本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种复合强化的激光熔化扫描方法。
背景技术：
以增材制造技术为支撑的净近成形技术，可彻底解决常规加工中难以加工局部的难题，赋予零件各向同性、高致密、高强度的综合优异性能，大幅度提高零件的可靠性和使用寿命，是传统去除式加工工艺的实质性突破。相关研究表明，激光增材制造(3d打印)的金属零件具有致密、细小的组织，成分均匀，力学性能达到或超过锻件水平。
在诸多3d打印技术当中，选择性激光熔化(selectivelasermelting，slm)粉末增材制造成形技术能够成形多种金属材料，特别是难加工金属零部件，而且成形精度较高，零件结构复杂度高，所需供电设施简单，耗能低，所用原材料为粉末。
采用激光熔化(selectivelasermelting，slm)快速制造技术可以在无需任何模具和工装夹具的条件下，利用光纤激光束(功率100-500w、光斑约80m)逐层选择性地熔化微细金属粉末(当量直径约为20-50m)，制造任意复杂结构、尺寸精度达±0.1mm、致密度接近100％、材料利用率达到100％的金属零件。
特别是基于激光选区熔化的金属增材制造(3d打印)技术是从20世纪90年代发展起来的一项先进制造技术，该技术依据“增材”的制造原理，对cad模型进行切片分层处理，数控系统控制工作台按照分层软件给定的路径进行扫描，通过大功率激光融化金属粉末并层层叠加，能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形。
按照金属粉末的添置方式，金属3d打印主要包括两种工艺技术：采用铺粉方法的激光选区熔化(selectivelasermelting，slm)技术和采用同轴送粉方法的激光净成形(laserengineerednetshaping,lens)技术，其中，激光选区熔化技术采用精细聚焦光斑快速熔化预置的金属粉末，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件，致密度可达到近乎100％，尺寸精度可达20-50um，表面粗糙度达20-30um，是一种极具发展前景的增材制造技术，在航空航天、医疗、汽车、模具等领域具有广泛应用前景。
具体来说，选区激光熔化工艺即通过激光束按一定轨迹路径来熔化平铺在工作缸平面上的金属粉末来形成金属熔化的分层截面，再通过铺粉机构连续不断铺送金属粉末到工作缸平面，继而不断的以铺粉-熔化-下降缸体-铺粉的时序逻辑来实现金属零件的增材制造。在激光选区熔化成形工艺(slm)中，激光通过二维或三维振镜将激光光束进行摆动并将激光光斑在聚焦平面上移动，若通过程序来控制振镜镜片的偏转角则可将光斑按一定的轨迹进行移动，这种按一定轨迹进行移动激光光斑的方法即为扫描工艺。在slm成形工艺中，激光扫描工艺尤为重要，因为激光光斑扫描到金属粉末材料上后会形成熔池。扫描工艺决定了形成的熔池的熔化方向、熔化时序、熔化深度、熔化宽度、熔化重叠区宽度等。由于上述激光光斑在金属粉末床上是连续由点到线、由线到图案的连续移动的过程，因此形成的熔池也是连续形成的过程，熔池在形成过程中会以固体-液体-固体的形态出现，初始固体为粉末态、终止固体为实体态，实体态熔池是以整体连贯体形成。由于金属材料热胀冷缩及晶体和晶界等固有特性的因素影响，在熔池凝固过程中或过程后会出现内部收缩或拉伸应力，内应力集中到一定程度后会形成宏观应变或微观应变，微观应变大到一定程度会引起微观裂纹，宏观应变大到一定程度会出现宏观裂纹和宏观变形。裂纹和变形的累计会导致分层制造过程中的变形、翘曲、开裂的后果，继而影响后续的逐层制造、导致零件变形及加工失败等严重问题。
