一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法
阅读说明：本技术 一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法 (Process method for melting and forming aluminum alloy micro aircraft parts in selective laser area ) 是由 沈理达 李军 柏华文 吕非 谢德巧 张寒旭 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法,属于金属增材制造和微小飞行器设计领域,实现微小飞行器的铝合金零部件能够一次性整体成形、快速成形的目的,使微小飞行器的零部件精度高、生产周期短,满足实际工况的需要。本发明包括以下步骤：将所设计的微小飞行器具体零部件建模并且完成切片处理；将烘干的铝合金粉末添加到激光选区熔化设备中并导入切片完成的模型；选择合适的基板固定在成形缸平台上,对基板进行预热、对舱室进行洗气处理,通入惰性气体并打开通风；打印样件并从基板上分离。该工艺方法实现铝合金微小飞行器复杂零部件的快速高精度一次性整体成形。(The invention provides a process method for melting and forming aluminum alloy micro aircraft parts in a selective laser area, belongs to the field of metal additive manufacturing and micro aircraft design, and aims to realize one-time integral forming and rapid forming of aluminum alloy parts of micro aircraft, so that the parts of the micro aircraft have high precision and short production period, and meet the requirements of actual working conditions. The invention comprises the following steps: modeling the designed specific parts of the micro aircraft and finishing slicing processing; adding the dried aluminum alloy powder into selective laser melting equipment and guiding the aluminum alloy powder into a sliced model; selecting a proper substrate to be fixed on a forming cylinder platform, preheating the substrate, carrying out gas washing treatment on a cabin, introducing inert gas and opening for ventilation; the swatches are printed and separated from the substrate. The process method realizes the rapid high-precision one-step integral forming of the complex parts of the aluminum alloy micro aircraft.)
技术领域
本发明属于铝合金激光增材制造技术和微小飞行器制造领域，具体涉及一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法。
背景技术
铝合金材料密度低、强度高，与相同强度的钢材相比，铝合金材料更轻；铝合金零件表面由于氧化等缘故会形成氧化铝从而起到保护作用，这提高了零件的耐腐蚀性；铝合金导电导热性能也很好，仅次于银、铜、金；铝合金塑性高，能够应用于各种型材的制备。因此，铝合金被广泛应用于家电、汽车、船舶和航空航天领域。传统的铝合金加工方法对微型飞行器上的零件难以成形，材料浪费大，加工周期长，会降低飞行器制造效率。激光选区熔化技术能够解决上述问题，实现高效、高精度的、可控的微小飞行器零部件的制造。
