NiTi记忆合金的双激光粉末床及激光熔融增材制造方法与流程

niti记忆合金的双激光粉末床及激光熔融增材制造方法
技术领域
1.本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种niti记忆合金的双激光粉末床及激光熔融增材制造方法。


背景技术：

2.激光粉末床熔融技术是一种利用热能选择性熔化粉末床的增材制造技术，国内外研究机构在选区激光熔化技术的基础上，通过减小激光光斑直径、降低铺粉层厚度、使用小粒径粉末等手段提出了微激光粉末床熔融（μ-lpbf），用于微尺度复杂零部件的制造。相比于传统激光粉末床熔融技术（lpbf）技术，μ-lpbf技术采用激光光斑直径更小，从而提高了最小特征分辨率（＜50μm），同时μ-lpbf具有可成形小角度垂悬结构（＞10
°
），成形表面粗糙度好（最优可达ra=1μm）等诸多优点。
3.niti合金具有特异的形状记忆效应与超弹性、高阻尼、高耐蚀性和优良的生物相容性，已被应用于航空、航天、医疗、机械等领域。但是，限于niti记忆合金的机加工性能较差，采用传统工艺（熔炼+机加工）难以制造复杂结构niti零件，严重限制了其推广应用。激光粉末床熔融技术（lpbf））可实现niti记忆合金复杂结构零件的直接制造而备受关注。
4.现有技术中的中国专利文献：cn 110090954 a中公开了一种增材制造niti形状记忆合金及其制备方法。
5.增材制造niti形状记忆合金的制备方法，其中，所述增材制造采用激光选区熔化制造工艺，所采用的激光扫描策略为条带分区加旋转，其中，条带宽度为2-10mm，逐层旋转角度为50
°‑
90
°
。
6.niti形状记忆合金的成分组成为：原子比为(48：52)-(52：48)的ni元素和ti元素，ni元素和ti元素的原子百分数之和为100％。
7.但上述方案在实施过程中，至少存在如下技术问题：niti合金制备效率低、成形精度低、致密度低、粗糙度高。


技术实现要素：

8.鉴于以上技术问题，本公开提供了一种niti记忆合金的双激光粉末床及激光熔融增材制造方法，解决了现有技术中niti合金制备效率低、成形精度低、致密度低、粗糙度高的技术问题。
9.根据本公开的一个方面，提供一种niti记忆合金的双激光粉末床，包括至少两个激光器，所述激光器中至少有一个是脉冲光纤激光器，所述激光器的输入端电连接布设有控制软件的服务器，所述激光器的输出端连接准直模块，所述准直模块的激光输出端设有封闭式打印仓，所述封闭式打印仓一端设有得以通入惰性气体的入口、另一端设有滤芯，所述封闭式打印仓内安装打印平台，所述打印平台上方设有刮刀，所述刮刀电连接服务器的输出端，所述打印平台下方设有成形缸与粉缸；所述激光器包括连续光纤激光器与脉冲光纤激光器；
所述准直模块包括对应激光器型号设置的激光光路，所述激光光路包括连续光纤激光光路或/与脉冲光纤激光光路，各激光光路上依次设有准直镜、振镜、发散镜；所述连续光纤激光光路或/与脉冲光纤激光光路的输出工作范围各覆盖所述打印平台上至少50%打印区域。
10.在本公开的一些实施例中，包括两个激光器，其中之一为连续光纤激光器，另一为脉冲光纤激光器，沿加工路径的安装方向，连续激光光路的安装先于脉冲激光光路的安装。
11.所述打印平台上的被加工区域包括多个单元加工块，每个单元加工块间的间隔等于所述激光器间的间隔。
12.在本公开的一些实施例中，所述刮刀上设有二次补料机构，所述二次补料机构包括两个垂直于刮刀安装的刮板，还包括带动所述刮板在所述刮刀上平移的驱动部件。