此外，市场上工业型3d打印机主要有，国外eos、雷尼绍、concept、slmsolution四家，这四家产品大都价格昂贵、设备庞大、操作复杂，但技术水平相对较高。slm技术是在选择性激光烧结(selectivelasersintering，sls)技术的基础上发展起来的，sls技术最开始仅用高分子粉末材料的粘结成形，制造熔模铸造的原型件，后期随着激光技术的发展，大功率高能量密度激光的出现，特别是基模光纤激光的研发成功，促成了slm技术的实现，即采用sls技术同样的原理，可以成形金属粉末制造金属零部件了。1995年，德国弗劳恩霍夫研究所开始研究slm技术及其装备，2002年成功推出了slm，可成形接近全致密的金属零部件和模具，经后期德国eos公司及mcp公司的不断完善发展，金属零部件的性能接近同材料的锻件水平。目前，德国eos公司和mcp公司(其中一部分为雷尼绍收购)所生产的slm设备代表了国际最高技术水平。其中eos公司所生产的dmls系列设备，其突出特点是成形过程中的保护气体采用循环净化的方式，采用该公司独特的外部气体净化处理装置，保证了成形腔内气体环境的纯度。而mcp公司设备的特点是可对成形腔进行抽真空处理，粉末循环使用，合理地利用设备结构空间，采用上部给粉方式，成形同样上限尺寸零部件的条件下，保持设备的整体体积较小。目前两家公司在国际市场都有销售业绩，但eos公司同时出售与其设备相适应的粉末材料，并对于其它耗材不提供技术保障服务。而mcp与雷尼绍公司的设备对所有的金属粉末开放，适合不同金属粉末成形实验。总而言之，目前slm技术及其装备已趋于成熟，零部件制造也有许多应用领域，诸如口腔医学、汽车、航空航天等，不断扩展其应用市场。尽管德国在slm技术研究和应用方面处于领先地位，但还从未开发过成形截面超过600mm×600mm以上的装备，当然也没有从事过截面超过以上尺寸的大型零部件的成形。美国首先于1995年提出高性能金属零件的激光快速制造技术，在能源部研究计划支持下，sandia及losalomos国家实验室率先发展出称为lens(laserengineerednetshaping)及dlf(directedlightfabrication)的技术，研究了不锈钢、镍基合金、钛合金、难熔金属等材料的组织及性能，并采用该技术成功制造出铼及铱的飞机发动机喷管，显示出该技术在高性能金属零件直接成形方面的优势，并于1998年由optomec公司成功推出商业化的lens系统。随后美国的stanforduniversity、universityofmichigan、英国的universityofbirmingham、universityofmanchester、universityofliverpool及加拿大的nationalresearchcouncil等也发展了分别称作为sdm(shapedepositionmanufacturing)、dmd(directmetaldeposition)、dlf(directlaserfabrication)、dld(directlaserdeposition)、ldc(laserdirectcasting)、lc(laserconsolidation)的技术，尽管各自的名称不同，但原理和方法是一致的，系统所配备的激光器主要有co2气体激光器、nd:yag固体激光器及光纤激光器，所成形的材料包括各种不锈钢、镍基合金、钛合金等。
技术实现要素：
本发明针对激光选区熔化增材制造的特点提供一种复合强化的激光熔化扫描方法；通过多次重复扫描，来降低熔化过程中产生的应力，降低熔池内部和熔池之间的应力集中、宏观或微观裂纹、应力变形等出现的大小或数量，提高组织均匀性，提高致密度等目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及一种复合强化的激光熔化扫描方法，依次对每一扫描层进行复合强化扫描；所述复合强化扫描选用一次全熔和多次重熔复合强化扫描、一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描或层内复合的复合强化扫描。
作为本发明的一个实施方案，相邻扫描层间扫描方向旋转30°-90°。
作为本发明的一个实施方案，所述一次全熔和多次重熔复合强化扫描包括：
a1、全熔扫描：将一个扫描层分为若干连续区域，依次对各个区域进行激光全熔扫描，扫描方式为倾斜分区扫描；
a2、预熔、重熔扫描：在步骤a1中全熔扫描完成后的扫描层上进行预熔扫描；预熔扫描完成后，扫描参数不变、扫描方向旋转67°进行重熔扫描；所述预熔扫描及重熔扫描均采用分区扫描。
作为本发明的一个实施方案，步骤a1中，扫描时包含扫描层的截面轮廓。
作为本发明的一个实施方案，所述一次全熔和多次重熔复合强化扫描还包括第三次重熔扫描：
