改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法
阅读说明：本技术 改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法 (Process method for improving surface quality of electron beam additive manufacturing part ) 是由 刘永胜 卢东 吴旺 钟兵 刘芯宇 于 2020-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种工艺方法,尤其是公开了一种改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法,属于增材制造工艺技术领域。提供一种成本相对较低,无需再次进行加工的改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法。所述的工艺方法通过在增材制造的熔融工序对增加的辅材进行电子束熔融后形成的外轮廓上再次通过激光进行精确重熔,然后再进入增材制造的冷却工序进行制造来获得符合要求的零件表面质量,其中,精确重熔后的增材制造零件表面的粗糙度不超Ra12。(The invention discloses a process method, particularly discloses a process method for improving the surface quality of an electron beam additive manufacturing part, and belongs to the technical field of additive manufacturing processes. The process method for improving the surface quality of the electron beam additive manufacturing part is relatively low in cost and does not need to be processed again. The process method comprises the steps of carrying out precise remelting on an outer contour formed by electron beam melting on an added auxiliary material in the melting process of additive manufacturing through laser again, and then carrying out manufacturing in the cooling process of additive manufacturing to obtain the surface quality of parts meeting the requirements, wherein the roughness of the surface of the additive manufacturing parts after precise remelting does not exceed Ra 12.)
技术领域
本发明涉及一种工艺方法，尤其是涉及一种改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法，属于增材制造工艺技术领域。
背景技术
增材制造技术是一种新兴的制造手段，它通过“自下而上”堆积材料的方式来制备零部件，具有成形效率高，应用领域广，能制备结构复杂零件的特点，可满足人们个性化设计和需求。
电子束增材制造是金属增材制造领域的一种技术，其大体成形工艺可分为铺粉、预热、熔融、冷却四个阶段。铺粉阶段是指利用粉末取粉刮片在基板上均匀铺上厚度为50-200μm的金属粉末；预热阶段是指根据打印零件的三维切片信息，对铺设的粉末进行加热以保证成形过程中所需能量；熔融是指在设定的工艺条件下，利用高能量密度的电子束对金属粉末进行选区烧结，制备出实体的过程；冷却是指熔融完成后在真空状态且存在少量氦气的条件下温度降低的过程。目前，采用电子束增材制造技术主要成形钛合金、镍基合金、金属钽、钛铝合金、钴铬合金零件，现阶段钛合金的成形工艺较为成熟，其打印件的力学性能，尺寸精度都达标，但仍存在打印件外表面粗糙，存在为裂纹等问题。
调研发现，采用电子束增材制造的零件外表面比较粗糙，这主要与铺粉层厚、粉末粒径、束斑直径等因素有较大关联，且部分参数的调控范围受设备固有特性限制，而目前采用电子束增材制造的零件中仅部分医疗产品不需要后续表面处理，大多数航空、航天零件都需要经打磨、粗抛、精抛等手段处理，因此提高电子束增材制造零件的表面质量对降低后处理成本、工时，推动增材制造技术的产业化应用具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种成本相对较低，无需再次进行加工的改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法，所述的工艺方法通过在增材制造的熔融工序对增加的辅材进行电子束熔融后形成的外轮廓上再次通过激光进行精确重熔，然后再进入增材制造的冷却工序进行制造来获得符合要求的零件表面质量，
其中，精确重熔后的增材制造零件表面的粗糙度不超Ra12。
进一步的是，精确重熔是通过安装在粉床式电子束设备成形腔中相机旁的激光器发出的激光完成的。
上述方案的优选方式是，所述的增材制造还包括铺粉工序和预热工序，各工序的参数按下述要求控制，
铺粉工序中的铺粉层厚度不超过50μm，预热工序中的预热温度为730℃，熔融打印工序中的扫描速度为800-12000mm/s、束流为5-30mA，激光重熔工序中激光功率为170-250W、光斑直径100μm、扫描速度800-1100mm/s。
进一步的是，铺粉工序中铺设的合金粉末的粒径为45-105μm。
上述方案的优选方式是，铺粉完成在进行预热打印前，先需要进行抽真空处理，其具体要求为，
成形仓的真空度应达到2×10-3mbar，电子枪真空度应达到7×10-5mbar。
进一步的是，在抽真空前，先对铺设完合金粉末的基板进行标记中心并调平，然后再进行成形仓和电子枪的抽真空操作，抽完真空后的电子枪开启高压进行电子束对中和校准，然后再进入预热和熔融打印工序。
