一种aisi 660防屑板的激光3d打印制造方法
阅读说明：本技术 一种aisi 660防屑板的激光3d打印制造方法 (Laser 3D printing manufacturing method of AISI660 chip prevention plate ) 是由 秦国鹏 张丽英 尹富斌 陈仲权 李金魁 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明具体涉及一种AISI 660防屑板的激光3D打印制造方法,包括如下步骤：打印前处理、激光3D打印和打印件后处理,所述激光3D打印熔化成型AISI660防屑板多倍尺打印件和工艺控制试样多倍尺打印件,打印件后处理包括对AISI660防屑板多倍尺打印件和工艺控制试样多倍尺打印件进行后处理,得到AISI660防屑板和工艺控制试样。本发明提供的AISI 660防屑板的激光3D打印制造方法,可以保证在AISI 660防屑板打印完成后,产品尺寸精度和表面质量满足产品设计要求。(The invention particularly relates to a laser 3D printing manufacturing method of an AISI660 chip prevention plate, which comprises the following steps: print pretreatment, laser 3D and print a aftertreatment, laser 3D prints and melts shaping AISI660 and prevents that many times chi of bits board prints a printing and many times chi of technology control sample and prints a printing, prints a aftertreatment and includes that the many times chi of board prints and the many times chi of technology control sample prints a printing to AISI660 and carries out the aftertreatment to the many times chi of anti-bits board of AISI660, obtains AISI660 anti-bits board and technology control sample. The laser 3D printing manufacturing method of the AISI660 chip prevention plate provided by the invention can ensure that the product size precision and the surface quality meet the product design requirements after the AISI660 chip prevention plate is printed.)
技术领域
本发明涉及核燃料零部件制造技术领域，特别是涉及一种AISI 660防屑板AISI660防屑板的激光3D打印制造方法。
背景技术
AISI 660防屑板AISI 660防屑板位于核燃料组件下管座的顶部，是过滤一回路流体中碎屑，防止核燃料包壳磨蚀破损的堆芯重要功能件。AISI 660防屑板呈滤网状结构，在厚度3mm左右的薄板上需要加工近2000个长方形孔和圆孔，方孔间筋宽必须控制在0.5mm±0.1mm的范围内，加工难度大。现有产品加工采用机械加工预孔+电火花打孔的加工方法。由于电火花工艺制造的孔尺寸精度依赖电极本身的加工精度，而电极属于消耗品，对AISI660防屑板产品而言，电极制造成本很高且难度大。另外AISI 660防屑板孔系复杂，加工时必须采用多种不同电极分多次打孔，这个过程容易造成对刀错误、电极选用错误、未更换损耗电极等人为或设备引起的质量问题，加工效率第低且废品率高。现有技术中，加工只能采用电火花慢慢加工，然后在成品中选择质量较好的作为合格产品，不但费时费工，还浪费了大量的时间和金钱。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术缺陷问题，提供一种AISI 660防屑板的激光3D打印制造方法。该方法可无需定制电极和原材料型材，直接使用粉末实现金属3D打印，有效降低AISI 660防屑板制造难度和制造成本。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种AISI 660防屑板的激光3D打印制造方法，包括如下步骤：