激光选区熔化技术是按照控制系统中模型的形状信息，激光束扫过一层金属板上铺过的薄金属粉的部分区域；被激光束照射的区域，金属粉末熔化之后又迅速凝固，形成一层实体，之后重复上述步骤形成零件的整个实体。激光选区熔化的成型件生产周期短、致密度高、能够制造复杂形状，大大节省了时间和成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法，实现微小飞行器的铝合金零部件能够一次性整体成形、快速成形的目的，使微小飞行器的零部件精度高、生产周期短，满足实际工况的需要。
为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法，包括以下步骤：
步骤1、建立模型：根据微小飞行器的具体零部件要求，用建模软件设计建立相应的三维模型，并保存成STL格式文件；
步骤2、切片处理：将步骤1所得的模型文件按照厚度进行分层切片，并设置激光选区熔化成形的工艺参数；
步骤3、材料准备：取原材料铝合金粉末并进行烘干处理；
步骤4、成形准备：将步骤3烘干的铝合金粉末添加到激光选区熔化设备的料缸中，选择基板固定在可升降的成形缸平台上，对激光选区熔化设备舱室进行洗气并冲入惰性气体，同时打开加热系统和通风系统；
步骤5、样件打印：使用光纤激光，通过振镜偏转激光束，扫描成形缸平台上铺过的混合粉末，然后料缸上升、成形缸下降，铺粉棍将粉料从料缸铺向成形缸，重复此动作，逐层堆积出样件的几何形状；
步骤6、将步骤5所得的成形样件置于激光选区熔化设备成形缸内降至室温后取出，并从基板上分离。
以上所述步骤中，步骤1中的微小飞行器的具体零部件包括微型齿轮、微型支架等；
步骤2中激光选区熔化设备所需的工艺参数为：采用单层铺粉、两次激光扫描的方式，激光第一次扫描功率为180W~220W，扫描速度为1500mm/s~1800mm/s；激光第二次扫描功率为350W~400W，扫描速度为1700mm/s~2200mm/s；扫描间距为50μm~80μm，铺粉层厚为30μm~50μm，扫描策略为：扫描初始角度57°并以67°角偏转；
步骤3中的铝合金粉末为AlSi10Mg粉末，粒度为15μm~53μm，其中D10为15μm~25μm，D50为30μm~45μm，D90为50μm~65μm；
步骤3中的AlSi10Mg粉末各个组分质量百分比为：Mg：0.20%~0.45%、Ti：≤0.05%、Fe：≤0.55%、Pb：≤0.05%、Zn：≤0.10%、Ni：≤0.05%、Sn：≤0.05%、O：≤0.08%、N：≤0.05%、Cu：≤0.05%、Mn：≤0.45%、Si≤9.50%~10.50%、余量为Al；
步骤3中烘干处理过程为：在40℃~80℃下烘干6h~8h；
步骤4中选用的基板材料为AlSi10Mg，加热系统温度设置为80℃~130℃；
步骤4中激光选区熔化成形舱室中通入的惰性气体为氩气，激光选区熔化成形过程中舱室氧含量控制在500ppm以下，通风系统的通风频率为14Hz~16Hz；
步骤6中样件与基板分离使用高速走丝电火花线切割机床进行切割分离，电极丝为钼丝，直径为0.18mm。
有益效果：本发明提供了一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法，本发明相对现有技术，有以下优点：
本发明激光选区熔化成形工艺采用单层铺粉、两次激光扫描的方式且两次扫描参数不同，可使第一次激光扫描凝固后的合金表面发生再次熔化，减少成形件内部的未熔粉末、空洞和裂纹，提高零件的抗疲劳性能；
本发明通过光纤激光束逐层熔化铝合金粉末，实现了微小飞行器零部件的快速成形，解决了难加工、加工周期长、加工精度低的问题；
本发明采用激光选区熔化技术，直接成形零件，成形件精度高，显微硬度、耐腐蚀性和抗疲劳性能均有所提高。
本发明生产周期短，无模具，可以节约部分成本，零件设计自由，同时保证零件的重量轻、成形质量高。
附图说明
图1是本发明实施例中激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法的流程图；
图2是本发明实施例中AlSi10Mg粉末扫描电子显微示意图；
图3是本发明实施例中所述工艺方法得到的微小飞行器齿轮示意图；
图4是本发明实施例中所述工艺方法得到的微小飞行器支架示意图。
具体实施方式
本发明提供一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法。为了便于理解，下面根据具体实施例与附图进一步说明：
实施例1
微小飞行器齿轮的制备
