一种激光穿透带材3D打印的薄壁双层异质金属及方法

一种激光穿透带材3d打印的薄壁双层异质金属及方法
技术领域
1.本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种激光穿透带材3d打印的薄壁双层异质金属及方法。


背景技术：

2.目前，航空航天、电力、石化、船舶等现代工业高端装备正向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长服役寿命的方向快速发展，对结构材料提出了超强承载、极端耐蚀、超高精度、超轻量化和个性化制造等越来越苛刻的要求。受自然界中的鸟翼骨骼和贝壳结构的启发，将金属材料制备成薄壁单/双层构件，从而使其具备轻质、结构紧凑和优异综合性能的特性。与薄壁单层金属材料相比，薄壁双层异质金属材料(thin-wall bi-layer dissimilar metals,tbdm)综合了组分金属的物理、化学、力学和化学特性，可以显著提高材料的强度、刚度、抗冲击载荷和耐腐蚀性能。同时，薄壁双层构件在保证结构使役性能和服役寿命的前提下，能节约稀贵金属材料来有效降低制造成本，在航空航天、核工业、智能汽车、化工新能源等领域的关键结构与功能部件具有广泛的应用。
3.基于机械咬合、金属键、薄膜、再结晶以及物理-化学-扩散三阶段等界面结合理论，薄壁双层异质金属制备通常采用爆炸复合、轧制复合、沉积复合和热压扩散等方法，这些传统制备技术在制备规则型材方面，具有缩短生产周期和降低制造成本等优势，但在后续的复杂构件加工时，存在开裂、脱层及焊接困难等问题；且在服役期间，可能发生衬层塌陷、横向裂纹、分层、层间腐蚀开裂和脆性断裂等多重类型损伤失效行为。随着薄壁双层异质金属构件产品不断升级，正朝着大寸化、极薄化、复杂化、个性化和高性能构件方向发展，亟需发展结构和功能一体化薄壁双层金属材料的形性可控制备技术。
4.激光3d打印技术是一种利用激光加热熔融基材，以“分层制造、逐层叠加”的方式，实现高性能、复杂结构单层金属薄壁构件成形的技术。利用能量高度集中的激光热源形成小尺寸熔池，因此最小壁厚极限优于其他热源3d打印技术；同时可以选择较低的热源功率，减轻热量积累及降低温度梯度，从而减少薄壁件熔化所致的过度流淌坍塌，及缓解薄壁件的翘曲变形与开裂行为。这使得激光3d打印技术在薄壁结构加工制造中有着独特优势，也为发展薄壁金属材料制备关键技术带来了曙光。
5.但常规激光3d打印技术应用于tbdm成形制备还存在加工过程中的变形与坍塌、熔体互混、加工效率低、异质材料的精准预置、异质粉末材料回收成本高昂等问题，不能满足制备需求。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光穿透带材3d打印的薄壁双层异质金属及方法，用以解决现有的3d打印方法在进行tbdm成形时存在变形与坍塌、熔体互混、加工效率低、异质材料的精准预置、异质粉末材料回收成本高昂等技术问题。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.本发明公开了一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，包括以下步骤：
9.s1：进行零件建模和三维模型数据处理，通过软件对设计的薄壁双层异质金属件几何模型进行切片、分层，生成对应的打印数据；确认零件的摆放位置和方向，设置打印参数，根据打印数据通过切片软件生成打印程序；
10.s2：将a金属带材和b金属带材通过带材送进系统按照设定路径送进3d打印设备中的激光热源处并紧密贴合，同时激光热源处的激光束按照设定路径进行移动，并穿透a金属带材和b金属带材的厚度方向形成熔池，凝固后实现a金属带材和b金属带材的机械咬合和冶金结合；完成打印程序后，得到薄壁双层异质金属成品件；
11.所述a金属带材和b金属带材的送进速度和激光束的移动速度相同；所述激光束和a金属带材和b金属带材沿厚度方向的法线之间存在夹角。
12.进一步地，采用软件构建薄壁双层异质金属成品件的几何模型，并根据几何模型规划3d打印设备中的激光束以及带材送进系统的路径；所述激光束由光纤激光器产生。
13.进一步地，所述激光束和a金属带材和b金属带材沿厚度方向的法线之间的夹角为35
°
～90
°
；所述a金属带材和b金属带材的送进速度和激光束的移动速度均为10～1000cm/min。
14.进一步地，所述激光束的束斑尺寸为0.01～5mm，能量为100～8000w，离焦量为-2～5mm。
15.进一步地，所述熔池为双涡流熔池；所述s2中，在氩气的氛围下实现正保护和背保护，所述正保护氩气的气流量为8～45l/min，背保护氩气的气流量为8～45l/min。