步骤一、打印前处理：制备AISI 660金属粉末和加工制造打印基板；
步骤二、激光3D打印：在激光3D打印设备中安装打印基板并预热，控制打印基板温度为80℃-100℃；进行打印前激光3D打印设备状态检查和激光焦点校准；进行光斑补偿试验和激光3D打印工艺参数检查；进行金属粉末铺粉并在铺粉上进行激光选区熔化，先熔化成型AISI660防屑板及工艺控制试样的轮廓内区域，然后熔化成型AISI660防屑板及工艺控制试样的外形轮廓线；打印完一层后，重复铺粉、打印作业，沿AISI 660防屑板厚度方向打印生长，直至打印出厚度方向多倍尺的AISI660防屑板多倍尺打印机及工艺控制试样多倍尺打印件；清除打印件上多余的粉末，解除打印件及打印基板的刚性限位；进行外观目视检查,检查打印件表面应无面积大于5mm2的凹坑、气孔和颜色异常的硬点等缺陷；使用游标卡尺随机抽查至少10处相邻方孔之间的筋宽尺寸，尺寸公差应不超过±0.10mm；上述两项检测项目全部合格后方可进行下一步工序；
步骤三、打印件后处理:打印件及打印基板固溶退火热处理、打印件切片及工艺控制试样分离、厚度尺寸加工、时效热处理、精铣四方及定位孔系、超声清洗、表面喷砂处理和产品外观及尺寸最终检查。
进一步地，所述AISI660金属粉末通过以下方法制备得到：使用合格的AISI660丝材、块材或板材，通过真空气雾化或其他制粉方法，制备出所述AISI660金属粉末；制备的金属粉末应进行原材料复验，要求金属粉末球形度大于85％，松装密度在4.0-5.0(g/cm3)，化学成分符合AISI660防屑板材料要求。
进一步地，所述打印基板加工制造方法包括：选取化学成分合格的奥氏体不锈钢或45#钢锻件；按标准工艺进行固溶热处理；使用锯床或车床或冷热切割方法下料；使用数控设备加工打印基板，打印基板尺寸公差不大于±0.1mm，工作表面的表面粗糙度不大于3.2μm，平面度不大于0.1mm。
进一步地，所述打印前激光3D打印设备状态检查包括：检查保护气体回路，冷却水回路、筛粉系统是否工作正常；检查成型仓室气氛分析探头和温度传感器是否工作正常；检查激光3D打印设备调用3D打印程序是否正确。
进一步地，所述激光焦点校准包括：调整工具坐标系原点，调整激光焦点光班直径，校正计算机视觉系统中光学路径与实际激光焦点的位置。
进一步地，所述光斑补偿试验包括如下步骤：每批次AISI 660防屑板激光打印前，在装夹好的打印基板不占用AISI 660防屑板激光打印位置的区域先采用同批次的AISI660金属粉末和相同激光打印参数，打印制造AISI 660防屑板光斑补偿试样；AISI660防屑板光斑补偿试样打印完成后不松开和取下打印基板，直接使用游标卡尺测量AISI 660防屑板光斑补偿试样的典型筋宽尺寸和典型圆角尺寸；依据测量值对比标准值计算材料在X、Y方向的收缩率；依据收缩率数值确定激光3D打印设备的光斑补偿值。
进一步地，所述激光3D打印工艺参数包括：填充激光功率210w-225w；填充激光扫描速度：770mm/s-785mm/s；填充激光扫描间距：0.10mm-012mm；轮廓边界激光功率160w-170w；轮廓边界激光扫描速度：470mm/s-485mm/s；光斑补偿值：0.078-0.085。
进一步地，所述光斑补偿值是通过光斑补偿试验得出的，根据每次光斑补偿试验计算得出的数值，在激光3D打印工艺参数中设定相应的光斑补偿值。
进一步地，所述工艺控制试样是与AISI660防屑板同时打印、热处理、切割、机械加工的，最终进行破损检查试验，工艺控制试样用于验证打印设备、工艺参数、原材料是否处于受控状态，根据试验类型不同，工艺控制试样分为拉伸试样和冲击韧度试样，拉伸试样用于检查打印件的拉伸力学性能和晶粒度等级，冲击韧度试样用于检查打印件的冲击韧性。