13.根据本公开的另一个方面，提供一种激光熔融增材制造方法，适用于上述的niti记忆合金的双激光粉末床，包括如下步骤：(1)制粉：niti记忆合金粉末原子比为1:1，粉末粒径d50≤15μm，d90≤25μm；(2)创建模型并导入服务器：创建零件三维模型，并对模型进行切片处理；所获得的切片文件包含：填充区域、轮廓区域、和支撑区域，将切片文件导入服务器；(3)通入惰性气体：封闭式打印仓内通入惰性气体，实现封闭式保护环境；(4)铺粉：服务器依据切片文件控制粉缸、打印平台、和刮刀，实现均匀铺粉；(5)激光熔融：服务器依据切片文件控制连续光纤激光器与脉冲光纤激光器进行激光熔融；包括以下三种模式：（5.1）同时产生激光：连续光纤激光器、脉冲光纤激光器分别覆盖50%打印区域，双激光同时生产制造；（5.2）交替产生激光：连续光纤激光器负责打印零部件的轮廓区域，脉冲光纤激光器负责打印零部件的填充区域。
14.（5.3）单独产生激光：连续光纤激光器、脉冲光纤激光器同时打印零部件的填充区域，连续激光先于脉冲激光打印填充路径；在同一层切片打印过程中，连续激光负责粉末熔融和零件成形，脉冲光纤激光器打印面重熔；重复步骤（4）和步骤（5），直到得到完整的模型。
15.在本公开的一些实施例中，所述连续光纤激光器、脉冲光纤激光器的激光熔融参数范围为：连续光纤激光器光斑直径在20-30μm，输出功率在20-40w，扫描速度在200-1300mm/s，扫描间隔在20-60μm，输出体能量密度在50-600j/mm3，脉冲光纤激光器光斑直径在20-30μm，输出功率在25-40w，扫描速度在50-120mm/s，脉冲周期为50-200μs，铺粉层厚为5-15μm。
16.在本公开的一些实施例中，在步骤（4）铺粉之前，还包括烘干粉末：根据打印模型计算所需粉末质量，在惰性气体保护环境下烘干粉末。
17.在本公开的一些实施例中，在步骤（4）铺粉之前，还包括调平打印平台：用酒精擦拭设备及激光器镜头，将打印平台升至焦平面位置并调平，调整刮刀与打印平台之间的距离为切片层厚。
18.在本公开的一些实施例中，在步骤（5）结束后，新一循环的步骤（4）开始前，还包括二次补料的过程，所述二次补料包括：
（a）激光器停止熔融，打印平台降低2nm-10nm的水平位，刮刀水平移动至打印平台加工方向的后方，在垂直于刮刀行进方向上，刮板推动打印平台上余料，至打印平台抹平；（b）当打印平台难以抹平时，所述刮板和刮刀复位，粉缸升起补充填充加工用粉料；（c）刮刀推进后，粉缸下落，打印平台升高复位。
19.在本公开的一些实施例中，封闭式打印仓内氧含量小于1000ppm；打印仓内惰性气体温度为60-100℃。
20.在本公开的一些实施例中，所述惰性气体包括氩气或氮气。
21.本发明的有益效果在于：能够实现niti合金高效率、高精度成形，实现生物植入体的精密成型；采用双激光同时生产制造，提高产品的精度和质量，并具有高的生产效率和成本效益；连续光纤激光器、脉冲光纤激光器分别负责打印零部件的填充结构和轮廓结构，实现零件表面粗糙度ra＜2μm的超精密增材制造；连续光纤激光器可产生持续稳定的激光束，具有高功率和较大的能量密度，能够快速而有效地熔化和结合材料，填充零件的内部结构，通过精确控制激光束的位置和移动速度，实现高精度和高速的填充打印，获得表面平整度高、均匀性好的填充结构零件；脉冲光纤激光器通过瞬间高能量的激光脉冲，精确地烧蚀和切割材料，在零件的表面产生精细的轮廓，实现高精度、高速度和高灵活性的轮廓打印；在同一层切片打印过程中，连续激光负责粉末熔融和零件成形，脉冲光纤激光器打印面重熔，实现致密度＞99.98%的高致密增材制造 ；重熔过程可以增强打印面的附着力和密实度，提高打印质量，此外，重熔还可以修复打印面上的缺陷和瑕疵，提高打印件的工艺性能；设置准直模块，使得激光束在传播过程中减少发散和散射，提高激光束的聚焦能力和传输效率，通过调整曲率和角度，控制激光束的扫描速度和聚焦位置，实现高精度的激光扫描和标记；设置多个单元加工块间的间隔等于激光器间的间隔，实现粗糙度精度的提高，或加工整体实现二次重熔。