16.进一步地，所述a金属带材和b金属带材的材料为不同种类的互溶金属；所述a金属带材的材料为镍基合金、钛合金、铝合金或镁合金金属基复合材料；所述b金属带材的材料为镍基合金、钛合金、铝合金或镁合金金属基复合材料；所述a金属带材和b金属带材的厚度为0.1～10mm、宽度为1～25mm。
17.进一步地，所述a金属带材的材料为钢、铜或铝；所述b金属带材的材料为钢、铜或铝。
18.进一步地，所述带材送进系统实现a金属带材和b金属带材的多自由度约束。
19.本发明还公开了采用上述制备方法制备得到的薄壁双层异质金属。
20.进一步地，所述薄壁双层异质金属的截面形貌为“金属a-中间梯度层-金属b”的三明治结构。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.本发明公开了一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，采用激光束需要穿透异质层状金属(a金属带材和b金属带材)时，形成的熔池中液态金属受到温度梯度引起的表面张力和穿透匙孔中蒸汽喷射摩擦力共同作用而产生相对独立的涡流，使激光熔池中异质熔融金属呈分层状态；随后，在较大温度及浓度梯度状态下熔池快速凝固，致使熔凝区的成分和组织在保持层状分布；激光穿透异质分层熔池内的微流动与物质传输特性，可解决常规激光3d打印技术中熔体互混行为，可实现薄壁双层异质金属材料的结构与功能一体化增材制备；另外，本发明公开的方法拟采用异质金属带材作为基材，相比于金属粉材和丝材，带材具备自支撑约束能力，可抵抗加工过程中的变形与坍塌。其次，双层金属带材具
有一定纵横尺寸，并且激光穿透需要较大激光束能量，这两者均可以提高tbdm加工效率；再者，双层异质金属带材可以精准预置异质材料；最后，使用带材无需大量铺粉且避免了异质基材混合，大大减少了材料成本。本发明公开的激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法解决双层异质薄壁金属一体化成形3d打印技术的瓶颈问题提供了全新途径，具有广阔的应用前景。
23.本发明还公开了采用上述制备方法制备的得到的薄壁双层异质金属，获得的薄壁双层结构的微观组织为“金属a-中间梯度层-金属b”的三明治结构，具有良好的力学性能和腐蚀性能，并且可对激光穿透带材避免了因打印过程热量累计过大而造成坍塌、开裂等风险，效率高，成形质量好。
附图说明
24.图1为本发明公开的激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法的原理示意图；
25.图2为本发明制备得到的薄壁双层异质金属在a点处的宏观结构示意图；
26.其中：a-i区域；b-ii区域；
27.图3为激光穿透带材打印薄壁双层异质金属双涡流熔池和凝固后形貌；
28.其中：a、b-双涡流熔池温度场和流动行为观察；c、d-单层打印得到的分层异质金属材料形貌与微观组织。
具体实施方式
29.为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
30.本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
31.本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。
32.本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由
……
组成”和“主要由
……
组成”的意思，例如“a包含a”涵盖了“a包含a和其他”和“a仅包含a”的意思。
33.本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。
34.如图1所示，本发明公开的一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，包括以下步骤：
35.首先，进行零件建模和三维模型数据处理，通过软件对设计的薄壁双层异质金属
成品件进行切片、分层，生成对应的打印数据；确认零件的摆放位置和方向，设置打印参数，根据打印数据通过切片软件生成打印程序；
36.随后将a金属带材和b金属带材通过多自由度带材送进系统按照设定路径送进3d打印设备中的激光热源处并紧密贴合，同时激光热源处的激光束按照设定路径进行移动，并穿透a金属带材和b金属带材的厚度方向形成激光熔池，凝固后实现a金属带材和b金属带材的机械咬合和冶金结合；完成打印程序后，得到薄壁双层异质金属成品件；激光束和带材送进系统同时按照规划路径运动；带材送进速度与激光束移动速度一致。
37.优选地，采用光纤激光打印系统提供激光束。
38.优选地，带材送进系统为多自由度带材送进系统，打印过程中，a金属带材和b金属带材在激光热远处，应紧密贴合。
39.优选地，打印时，采用软件构建薄壁双层异质金属成品件的几何模型，并进行激光束和带材送进系统的路径规划。
