采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法
阅读说明：本技术 采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法 (Method for preparing complex thin-wall component by adopting laser metal deposition and follow-up rolling ) 是由 梁江凯 何祝斌 杜巍 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明属于激光增材制造技术领域,提供了一种采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法,步骤如下：激光金属沉积成形前材料的准备；复杂薄壁构件的三维模型分层；确定激光金属沉积工艺参数；确定轧辊随动轧制工艺参数；激光打印第n层并完成随动轧制；重复步骤三到步骤五；薄壁构件后处理。本发明能够解决现有的激光金属沉积技术在制备复杂异形薄壁构件时因残余应力引起构件变形,导致激光束无法作用于构件端面,从而无法完成对薄壁构件的持续打印与成形后的构件表面因存在层间搭接引起的凸凹峰导致表面质量差、可靠性降低及在后续对构件表面进行机械加工或激光抛光处理时容易引起二次变形的问题。(The invention belongs to the technical field of laser additive manufacturing, and provides a method for preparing a complex thin-wall component by adopting laser metal deposition and follow-up rolling, which comprises the following steps: preparing a material before laser metal deposition forming; layering three-dimensional models of complex thin-wall components; determining laser metal deposition process parameters; determining the follow-up rolling technological parameters of the roller; laser printing the nth layer and finishing follow-up rolling; repeating the third step to the fifth step; and (5) performing aftertreatment on the thin-wall component. The invention can solve the problems that the laser beam can not act on the end surface of the component due to the deformation of the component caused by residual stress when the complex special-shaped thin-wall component is prepared by the existing laser metal deposition technology, so that the continuous printing of the thin-wall component can not be finished, the surface quality of the formed component is poor due to the convex-concave peaks caused by the interlayer lap joint, the reliability is reduced, and the secondary deformation is easily caused when the surface of the component is subjected to mechanical processing or laser polishing treatment.)
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，具体涉及采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法。
背景技术