在步骤a2扫描完成的扫描层截面面积>100mm2且长宽比>0.5时引发第三次重熔扫描；所述第三次重熔扫描的扫描参数与步骤a1、a2的扫描参数相比：激光功率参数降低一半、扫描速度提高一倍、扫描间距加大一倍。
作为本发明的一个实施方案，相邻扫描层均选用一次全熔和多次重熔复合强化扫描时，相邻两层间扫描方向旋转67°。
作为本发明的一个实施方案，所述一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描包括：
b1、一次快速预热扫描：扫描方式采用“之”字形扫描，扫描角度采用0°即横向扫描，扫描的轮廓形状为当前扫描层截面的矩形包围框，快速预热但不熔化当前扫描层层面的粉末；
b2、一次全熔扫描：对步骤b1预热后的扫描层进行全熔扫描；扫描方式采用倾斜分区形式，扫描角度采用旋转67°。
作为本发明的一个实施方案，所述一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描还包括第三次快速回火扫描：
在步骤b2扫描完成的扫描层截面面积>100mm2且长宽比>0.5时引发第三次快速回火扫描；扫描的轮廓形状采用步骤b1的矩形包围框，扫描方式采用“之”字形扫描，旋转角度采用90°之字即沿y轴扫描。
作为本发明的一个实施方案，所述层内复合的复合强化扫描包括：
将一个扫描层分为若干连续区域，依次对各个区域进行激光全熔扫描，扫描方式为倾斜分区扫描；并且，在每一个分区第一步全熔扫描完成后，暂停扫描下一个分区，立即采用六边形网格轮廓进行复合扫描该分区区域，当该分区区域的六边形网格扫描完成后立即扫描下一个分区，重复进行扫描分区和扫描六边形网格。
作为本发明的一个实施方案，第一步全熔扫描时包含扫描层的截面轮廓；扫描六边形网格时仅扫描六边形网格，不扫描网格内填充。
作为本发明的一个实施方案，相邻扫描层均选用层内复合的复合强化扫描时，相邻两层间扫描方向旋转67°。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明通过多次重复扫描，来降低熔化过程中产生的应力，降低熔池内部和熔池之间的应力集中、宏观或微观裂纹、应力变形等出现的大小或数量，提高组织均匀性，提高致密度等目的；
2)在轮廓复杂，面积大，形状复杂情况下，本发明的三种复合扫描方法可根据零件即每层截面轮廓特点进行灵活使用来实现整个零件的复合强化目的。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一次全熔和多次重熔的复合强化扫描法的分区扫描示意图；
图2为一次全熔和多次重熔的复合强化扫描法的倾斜分区扫描角度变换示意图；
图3为一次全熔和多次重熔的复合强化扫描法的复合强化扫描过程示意图；
图4为一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描法的几种不同类型的切片层面的包围框示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。需要说明的是下述的扫描工艺参数根据所熔化的具体金属材料类别会相应的进行调整，本发明并不局限在某一个具体数值，其工艺参数根据具体材料和设备及零件可进行相应的选定，其工艺参数的选定和范围拟定并不在本发明范围内，本发明仅在工艺参数已进行系统研究和选定的基础上，提出一种提高致密度、降低应力应变、降低裂纹的复合扫描方法。
实施例1、一次全熔和多次重熔的复合强化扫描法
第一步：全熔扫描工序：扫描工艺采用分区扫描，如图1所示，将一个扫描层分为若干连续区域，依次对各个区域进行激光扫描，其扫描工艺参数为：激光功率300w-400w，扫描速度1-2m/s，扫描间距0.1mm，扫描方式为倾斜分区扫描，如图2所示，各分区之间搭接宽度为0.05mm，扫描时包含截面轮廓。相邻两层间扫描方向旋转67°(可以为30°-90°，本实施例中选择67°)。该次扫描的目的即通过高功率密度实现当前层面的快速熔化。