40.优选地，带材送进速度与激光束移动速度一致，行走速度10-1000cm/min。
41.优选地，激光束需穿透贴合紧密的a金属带材和b金属带材。
42.优选地，打印过程需要氩气进行正保护和背保护，激光正保护气流量8-45l/min，背保护气流量8-45l/min。
43.优选地，a金属带材和b金属带材为互溶金属，包括镍基合金、钛合金、钢、铜、铝及铝合金、，镁及镁合金金属基复合材料。
44.优选地，a金属带材或b金属带材的厚度为0.1～10mm、宽度为1～25mm。
45.优选地，优选地，分层打印时，单层打印金属带材部分熔化，未熔化部分在下层打印时熔化，单层熔化宽度为0.1～5mm，未熔化宽度为0.1～5mm。
46.优选地，激光束方向可水平向，也可竖直方向。
47.优选地，激光束和两种不同的金属带材沿厚度方向的法线之间的夹角为35
°
～90
°
。
48.优选地，激光束的束斑尺寸为0.01～10mm，能量为100～8000w，离焦量为-2～5mm；激光熔池为双涡流熔池。
49.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
50.下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。
51.实施例1
52.一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，包括以下步骤：
53.s1：进行零件建模和三维模型数据处理，通过软件对设计的薄壁双层异质金属成品件进行切片、分层，生成对应的打印数据；确认零件的摆放位置和方向，设置打印参数，根
据打印数据通过切片软件生成打印程序；
54.s2：将厚度为2mm、宽度为6mm的q235钢带材(a金属带材)和厚度为2mm、宽度为5mm的304l不锈钢带材(b金属带材)通过带材送进系统按照设定路径送进3d打印设备中的激光热源处并紧密贴合，同时激光热源处的激光束按照设定路径进行移动，并与q235钢带材和304l不锈钢带材沿厚度方向的法线之间形成90
°
的夹角穿透q235钢带材和304l不锈钢带材的厚度方向形成熔池，凝固后实现q235钢带材和304l不锈钢带材的机械咬合和冶金结合；完成打印程序后，得到厚度为3.6mm、高度为170mm的薄壁双层异质金属成品件；
55.其中，q235钢带材和304l不锈钢带材的送进速度和激光束的移动速度相同，均为150cm/min；打印过程中采用氩气进行正保护和背保护，激光正保护气流量为15l/min，背保护气流量为25l/min；所述激光束由光纤维激光器产生，激光束的束斑尺寸为0.2mm，能量为3200w，离焦量为0mm。
56.实施例2
57.一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，包括以下步骤：
58.s1：进行零件建模和三维模型数据处理，通过软件对设计的薄壁双层异质金属成品件进行切片、分层，生成对应的打印数据；确认零件的摆放位置和方向，设置打印参数，根据打印数据通过切片软件生成打印程序；
59.s2：将厚度为1mm、宽度为3mm的incoloy800镍基合金带材(a金属带材)和厚度为1mm、宽度为3mm的316l不锈钢带材(b金属带材)通过带材送进系统按照设定路径送进3d打印设备中的激光热源处并紧密贴合，同时激光热源处的激光束按照设定路径进行移动，并与incoloy800镍基合金带材和316l不锈钢带材沿厚度方向的法线之间形成90
°
的夹角穿透incoloy800镍基合金带材和316l不锈钢带材的厚度方向形成激光熔池，凝固后实现incoloy800镍基合金带材和316l不锈钢带材的冶金结合；完成打印程序后，得到厚度为1.7mm、高度为150mm的薄壁双层异质金属成品件；
60.其中，incoloy800镍基合金带材和316l不锈钢带材的送进速度和激光束的移动速度相同，均为170cm/min；打印过程中采用氩气进行正保护和背保护，激光正保护气流量为15l/min，背保护气流量为15l/min；所述激光束由光纤维激光器产生，激光束的束斑尺寸为0.2mm，能量为3000w，离焦量为-1mm。
61.图2为实施例1制备得到的薄壁双层异质金属在a点处的宏观结构示意图，由图中可以看到，截面形成了“金属a-中间梯度层-金属b”的三明治结构，且两个金属结合处形成了机械咬合和冶金结合作用的机械咬合截面、中间梯度耦合层及冶金结合区域。
62.图3为激光穿透带材打印薄壁双层异质金属双涡流熔池和凝固后形貌，从图3中(a)和图3中(b)可以看出，通过双涡流熔池温度场和流动行为观察，熔池中心是一种散发式快速凝固模式；图3中(c)和图3中(d)可以看出，激光束穿透焊接异质层状金属，形成的激光熔池中液态金属受到纵横双向温度梯度引起的表面张力和穿透匙孔中蒸汽喷射摩擦力共同作用而产生相对独立的涡流，使激光熔池上下部和左右部熔融金属分别保持相对独立，形成双涡流熔池，在较大温度及浓度梯度状态下熔池快速凝固，致使焊缝成分和组织在纵横双向均保持相对独立，实现机械咬合和冶金结合。