本发明的有益效果是：本申请提供工艺方法以激光作为一种能量源，通过对电子束熔融后形成的外轮廓再次通过激光进行精确重熔，最后在再进入冷却工序以获得粗糙度不超Ra12的精确重熔表面，达到改善粉床式电子束设备打印零件的表面质量的目的。本申请的工艺方法不需要单独增加打磨、粗抛以及精抛工作量，只需要在增材熔融工序完成后，再适应增加一个精确重熔工序即可，施工成本几乎没有增加，对现有设备仅进行有限的改进处理，为降低打印件的表面粗糙提供了一种有效的解决办法。
附图说明
图1为本发明改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法涉及到的激光器安装位置的简化示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供的一种成本相对较低，无需再次进行加工的改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法。一种改善电子束增材制造零件表面质量的工艺方法，其特征在于：所述的工艺方法通过在增材制造的熔融工序对增加的辅材进行电子束熔融后形成的外轮廓上再次通过激光进行精确重熔，然后再进入增材制造的冷却工序获得符合要求的零件表面质量，
其中，精确重熔后的增材制造零件表面的粗糙度不超Ra12。本申请提供工艺方法以激光作为一种能量源，通过对电子束熔融后形成的外轮廓再次通过激光进行精确重熔，最后在再进入冷却工序以获得粗糙度不超Ra12的精确重熔表面，达到改善粉床式电子束设备打印零件的表面质量的目的。本申请的工艺方法不需要单独增加打磨、粗抛以及精抛工作量，只需要在增材熔融工序完成后，再适应增加一个精确重熔工序即可，施工成本几乎没有增加，对现有设备仅进行有限的改进处理，为降低打印件的表面粗糙提供了一种有效的解决办法，激光器在重熔设备中的安装位置如图1所示。
上述实施方式中，为了获得最好的表面粗糙度质量，本申请的精确重熔是通过安装在粉床式电子束设备成形腔的相机旁的激光器发出的激光完成的。相应的，再结合所述的增材制造还包括铺粉工序和预热工序，各工序的参数按下述要求控制，
铺粉工序中的铺粉层厚不超过50μm，预热工序中的预热温度为730℃，熔融打印工序中的扫描速度为800-12000mm/s、束流5-30mA，激光重熔工序中激光功率为170-250W、光斑直径100μm、扫描速度800-1100mm/s。铺粉工序中铺设的合金粉末的粒径为45-105μm。铺粉完成在进行预热打印前，先需要进行抽真空处理，其具体要求为，成形仓的真空度应达到2×10-3mbar，电子枪真空度应达到7×10-5mbar。在抽真空前，先对铺设完合金粉末的基板进行标记中心并调平，然后再进行成形仓和电子枪的抽真空操作，抽完真空后的电子枪开启高压进行电子束对中和校准，然后再进入预热和熔融打印工序。
综上所述，采用本申请提供的工艺方法还具有以下优点，
1、本发明公开的一种改善电子束增材制造零件表面质量的方法，拟在粉床式电子束设备成形仓的相机旁增设一个激光器来降低打印件的表面粗糙度。采用激光作为能量源对电子束烧结后的零件轮廓进行重熔，可有效提高成形精度，降低零件的粗糙度，大幅缩短后处理工序，为增材制造技术的应用提供了广阔的市场。
2、能快速提高打印件的成形精度和表面质量且有效缩短机加工序，可广泛应用到航空、航天等领域。该方法的应用和推广可大幅降低制造成本，从而助推增材制造技术的发展，因此具有良好的市场前景。
具体实施例
本发明的目的在于提供一种降低电子束增材制造零件表面质量的方法，以降低电子束增材制造零件的表面质量(由Ra25-Ra35降低Ra12左右)，从而降低打印件的后处理难度，缩短制造周期。
为了实现上述目的，本发明拟在粉床式电子束设备成形腔的相机旁增设一个激光器，在粉床式电子束设备打印过程中利用激光对电子束熔融完的外轮廓进行重熔，以达到抛光的目的，从而降低打印件表面质量，提高表面成形质量。
本发明采用的技术方案如下：
粉床式电子束成形的准备阶段，首先在供粉仓内放置适量粒径分布为45-105μm的Ti6Al4V合金粉末，然后对尺寸为210×210mm基板标记中心并调平，并对成形仓和电子枪抽高真空，当成形仓的真空度达2×10-3mbar，电子枪真空度达7×10-5mbar后开启高压进行电子束对中和校准，最后开始预热和打印。打印的主要加工参数为：铺粉层厚50μm，预热温度为730℃，扫描速度800-12000mm/s，束流5-30mA；激光功率170-250W，光斑直径100μm，扫描速度800-1100mm/s。
本发明技术方案基于电子束增材制造技术，根据该技术的特点及成形影响因素，对现有设备进行了改进处理，为降低打印件的表面质量提供了一种有效的解决办法。
实施例一
包括以下步骤：
(1)取40Kg粒径分布为45-105μm的TC4合金粉末，放入到粉床式电子束设备的粉仓中；
(2)选用一个尺寸为210×210mm不锈钢基板，标记中心并放置在成形平台上调平；
(3)对成形仓和电子枪抽高真空，等成形仓的真空度达2×10-3mbar，电子枪真空度达7×10-5mbar后开启高压进行电子束对中、校准；
(4)将打印件模型STL文件导入粉床式电子束设备中，利用Magics软件对模型进行修复、并添加支撑、切片处理；
(5)选择设备工艺对应的Ti6Al4V材料，编辑成形工艺参数，具体参数如下：铺粉层厚60μm，预热温度为730-750℃，扫描速度800-12000mm/s，束流5-30mA；激光功率130-250W，光斑直径100μm，扫描速度800-1100mm/s。
(6)启动预热，开始打印，打印完成后取出打印的钛合金件，并测试其表面粗糙度。
在步骤(1)中所述的打印金属粉末为Ti6Al4V合金,其粒径分布为：45-105μm。
在步骤(2)所述的打印基板，尺寸为210×210mm，材质为不锈钢。
在步骤(3)所述打印成形前期，需对成形仓和电子枪抽真空，其目的在于保证成形环境为真空条件上，防止金属粉末和打印的零件发生氧化。
在步骤(5)中对打印Ti6Al4V的工艺进行编辑，通过调整加工工艺参数获得致密度高，表面质量好的打印构件。其主要加工参数包括：铺粉层厚60μm，预热温度为730-750℃，扫描速度800-12000mm/s，束流5-30mA；激光功率130-250W，光斑直径100μm，扫描速度800-1100mm/s。
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