随着航空航天科技的进步，为满足新一代空天飞行器及其发动机高马赫数、高性能和高可靠性的发展要求，轻质耐高温复杂薄壁构件的需求不断加大，由于要满足不同的使用条件，薄壁构件的形状、壁厚、材料种类、力学性能等都存在较大差异，其制造方法也各不相同。在先进战机的进气和排气系统中，存在形状复杂、壁厚超薄、精度要求极高的复杂薄壁金属构件。如进气系统中的进气道、排气系统中的排气道，为了满足特定的气动性能、隐身性能，都具有复杂多变的截面形状和弯曲轴线，此类构件多采用钛合金、高温合金薄壁板坯。由于传统的刚性模具冲压成形无法对坯料上各处施加有效合理的成形载荷，因此，常采用先分块冲压成形然后再拼焊的方法制造，特别是对于具有负曲率的构件或者具有封闭截面的构件更是如此。但是，由于冲压成形存在回弹，坯料形状精度难以控制，而且后续的多块坯料拼焊导致其发生复杂变形，两者共同的作用降低了零件的尺寸精度。同时，由于零件分块数量多，导致焊缝总长度大，零件的可靠性大幅度降低。又如运载火箭上存在数量较多的曲面薄壁筋板，此类构件常采用轧弯或者压弯的方法制备，为了减轻结构重量，常采用后续减材加工技术将局部区域进行切削去除。但是，在切削加工中易出现薄壁构件畸变、局部加工过量、加强筋失稳的问题。
为了解决上述在制造大尺寸复杂异形薄壁管状/板状构件中存在的问题，人们开始引入了激光金属沉积3D打印技术，该技术是利用较高功率的激光束使沉积区域产生熔池并持续熔化金属粉末材料，通过逐层沉积制备金属构件，该技术可以成形出具有复杂曲率、截面差大与弯曲轴线的薄壁金属构件。同其它3D打印技术相比，其成形构件的尺寸更大、成形速度更快、粉末利用率更高，尤其适用于空天飞行器中大尺寸复杂异形薄壁构件的制备。然而，在激光金属沉积过程中由于残余应力的影响容易引起构件的变形，导致激光束无法作用于构件的端面，从而无法完成对薄壁构件的持续打印。对于成形后的薄壁金属构件主要从精度与性能两方面综合考虑，在激光金属沉积制备出金属构件后通常需要进行热等静压致密化处理以消除成形构件表面与内部的微裂纹、气孔及未熔合缺陷等。但由于激光金属沉积技术是利用较高功率(1000w～3000w)的激光束熔化金属粉末，单层沉积层的高度大于0.1mm，使得打印完成后的构件表面出现了层间搭接引起的凸凹峰，表面质量差，即使通过热等静压处理也无法消除，导致构件的可靠性大幅度降低。因此，通常情况下需要在热等静压处理结束后对成形构件表面进行机械加工处理，去除凸凹峰等表面余量。但是，由于薄壁构件整体和局部刚度低，在机械加工过程中易受到刀具切削力、夹具夹紧力、自身结构及自身内应力等多方面因素的影响使其发生变形，从而降低了构件的尺寸精度。
为减少上述激光金属沉积制备构件时存在的层间搭接引起的凸凹峰的问题，人们开始应用激光抛光技术来抛光3D打印成形后的金属构件，其原理是将激光束作用于成形构件表面的凸凹峰区域，使表面的尖峰被熔化，熔化后的液态金属被重新分配进入到凹坑中以光滑原始表面。最终抛光后的表面形貌主要取决于激光束作用于成形构件表面的参数和成形构件的表面初始形貌。虽然该方法可以使构件的初始形貌得到改善，表面完整性得到提高，但由于激光抛光工艺是一种再熔化工艺，相当于对薄壁构件的表面进行二次成形，必然会受到温度梯度的影响使其发生变形，从而降低了构件的尺寸精度。
为解决现有的激光金属沉积技术在制备复杂异形薄壁构件时因残余应力引起构件变形，导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对薄壁构件的持续打印与成形后的构件表面因存在层间搭接引起的凸凹峰导致表面质量差、可靠性降低及在后续对构件表面进行机械加工或激光抛光处理时容易引起二次变形的问题，需要开发一种新的复杂薄壁构件的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法，能够解决现有的激光金属沉积技术在制备复杂异形薄壁构件时因残余应力引起构件变形，导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对薄壁构件的持续打印与成形后的构件表面因存在层间搭接引起的凸凹峰导致表面质量差、可靠性降低及在后续对构件表面进行机械加工或激光抛光处理时容易引起二次变形的问题。
本发明的技术方案：
一种采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法，步骤如下：
步骤一、激光金属沉积成形前材料的准备：根据待成形复杂薄壁构件的材料、结构与性能要求选择金属粉末的类型，并根据复杂薄壁构件所选的金属粉末选择金属基板；由于在打印过程中残余应力在构件和基板的连接处最为集中，因此，确保选择的金属基板与待成形复杂薄壁构件之间形成较好的冶金结合，避免在两者结合区域出现开裂及残余应力的释放，导致成形过程中复杂薄壁构件发生变形；
步骤二、复杂薄壁构件的三维模型分层：根据复杂薄壁构件的三维形状与尺寸要求建立构件的CAD几何模型，并提取复杂薄壁构件的STL模型，然后根据复杂薄壁构件的形状与尺寸选择分层厚度；其中，对于具有单一曲率的复杂薄壁构件，选择的分层厚度为0.3～0.5mm；对于具有复杂曲率和弯曲轴线的复杂薄壁构件，选择的分层厚度为0.1mm～0.3mm；最后利用分层切片软件对STL模型进行分层处理；