附图说明
22.图1为niti记忆合金的双激光粉末床结构示意图；图2为本发明实施例1中连续光纤激光器、脉冲光纤激光器分别覆盖50%打印区域，双激光打印零件示意图；图3为本发明实施例2中连续光纤激光器、脉冲光纤激光器分别负责填充区域和轮廓区域的零部件示意图；图4为表面粗糙度ra＜2μm的超精密增材制造零件示意图；图5为本发明实施例3中连续光纤激光器、脉冲光纤激光器同时打印零部件的填充结构，连续激光先于脉冲激光打印实现致密度＞99.98%的高致密增材制造示意图；图6为本发明实施例3中连续光纤激光器、脉冲光纤激光器同时打印零部件的填充
结构，脉冲光纤激光器打印轮廓结构实现高致密度、超精密增材制造零部件示意图；图中各部件名称：1、封闭式打印仓；2、入口；3、滤芯；4、打印平台；5、刮刀；6、成形缸；7、粉缸；8、连续光纤激光器；9、脉冲光纤激光器；10、准直镜；11、振镜；12、发散镜；13、刮板；14、驱动部件。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
24.本例公开一种niti记忆合金的双激光粉末床，参见图1至图6，包括两个激光器，激光器中至少有一个是脉冲光纤激光器，激光器的输入端电连接布设有控制软件的服务器，激光器的输出端连接准直模块，准直模块的激光输出端设有封闭式打印仓1，封闭式打印仓1一端设有得以通入惰性气体的入口2、另一端设有滤芯3，封闭式打印仓1内安装打印平台4，打印平台4上方设有刮刀5，刮刀5电连接服务器的输出端，打印平台4下方设有成形缸6与粉缸7。
25.激光器可以是两个光纤激光器同时加工，工作效率高，也可以是首先由连续光纤激光器8打印轮廓结构，然后由脉冲光纤激光器9打印填充结构，激光器包括连续光纤激光器8与脉冲光纤激光器9。沿加工路径的安装方向，连续激光光路的安装先于脉冲激光光路的安装。
26.所述打印平台上的被加工区域包括多个单元加工块，每个单元加工块间的间隔等于所述激光器间的间隔。便于在前方工位的单元加工块完成后，加工部件挪移一个单元加工块，连续激光继续加工下一个，脉冲激光加工之前加工块，或加工边缘实现粗糙度精度的提高，或加工整体实现二次重熔。
27.准直模块包括对应激光器型号设置的激光光路，激光光路包括连续光纤激光光路或/与脉冲光纤激光光路，各激光光路上依次设有准直镜10、振镜11、发散镜12；连续光纤激光光路或/与脉冲光纤激光光路的输出工作范围各覆盖所述打印平台上至少50%打印区域。
28.刮刀5上设有二次补料机构，二次补料机构包括两个垂直于刮刀5安装的刮板13，还包括带动刮板13在刮刀5上平移的驱动部件14。
29.本例公开一种激光熔融增材制造方法，适用于上述的niti记忆合金的双激光粉末床，包括如下步骤：制粉：niti记忆合金粉末原子比为1:1，粉末粒径d50≤15μm，d90≤25μm；创建模型并导入服务器：创建零件三维模型，并对模型进行切片处理；所获得的切片文件包含：填充区域、轮廓区域、和支撑区域；将切片文件导入服务器；通入惰性气体：封闭式打印仓内通入惰性气体，实现封闭式保护环境；烘干粉末：根据打印模型计算所需粉末质量，在惰性气体保护环境下烘干粉末。
30.调平打印平台：用酒精擦拭设备及激光器镜头，将打印平台升至焦平面位置并调平，调整刮刀与打印平台之间的距离为切片层厚。
31.铺粉：服务器依据切片文件控制粉缸7、打印平台4、和刮刀5，实现均匀铺粉；