进一步地，打印件及打印基板固溶退火热处理，包括如下步骤：将打印基板连同打印件一起装炉进行连续真空固溶退火热处理，热循环参数为：炉内压力小于1Pa，保温温度980℃±10℃，保温时间30分钟-60分钟，保温完成后在大于等于空冷的冷却速度下冷却至室温。
进一步地，所述打印件切片及工艺控制试样分离，包括如下步骤：采用线切割方法或其他切割方法将打印件切片，厚度方向预留加工量0.2mm-0.5mm，保证每片厚度大于AISI660防屑板的最终厚度，将工艺控制试样与AISI 660防屑板切割分离。
进一步地，所述厚度尺寸加工，包括如下步骤：采用机械方法校平AISI 660防屑板，要求平面度小于0.2mm；用磨削、铣削等机械加工方法精加工AISI 660防屑板及工艺控制试样的厚度尺寸；用机械方法或电化学方法去除AISI 660防屑板上的毛刺和锐边。
进一步地，所述时效热处理，包括如下步骤：将同批次打印的多件AISI 660防屑板及至少5个拉伸试样和至少5个冲击韧度试样一起装炉进行真空时效热处理，热处理参数为：炉内压力小于1Pa，以300℃/h±25℃/h的升温速度升温至720℃±10℃，保温温度720℃±10℃，保温时间16小时-17小时，保温完成后在炉内冷却至400℃±20℃时充氩快冷，炉温低于150℃后出炉。
进一步地，所述精铣四方及定位孔系，包括如下步骤：将打印件固定后用加工机床精加工四方、定位销沉台和定位销孔尺寸，采用机械方法去除精加工四方及定位孔系产生的毛刺和飞边。
进一步地，所述超声清洗，包括如下步骤：超声去油清洗打印件上的油污、冷却液及其他异物。
进一步地，所述表面喷砂处理，包括如下步骤：使用三氧化二铝颗粒对AISI660防屑板表面进行喷砂处理，提高机械加工后产品的表面粗糙度，降低表面反光效果，从而增加AISI660防屑板尺寸光学CCD检测时的检验效率。
进一步地，所述产品外观及尺寸最终检查，包括如下步骤：使用目视检查AISI660防屑板的外观清洁度及表面粗糙度；使用光学CCD、影像仪等设备检验AISI660防屑板尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明提供的AISI 660防屑板的激光3D打印制造方法，可以保证在AISI660防屑板打印完成后，产品尺寸精度和表面质量满足产品设计要求。避免了原工艺中定制电极、人工对刀、更换打印电极等额外工作，实现从粉末直接打印成品，减少了材料、人员和经济的浪费；同时该工艺的加工时间仅为原有工艺的二分之一，生产效率大幅提高，具有很好的经济价值。
附图说明
图1为本发明的打印基板结构示意图；
图2为本发明的AISI 660防屑板光斑补偿试样位置及结构示意图；
图3为本发明的AISI 660防屑板光斑补偿试样典型检查尺寸示意图；
图4为本发明的AISI 660防屑板及工艺控制试样多倍尺打印件示意图；
图5为本发明的拉伸试样正视图；
图6为本发明的拉伸试样左视图；
图7为本发明的冲击韧度试样正视图；
图8为本发明的冲击韧度试样左视图；
图9为本发明的AISI 660防屑板结构示意图；
图10为本发明的AISI 660防屑板激光3D打印制造方法工艺流程图。
图中，1、打印基板；2、AISI 660防屑板光斑补偿试样、3、典型筋宽尺寸；4、典型圆角尺寸；5、防屑板多倍尺打印件；6、拉伸试样；7、冲击韧度试样。
具体实施方式
一种AISI 660防屑板的激光3D打印制造方法，包括如下步骤：
步骤一、AISI660金属粉末制备：使用合格的AISI660丝材、块材或板材，通过真空气雾化或其他制粉方法，制备出AISI660金属粉末；制备的AISI660金属粉末应进行原材料复验，要求金属粉末球形度大于85％，松装密度在4.0-5.0(g/cm3)，化学成分符合AISI 660防屑板材料要求。
步骤二、打印基板1加工制造：选取化学成分合格的奥氏体不锈钢或45#钢锻件；按标准工艺进行固溶热处理；使用锯床或车床或冷热切割方法下料；使用数控设备加工打印基板1，打印基板1尺寸公差不大于±0.1mm，工作表面(待打印面)的表面粗糙度不大于3.2μm，平面度不大于0.1mm。
步骤三、打印基板1安装及预热：在激光3D打印设备中安装打印基板1，确保打印基板1安装牢固不松动；采取电加热方式对打印基板1进行预热，控制打印基板1温度稳定在80℃-100℃。
步骤四、打印前激光3D打印设备状态检查：检查保护气体回路，冷却水回路、筛粉系统是否工作正常；检查成型仓室气氛分析探头和温度传感器是否工作正常；检查激光3D打印设备调用3D打印程序是否正确。