步骤三、确定激光金属沉积工艺参数：根据步骤二中确定的分层厚度确定激光头的单层提升量，激光头的单层提升量等于复杂薄壁构件的分层厚度；根据复杂薄壁构件的成形壁厚及成形要求确定其它激光金属沉积工艺参数，包括激光功率、扫描速度、光斑直径、送粉速率、气体成分、压力流量；根据步骤二中的三维模型分层确定每一层的激光扫描路径；
对于性质活泼、容易发生氧化反应的复杂薄壁构件的制备在含氧量低于0.05％的氩气环境中进行；
对于抗氧化性较好的复杂薄壁构件的制备，其所需的气氛环境根据所使用的材料进行调整；
步骤四、确定轧辊随动轧制工艺参数：根据复杂薄壁构件的成形壁厚、分层厚度及激光扫描速度确定轧辊间距、尺寸及转速，其中，轧辊间距等于复杂薄壁构件的成形壁厚，轧辊高度大于等于3倍的复杂薄壁构件的分层厚度；轧辊转速等于激光扫描速度除以轧辊外径周长；在激光金属沉积过程中，轧辊间距、轧辊偏转角度及基板偏转角度根据复杂薄壁构件的成形要求进行调整，目的是使轧辊始终与沉积区域保持线接触状态，并依靠轧辊对沉积区域的双向加载实现对其随动轧制；
轧辊在对当前层的沉积区域进行随动轧制的同时还可对前一层的沉积层进行再次轧制；
步骤五、激光打印第n层并完成随动轧制：根据步骤三中确定的激光金属沉积工艺参数打印第n层沉积层，在打印过程中，轧辊随激光头同步运动，并对激光打印完成的沉积区域进行随动轧制；其中，n为自然数；
步骤六、根据复杂薄壁构件的总成形高度与步骤二中确定的分层厚度计算出激光打印总层数；其中，打印总层数等于复杂薄壁构件的总成形高度除以分层厚度；重复步骤三到步骤五，并能在激光打印完成一层后能够预测下一层的沉积情况，然后逐层进行沉积成形，直至构件被打印完成；
步骤七、薄壁构件后处理：通过激光金属沉积完成复杂薄壁构件的制备后，对复杂薄壁构件在高温高压条件下进行热处理，并对复杂薄壁构件的端部和表面进行加工和清洗处理，得到最终成形后的复杂薄壁构件。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法，采用轧辊对激光金属沉积完成后的沉积区域进行随动轧制，能够解决现有的激光金属沉积技术制备薄壁构件时存在层间搭接引起的凸凹峰导致表面质量差、精度低的问题。
(2)本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法，可通过合理匹配轧辊间距、偏转角度以及与基板连接的旋转主轴的旋转角度制备出具有复杂特征区域的薄壁构件，并且可通过调节轧辊间距与激光金属沉积工艺参数制备出具有特殊需求的等壁厚与变壁厚复杂异形薄壁构件。
(3)本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法，采用轧辊对激光金属沉积完成后的沉积区域进行随动轧制，避免因残余应力引起构件变形，导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对薄壁构件的持续打印的问题，此外，还可提高成形构件的致密度和组织性能均匀性。
(4)本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法，对成形后的薄壁构件只需进行热等静压处理，无需进行后续的机械加工或激光抛光处理，避免由于在机械加工或激光抛光处理时容易引起二次变形的问题。
附图说明
图1为本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法原理图。
图2为本发明所需制备的复杂薄壁构件示意图，(a)为所需制备的复杂曲面薄壁板状构件，(b)为所需制备的复杂变截面薄壁管状构件。
图3为本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂曲面薄壁板状构件的示意图。
图4为本发明的采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂变截面薄壁管状构件的示意图。
图5为本发明打印完成后的复杂薄壁构件示意图，(a)为成形后的复杂曲面薄壁板状构件，(b)为成形后的复杂变截面薄壁管状构件。
图中：1所需制备的复杂曲面薄壁板状构件，2所需制备的复杂变截面薄壁管状构件，3基板，4轧辊转轴，5轧辊，6激光头，7送粉器，8导轨转轴，9导轨，10粉末喷嘴，11轧辊转向，12旋转主轴，13成形后的复杂曲面薄壁板状构件，14成形后的复杂变截面薄壁管状构件。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：结合图1、图2、图3、图4、图5说明，本发明提出的采用激光金属沉积与随动轧制制备复杂薄壁构件的方法，该方法是按照以下步骤进行的：
步骤一、激光金属沉积成形前材料的准备。根据成形构件的材料、结构与性能要求选择金属粉末的类型，并根据构件所选的材料类型选择金属基板，金属粉末在使用前需将其置于真空干燥炉中去除水分，为使构件与基板形成良好的冶金结合，需要将金属基板进行机械研磨并清洗。
步骤二、复杂薄壁构件的三维模型分层。根据复杂薄壁构件的三维形状与尺寸要求建立构件的CAD几何模型，并提取构件的STL模型，然后根据构件的形状与尺寸选择分层厚度，对于本实施例的具有复杂曲率和弯曲轴线的薄壁金属构件选择的分层厚度范围为0.1mm～0.3mm，最后利用分层切片软件对STL模型进行分层处理。