激光熔融：服务器依据切片文件控制连续光纤激光器8与脉冲光纤激光器9进行激光熔融； 同时产生激光：连续光纤激光器8、脉冲光纤激光器9分别覆盖50%打印区域，双激光同时生产制造；所采用的成形工艺为条带旋转扫描成形，铺粉层厚10μm，连续激光器光斑直径为23μm，输出功率30w，扫描速度500mm/s，扫描间距40μm；脉冲激光器光斑直径为23μm，输出功率30w，扫描速度500mm/s，脉冲周期为50μs，扫描间距40μm。双激光实现拼接打印同一零部件，打印效率提高1倍。
32.重复步骤（6）至步骤（8），直到得到完整的模型。打印完成后，待打印平台及零部件将至室温，打开仓门，取出打印零部件。
33.封闭式打印仓内氧含量小于1000ppm；打印仓内惰性气体温度为60-100℃。
34.惰性气体包括氩气或氮气。
实施例2
35.本例原理同实施例1，具体不同之处在于，步骤（7）采用交替产生激光的模式：连续光纤激光器8、脉冲光纤激光器9分别负责打印零部件的填充区域和轮廓区域；所采用的成形工艺为条带旋转扫描成形，铺粉层厚10μm，连续激光器光斑直径为23μm，输出功率30w，扫描速度500mm/s，扫描间距40μm；脉冲激光器光斑直径为23μm，输出功率30w，扫描速度60mm/s，脉冲周期为100μs，双激光打印样件先采用连续激光打印填充结构，后采用脉冲激光打印轮廓结构，测量表面粗糙度双激光测量结果，ra=1.96μm。双激光打印在表面粗糙度控制方面具有显著的优势。
实施例3
36.本例原理同实施例1，具体不同之处在于，步骤（7）采用单独产生激光的模式：连续光纤激光器8、脉冲光纤激光器9同时打印零部件的填充区域，连续激光先于脉冲激光打印填充路径；在同一层切片打印过程中，连续激光负责粉末熔融和零件成形，脉冲光纤激光器8打印面重熔； 实现高致密度打印；后采用脉冲光纤激光器9进行轮廓结构打印，实现超高精度打印；综合实现精密制造。
37.所采用的成形工艺为条带旋转扫描成形，铺粉层厚10μm，连续激光器光斑直径为23μm，输出功率30w，扫描速度500mm/s，扫描间距40μm；脉冲激光器光斑直径为23μm，输出功率30w，扫描速度100mm/s，脉冲周期为80μs进行打印，连续激光扫描完成后，脉冲激光进行重熔；对打印样件截面进行显微ct检测，结果显示致密度＞99.98%。
38.模型曲面壁厚为0.15mm。
39.尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
40.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本实发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种niti记忆合金的双激光粉末床，其特征在于：包括至少两个激光器，所述激光器中至少有一个是脉冲光纤激光器，所述激光器的输入端电连接布设有控制软件的服务器，所述激光器的输出端连接准直模块，所述准直模块的激光输出端设有封闭式打印仓，所述封闭式打印仓一端设有得以通入惰性气体的入口、另一端设有滤芯，所述封闭式打印仓内安装打印平台，所述打印平台上方设有刮刀，所述刮刀电连接服务器的输出端，所述打印平台下方设有成形缸与粉缸；所述激光器包括连续光纤激光器与脉冲光纤激光器；所述准直模块包括对应激光器型号设置的激光光路，所述激光光路包括连续光纤激光光路或/与脉冲光纤激光光路，各激光光路上依次设有准直镜、振镜、发散镜；所述连续光纤激光光路或/与脉冲光纤激光光路的输出工作范围各覆盖所述打印平台上至少50%打印区域。2.