63.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。

技术特征：
1.一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：进行零件建模和三维模型数据处理，通过软件对设计的薄壁双层异质金属件几何模型进行切片、分层，生成对应的打印数据；确认零件的摆放位置和方向，设置打印参数，根据打印数据通过切片软件生成打印程序；s2：将a金属带材和b金属带材通过带材送进系统按照设定路径送进3d打印设备中的激光热源处并紧密贴合，同时激光热源处的激光束按照设定路径进行移动，并穿透a金属带材和b金属带材的厚度方向形成熔池，凝固后实现a金属带材和b金属带材的机械咬合和冶金结合；完成打印程序后，得到薄壁双层异质金属成品件；所述a金属带材和b金属带材的送进速度和激光束的移动速度相同；所述激光束和a金属带材和b金属带材沿厚度方向的法线之间存在夹角。2.根据权利要求1所述的一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，其特征在于，采用软件构建薄壁双层异质金属成品件的几何模型，并根据几何模型规划3d打印设备中的激光束以及带材送进系统的路径；所述激光束由光纤激光器产生。3.根据权利要求1所述的一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，其特征在于，所述激光束和a金属带材和b金属带材沿厚度方向的法线之间的夹角为35
°
～90
°
；所述a金属带材和b金属带材的送进速度和激光束的移动速度均为10～1000cm/min。4.根据权利要求1所述的一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，其特征在于，所述激光束的束斑尺寸为0.01～5mm，能量为100～8000w，离焦量为-2～5mm。5.根据权利要求1所述的一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，其特征在于，所述熔池为双涡流熔池；所述s2中，在氩气的氛围下实现正保护和背保护，所述正保护氩气的气流量为8～45l/min，背保护氩气的气流量为8～45l/min。6.根据权利要求1所述的一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，其特征在于，所述a金属带材和b金属带材的材料为不同种类的互溶金属；所述a金属带材的材料为镍基合金、钛合金、铝合金或镁合金金属基复合材料；所述b金属带材的材料为镍基合金、钛合金、铝合金或镁合金金属基复合材料；所述a金属带材和b金属带材的厚度为0.1～10mm、宽度为1～25mm。7.根据权利要求6所述的一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，所述a金属带材的材料为钢、铜或铝；所述b金属带材的材料为钢、铜或铝。8.根据权利要求1所述的一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法，其特征在于，所述带材送进系统实现a金属带材和b金属带材的多自由度约束。9.一种薄壁双层异质金属，其特征在于，采用权利要求1～8中任意一项所述的一种激光穿透带材3d打印薄壁双层异质金属的方法制备得到。10.根据权利要求9所述的一种薄壁双层异质金属，其特征在于，所述薄壁双层异质金属的截面形貌为“金属a-中间梯度层-金属b”的三明治结构。

技术总结
本发明公开了一种激光穿透带材3D打印的薄壁双层异质金属及方法，属于金属材料加工技术领域。本发明联用光纤激光和多自由度带材送进系统，通过激光束穿透异质层状金属(A金属带材和B金属带材)时，形成的激光熔池中液态金属受到温度梯度引起的表面张力和穿透匙孔中蒸汽喷射摩擦力共同作用而产生相对独立的涡流，使激光熔池上下部熔融金属分别保持相对独立，形成分层熔池；随后，在较大温度及浓度梯度下熔池快速凝固，致使凝固后的成分和组织呈分层状态；激光穿透金属材料形成异质分层熔池内的微流动与物质传输特性，可解决常规激光3D打印技术中异质熔体互混和扩散行为，可实现薄壁双层异质金属材料的结构与功能一体化增材制备。层异质金属材料的结构与功能一体化增材制备。层异质金属材料的结构与功能一体化增材制备。


技术研发人员：张永强 张建勋 王志英
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/7