步骤三、确定激光金属沉积工艺参数。根据步骤二中确定的分层厚度确定激光头的单层提升量，激光头的单层提升量等于构件的分层厚度，根据构件的成形壁厚及成形要求确定其它激光金属沉积工艺参数，包括：激光功率、扫描速度、光斑直径、送粉速率、气体成分、压力流量等，根据步骤二中的三维模型分层确定每一层的激光扫描路径，构件的制备在含氧量低于0.05％的氩气环境中进行。
步骤四、确定轧辊随动轧制工艺参数。根据构件的成形壁厚、分层厚度及激光扫描速度确定轧辊的间距、尺寸及转速，其中，轧辊间距等于构件的成形壁厚，轧辊高度大于等于3倍的构件分层厚度，轧辊不仅可对当前层的沉积区域进行随动轧制，还可对前一层的沉积层进行再次轧制，轧辊转速等于激光扫描速度除以轧辊外径周长，在激光金属沉积过程中，轧辊间距、轧辊偏转角度及基板偏转角度根据构件的成形要求进行调整，目的是使轧辊始终与沉积区域保持线接触状态，并依靠轧辊对沉积区域的双向加载实现对其随动轧制。
步骤五、激光打印第n层并完成随动轧制。根据步骤三中确定的激光金属沉积工艺参数打印第n层沉积层，(n为1、2、3……)在打印过程中，轧辊随激光头同步运动，并对激光打印完成的沉积区域进行随动轧制。
步骤六、重复步骤三到步骤五。根据构件的总成形高度与步骤二中确定的分层厚度计算出激光打印总层数，其中，打印总层数等于构件的总成形高度除以分层厚度，重复步骤三到步骤五，并能在激光打印完成一层后能够预测下一层的沉积情况，然后逐层进行沉积成形，直至构件被打印完成。
步骤七、薄壁构件后处理。通过激光金属沉积完成复杂薄壁构件的制备后，对构件进行热等静压与固溶热处理，并对薄壁构件的端部和表面进行必要的加工和清洗处理，得到最终成形后的复杂薄壁构件。
本实施例的有益效果是：采用轧辊对激光金属沉积完成后的沉积区域进行随动轧制，能够解决现有的激光金属沉积技术制备薄壁构件时因残余应力引起构件变形，导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对薄壁构件的持续打印与成形后的构件表面因存在层间搭接引起的凸凹峰导致表面质量差、可靠性降低及在后续对构件表面进行机械加工或激光抛光处理时容易引起二次变形的问题；还可通过合理匹配轧辊间距、偏转角度及与基板连接的旋转主轴的旋转角度制备出具有复杂特征区域的薄壁构件以及通过调节轧辊间距与激光金属沉积工艺参数制备出具有特殊需求的等壁厚与变壁厚复杂异形薄壁构件。
实施例2：结合图2说明，在步骤一中，选用的金属粉末为粒径分布范围为53～106um的通过真空气雾化工艺制备的GH3536镍基高温合金粉末，金属基板选用304不锈钢，金属粉末在使用前将其置于真空干燥炉中在120℃条件下热处理3h去除内部的水分，其它步骤，与实施例1相同。
本实施例的有益效果是：GH3536镍基高温合金具有高合金含量，能够承受各种各样严重的腐蚀环境，即使在严重的腐蚀环境中，镍和铬的组合可以耐氧化反应，钼的存在使这些合金抗点蚀和缝隙腐蚀；此外，304不锈钢基板可以与成形的GH3536薄壁构件之间形成良好的冶金结合，避免两者出现开裂的缺陷。
实施例3：结合图3说明，在步骤三到步骤五中，在制备复杂曲面薄壁板状构件时，采用激光头与轧辊同步往返运动的方案，往返运动过程中需调整轧辊偏转角度使轧辊与沉积区域保持线接触状态，其它步骤，与实施例1相同。
本实施例的有益效果是：在成形复杂曲面薄壁板状构件时，采用激光头与轧辊同步往返运动的方案，轧辊对激光打印完成的沉积区域进行随动轧制，不仅能够解决构件因残余应力引起变形，导致激光束无法作用于构件端面，从而无法完成对构件的持续打印的问题，而且能够通过调整轧辊间距与激光金属沉积工艺参数制备出具有特殊需求的变壁厚复杂异形薄壁板状构件。此外，还可提高构件的致密度及组织性能均匀性。
实施例3：结合图4说明，在步骤三到步骤五中，通过激光金属沉积技术制备复杂变截面薄壁管状构件时，采用激光头与轧辊同步同向运动的方案，轧辊在与激光头同向运动的过程中需要通过导轨转轴调整其旋转角度，其它步骤，与实施例1相同。
本实施例的有益效果是：可通过合理匹配轧辊间距、偏转角度以及与基板连接的旋转主轴的旋转角度制备出具有复杂特征区域的成形构件，并且可通过调整轧辊间距与激光金属沉积工艺参数制备出具有特殊需求的等壁厚与变壁厚的复杂异形薄壁管状构件。
实施例4：结合图5说明，在步骤七中，对构件在高温高压条件下进行热等静压与固溶热处理，其中，热等静压工艺在温度为910℃，压力为120MPa条件下保温2.5h，惰性气体采用氩气，固溶热处理工艺在温度为1150℃条件下保温2h，其它步骤，与实施例1相同。
本实施例的有益效果是：对成形后的薄壁构件进行热等静压与固溶热处理，其中，热等静压工艺能够消除成形构件内部存在的微裂纹、气孔和未熔合缺陷等，固溶热处理工艺不仅能够改善构件的组织，而且能够提高合金元素的固溶程度并增强强度。
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