如权利要求1所述的niti记忆合金的双激光粉末床，其特征在于：包括两个激光器，其中之一为连续光纤激光器，另一为脉冲光纤激光器，沿加工路径的安装方向，连续激光光路的安装先于脉冲激光光路的安装。3.如权利要求1所述的niti记忆合金的双激光粉末床，其特征在于：所述打印平台上的被加工区域包括多个单元加工块，每个单元加工块间的间隔等于所述激光器间的间隔。4.一种激光熔融增材制造方法，适用于如权利要求1所述的niti记忆合金的双激光粉末床，其特征在于，包括如下步骤：(1)制粉：niti记忆合金粉末原子比为1:1，粉末粒径d50≤15μm，d90≤25μm；(2)创建模型并导入服务器：创建零件三维模型，并对模型进行切片处理；所获得的切片文件包含：填充区域、轮廓区域、和支撑区域，将切片文件导入服务器；(3)通入惰性气体：封闭式打印仓内通入惰性气体，实现封闭式保护环境；(4)铺粉：服务器依据切片文件控制粉缸、打印平台、和刮刀，实现均匀铺粉；(5)激光熔融：服务器依据切片文件控制连续光纤激光器与脉冲光纤激光器进行激光熔融；包括以下三种模式：（5.1）同时产生激光：连续光纤激光器、脉冲光纤激光器分别覆盖50%打印区域，双激光同时生产制造；（5.2）交替产生激光：连续光纤激光器负责打印零部件的轮廓区域，脉冲光纤激光器负责打印零部件的填充区域；（5.3）单独产生激光：连续光纤激光器、脉冲光纤激光器同时打印零部件的填充区域，连续激光先于脉冲激光打印填充路径；在同一层切片打印过程中，连续激光负责粉末熔融和零件成形，脉冲光纤激光器打印面重熔；重复步骤（4）和步骤（5），直到得到完整的模型。5.如权利要求4所述的激光熔融增材制造方法，其特征在于：所述连续光纤激光器、脉冲光纤激光器的激光熔融参数范围为：连续光纤激光器光斑直径在20-30μm，输出功率在20-40w，扫描速度在200-1300mm/s，扫描间隔在20-60μm，输出体能量密度在50-600j/mm3，脉冲光纤激光器光斑直径在20-30μm，输出功率在25-40w，扫描速度在50-120mm/s，脉冲周期为50-200μs，铺粉层厚为5-15μm。6.如权利要求4所述的激光熔融增材制造方法，其特征在于：在步骤（4）铺粉之前，还包括烘干粉末：根据打印模型计算所需粉末质量，在惰性气体保护环境下烘干粉末。
7.如权利要求4所述的激光熔融增材制造方法，其特征在于：在步骤（4）铺粉之前，还包括调平打印平台：用酒精擦拭设备及激光器镜头，将打印平台升至焦平面位置并调平，调整刮刀与打印平台之间的距离为切片层厚。8.如权利要求4所述的激光熔融增材制造方法，其特征在于：封闭式打印仓内氧含量小于1000ppm；打印仓内惰性气体温度为60-100℃。9.如权利要求4所述的激光熔融增材制造方法，其特征在于：所述惰性气体包括氩气或氮气。

技术总结
本发明涉及增材制造技术领域，公开了一种NiTi记忆合金的双激光粉末床及激光熔融增材制造方法。旨在解决现有技术中NiTi合金制备效率低、成形精度低、致密度低、粗糙度高的技术问题。本发明包括至少两个激光器，激光器的输入端电连接布设有控制软件的服务器，激光器的输出端连接准直模块，准直模块的激光输出端设有封闭式打印仓，封闭式打印仓一端设有得以通入惰性气体的入口、另一端设有滤芯，封闭式打印仓内安装打印平台，打印平台上方设有刮刀，刮刀电连接服务器的输出端，打印平台下方设有成形缸与粉缸。本发明具有NiTi合金制备效率高、成形精度高、致密度高、粗糙度低等优点。粗糙度低等优点。粗糙度低等优点。


技术研发人员：王淼辉 葛学元 张平 李成杰 史然 王祥龙 汪豪杰
受保护的技术使用者：中机新材料研究院（郑州）有限公司
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/6