步骤五、原点调整：调整工具坐标系，调整激光光班直径，校正计算机视觉系统中光学路径与实际激光焦点的位置。
步骤六、光斑补偿试验：每批次AISI660防屑板激光打印前，在装夹好的打印基板1左上角(或不占用AISI 660防屑板激光打印位置的其它区域)先采用同批次的AISI660金属粉末和相同激光打印参数，打印制造AISI660防屑板光斑补偿试样2；AISI660防屑板光斑补偿试样2打印完成后不松开和取下打印基板1，直接使用游标卡尺测量AISI660防屑板光斑补偿试样2的典型筋宽尺寸3和典型圆角尺寸4；依据测量值对比标准值计算材料在X、Y方向的收缩率；依据收缩率数值确定激光3D打印设备的光斑补偿值。
步骤七、激光3D打印参数检查及调整：检查参数填充激光功率210w-225w；填充激光扫描速度：770mm/s-785mm/s；填充激光扫描间距：0.10mm-012mm；轮廓边界激光功率160w-170w；轮廓边界激光扫描速度：470mm/s-485mm/s；依据光斑补偿试验结果选择调整合适的光斑补偿值。
步骤八、AISI 660防屑板及工艺控制试样激光选区熔化成型：进行金属粉末铺粉并在铺粉上进行激光选区熔化，先熔化成型AISI 660防屑板产品及工艺控制试样的轮廓内区域，后熔化成型AISI 660防屑板产品及工艺控制试样的外形轮廓线；打印完一层后，重复铺粉、打印作业，沿AISI 660防屑板厚度方向打印生长，直至打印出厚度方向多倍尺的AISI660防屑板及工艺控制试样打印件(在厚度方向一次打印多件AISI 660防屑板及工艺控制试样打印件，即防屑板多倍尺打印件5和工艺控制试样多倍尺打印件)。
步骤九、打印件解除限位及检查：清除打印件上多余的粉末，解除打印件及打印基板1的刚性限位；进行外观目视检查,检查打印件表面应无面积大于5mm2的凹坑、气孔、颜色异常的硬点等缺陷；使用游标卡尺随机抽查至少10处相邻方孔之间的筋宽尺寸，尺寸公差应不超过±0.10mm。
步骤十、打印件及基板固溶退火热处理：将打印基板1连同打印件一起装炉进行连续真空固溶退火热处理，热循环参数为：炉内压力小于1Pa，保温温度980℃±10℃，保温时间30分钟-60分钟，保温完成后在大于等于空冷的冷却速度下冷却至室温。
步骤十一、打印件切片及工艺控制试样分离：采用线切割方法或其他切割方法将打印件切片，厚度方向预留加工量0.2mm-0.5mm，保证每片厚度大于AISI660防屑板产品的最终厚度；将工艺控制试样与AISI 660防屑板切割分离。
步骤十二、厚度尺寸加工：采用机械方法校平AISI 660防屑板，要求平面度小于0.2mm；用磨削、铣削等机械加工方法精加工AISI 660防屑板及工艺控制试样的厚度尺寸；用机械方法或电化学方法去除AISI 660防屑板上的毛刺和锐边。
步骤十三、时效热处理：将同批次打印的多件AISI 660防屑板及至少5个拉伸试样6、至少5个冲击韧度试样7一起装炉进行真空时效热处理。热处理参数为：炉内压力小于1Pa，以300℃/h±25℃/h的升温速度升温至720℃±10℃，保温温度720℃±10℃，保温时间16小时-17小时，保温完成后在炉内冷却至400℃±20℃时充氩快冷，炉温低于150℃后出炉。
步骤十四、精铣四方及定位孔系：将打印件固定后用加工机床精加工四方、定位销沉台和定位销孔尺寸，采用机械方法去除精加工四方及定位孔系产生的毛刺和飞边。
步骤十五、超声清洗：超声去油清洗打印件上的油污、冷却液及其他异物。
步骤十六、表面喷砂处理：使用三氧化二铝颗粒对AISI 660防屑板表面进行喷砂处理，提高机械加工后产品的表面粗糙度，降低表面反光效果，从而增加AISI660防屑板尺寸光学CCD检测时的检验效率。
步骤十七、产品外观及尺寸最终检查：使用目视检查AISI 660防屑板的外观清洁度及表面粗糙度；使用光学CCD、影像仪等设备检验AISI 660防屑板尺寸。
所述工艺控制试样是与AISI 660防屑板同时打印、热处理、切割、机械加工的，最终进行破损检查试验。工艺控制试样用于验证打印设备、工艺参数、原材料是否处于受控状态。根据试验类型不同，工艺控制试样分为拉伸试样6和冲击韧度试样7。拉伸试样6用于检查打印件的拉伸力学性能和晶粒度等级，冲击韧度试样7用于检查打印件的冲击韧性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。