本实施例提供一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器齿轮的工艺方法，具体采用以下步骤：
（1）建立模型：根据微小飞行器齿轮的要求，用SolidWorks软件设计三维模型，并保存成STL格式文件备用；
（2）切片处理：将步骤1所得的微小飞行器齿轮的模型文件，在AutoFab软件中按照铺粉层厚进行分层切片，并设置激光选区熔化的工艺参数：激光器第一次扫描功率为195W，扫描速度为1600mm/s，激光器第二次扫描功率为390W，扫描速度为2000mm/s；扫描间距为50μm，铺粉层厚为30μm，扫描策略为：扫描初始角度57°并以67°角偏转；
（3）材料准备：取原材料AlSi10Mg粉末，粒度为15μm~53μm，其中D10为22.58μm，D50为37.51μm，D90为58.73μm，显微结构如图2所示，AlSi10Mg粉末各个组分质量百分比为：Mg：0.41%、Ti：0.0084%、Fe：0.1%、Pb：0.01%、Zn：＜0.005%、Ni：＜0.005%、Sn：＜0.01%、O：0.029%、N：＜0.001%、Cu：＜0.05%、Mn：0.03%、Si：9.53%、余量为Al；
（4）干燥处理：将铝合金粉末在40℃下烘干8h；
（5）成形准备：将铝合金粉末添加到激光选区熔化设备的料缸中，其次选择材料为AlSi10Mg的基板固定在可升降的成形缸平台上，并对成形平台进行调平，然后对激光选区熔化设备洗气处理并通入氩气，使得氧含量控制在500ppm，同时打开加热系统和通风系统，使基板加热至80℃，通风频率为16Hz；
（6）样件打印：使用光纤激光，通过振镜偏转激光束，以不同的工艺参数两次扫描成形缸平台上铺过的铝合金粉末，然后料缸上升、成形缸下降，铺粉棍将铝合金粉末从料缸铺向成形缸，重复此动作，逐层堆积出微小飞行器齿轮的几何形状；
（7）将微小飞行器齿轮的成形样件置于激光选区熔化设备成形缸内降至室温后取出，并利用钼丝直径为0.18mm的高速走丝电火花线切割机床将成形样件从基板上分离，得到如图3所示的成形件。
实施例2
微小飞行器支架的制备
本实施例提供一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器支架的工艺方法，具体采用以下步骤：
（1）建立模型：根据微小飞行器支架的要求，用SolidWorks软件设计三维模型，并保存成STL格式文件备用；
（2）切片处理：将步骤1所得的微小飞行器支架的模型文件，在AutoFab软件中按照铺粉层厚进行分层切片，并设置激光选区熔化的工艺参数：激光器第一次扫描功率为200W，扫描速度为1600mm/s，激光器第二次扫描功率为390W，扫描速度为2000mm/s。扫描间距为60μm，铺粉层厚为30μm，扫描策略为：扫描初始角度57°并以67°角偏转；
（3）材料准备：取原材料AlSi10Mg粉末，粒度为15μm~53μm，其中D10为22.58μm，D50为37.51μm，D90为58.73μm，显微结构如图2所示，AlSi10Mg粉末各个组分质量百分比为：Mg：0.41%、Ti：0.0084%、Fe：0.1%、Pb：0.01%、Zn：＜0.005%、Ni：＜0.005%、Sn：＜0.01%、O：0.029%、N：＜0.001%、Cu：＜0.05%、Mn：0.03%、Si：9.53%、余量为Al；
（4）干燥处理：将铝合金粉末在60℃下烘干6h；
（5）成形准备：将铝合金粉末添加到激光选区熔化设备的料缸中，其次选择材料为AlSi10Mg的基板固定在可升降的成形缸平台上，并对成形平台进行调平，然后对激光选区熔化设备洗气处理并通入氩气，使得氧含量控制在500ppm，同时打开加热系统和通风系统，使基板加热至100℃，通风频率为16Hz；
（6）样件打印：使用光纤激光，通过振镜偏转激光束，以不同的工艺参数两次扫描成形缸平台上铺过的铝合金粉末，然后料缸上升、成形缸下降，铺粉棍将铝合金粉末从料缸铺向成形缸，重复此动作，逐层堆积出微小飞行器支架的几何形状；
（7）将微小飞行器支架的成形样件置于激光选区熔化设备成形缸内降至室温后取出，并利用钼丝直径为0.18mm的高速走丝电火花线切割机床将成形样件从基板上分离，得到如图4所示的成形件。
本发明为一种激光选区熔化成形铝合金微小飞行器零件的工艺方法，该工艺方法是以铝合金粉末为原材料，采用激光选区熔化成形铝合金微小飞行器复杂零部件的快速高精度整体成形。
以下所述仅为本发明的较佳实施例而已，具体实施方式提及的内容并非对本发明的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。