使成形层内部易产生较多的气孔冶金缺陷。第二类方案是在多孔产品四周设计加强框架。例如，申请号为201711420449.3的专利申请公开了一种不锈钢多孔蜂窝薄壁构件的制造方法，该方法在多孔蜂窝薄壁构件的四周设计了一层与之相连的辅助外壁并同步SLM成形。然而，此类方案仅仅是加强了多孔结构的总体强度，铺粉过程中刮刀对多孔结构成形层的摩擦、碰撞依然难以避免。此外，还需要在SLM成形后采用线切割等方式将产品与加强框架分离，增加了制造工序。

因此，开发一种依然基于接触式刮刀铺粉工艺，但能够有效避免刮刀与成形层摩擦、碰撞的多孔发汗金属结构高质量SLM成形方法，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种多孔发汗金属结构的高质量激光选区熔化(SLM)成形方法，旨在解决现有的接触式刮刀铺粉SLM工艺成形多孔发汗金属结构时经常出现的产品变形、破损问题，以及现有的非接触式铺粉SLM工艺成形多孔发汗金属结构时经常出现的成形层冶金缺陷含量高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多孔发汗金属结构的激光选区熔化成形方法，其基于接触式刮刀铺粉工艺，具体包括如下步骤：

(1)设计随形保护框的三维数模，然后对随形保护框的三维数模进行切片处理，其中，所述随形保护框为闭合薄壁结构，其高度、切片层厚度、切片层数量均与多孔发汗金属结构相同，随形保护框每个切片层的内轮廓均与多孔发汗金属结构相应切片层的外轮廓相仿，且能将多孔发汗金属结构相应切片层的外轮廓包围，随形保护框与多孔发汗金属结构相互独立并相隔间距，