第二步：复合强化扫描工序：考虑到零件的每个分层面都将进行预熔以及重熔两次熔化，两次熔化的扫描策略可一致也可不一致。预熔扫描及重熔扫描均采用分区扫描，预熔扫描完成后，重熔扫描方向旋转67°，两次扫描完成后，再旋转67°，进行下一层的扫描。该复合强化扫描过程如图3所示，其中，横向箭头区域代表预熔扫描，竖向箭头区域代表重熔扫描。分区扫描策略能够带来更好的粉末熔化效果。此次扫描的激光功率、扫描速度、扫描间距均与第一次扫描的工艺参数一致，仅仅改变了扫描的角度，其目的即为通过两次快速完全熔化扫描实现扫描线的交叉和编织重叠来提高熔化的致密度，其原理类似于二维编织的效应。
第三步：第三次重熔扫描工序，为了进一步提高每一层熔化的致密度和降低内部应力，根据当前层截面面积和形状特点，通过快速再次扫描来达到提高致密度和降低应力应变的效果。其中当截面面积>100mm2且长宽比>0.5时引发第三次重熔扫描。其扫描工艺参数包括激光功率参数降低一半、扫描速度提高一倍、扫描间距加大一倍，来实现第三次的重熔扫描，其原理类似于铸造或焊接工艺过程的退火处理，不过本方法的创新在于实现了实时的每一层的退火处理、并考虑微区的空间形状来计算是否需要退火处理，以达到每一层面的组织成分均匀性的目的。
实施例2、一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描法
第一步：第一次快速预热扫描工序，通过调整扫描时的激光功率和扫描速度先进行快速预热扫描。具体为根据初始设定的层厚、功率等工艺参数，将激光功率设定为100w-200w功率，扫描速度设定为2m/s-3m/s，扫描间距设定为0.15mm，扫描方式采用“之”字形扫描，扫描角度采用0°即横向扫描，同时扫描的轮廓形状变为当前截面的矩形包围框，即将当前层的切片轮廓全部包围在该矩形包围框中，如图4所示。扫描方式采用之字形方式来快速扫描，目的是，通过提高扫描速度和功率来降低扫描的功率密度，不使扫描功率达到可以熔化粉末的状态，仅仅将切片的轮廓矩形区域进行预热，提高整体温度。
第二步：在前一步快速预热扫描当前层面轮廓矩形区域后，再通过完全熔化扫描的方式实现层面的粉末熔化，具体为激光功率采用200w-300w，扫描速度采用1m/s-1.5m/s，扫描间距采用0.1mm,，扫描方式采用倾斜分区形式，相邻分层面的扫描角度采用旋转67°。通过提高功率密度来实现当前层面的完全熔化。此步骤的完全熔化由于第一步的快速预热扫描提高了整体层面的温度和粉末的热焓，在这个完全熔化扫描时降低了熔池形成的温度梯度，那么会相应的降低熔池熔化时的应力梯度。
第三步：第三次快速回火扫描。根据当前层截面形状和第二步完全熔化的结果，实时判断是否进行第三次快速回火扫描。判断的条件即为：当前层面积>100mm2且长宽比>0.5时引发第三次回火扫描。第三次快速回火扫描的形状也是采用第一步的轮廓包围框形状，扫描工艺参数将激光功率设定为100w-200w功率，扫描速度设定为2m/s-3m/s，扫描间距设定为0.15mm，扫描方式采用“之”字形扫描，旋转角度采用90°之字即沿y轴扫描。从而实现与第一步扫描方向交叉的效果，来达到复合强化的目的。
实施例3、层内复合的复合强化扫描法
除上述两种复合强化扫描方法之外，本发明还提出一种通过单次扫描即可达到复合强化方法的扫描方法，具体如下。
第一步：全熔扫描工序：扫描工艺采用分区扫描，将一个扫描层分为若干连续区域，依次对各个区域进行激光扫描，其扫描工艺参数为：激光功率300w-400w，扫描速度1-2m/s，扫描间距0.1mm，扫描方式为倾斜分区扫描，各分区之间搭接宽度为0.05mm。相邻两层间扫描方向旋转67°。该次扫描的目的即通过高功率密度实现当前层面的快速熔化。扫描时包括截面轮廓。
第二步：由于前一步在扫描时会不可避免的出现应力集中、应力不均匀问题，特别是长条形或薄壁形零件截面更集中，因此为了在层内快速降低应力集中、裂纹产生的风险和数量、数值等。在前述第一步每一个分区(倾斜分区)扫描完成后，暂停扫描下一个分区，而是立即采用六边形网格轮廓进行复合扫描该分区区域，扫描的工艺参数即采用第一步的扫描功率参数。六边形网格轮廓的边长可设定在5-10mm之间，可根据轮廓截面的包围框大小进行适当调整。调整的方法为：a＝5 k，其中k＝[w/10,l/10]，k的含义为取w/10和l/10的最小值，当a>10时，将a设定为10mm，a<5时，将a设定为5mm。该扫描步骤仅仅扫描六边形网格，而不扫描网格内填充。当该分区的六边形网格扫描完成后立即扫描下一个倾斜分区，以此方法重复进行扫描分区和扫描六边形网格。该方法的目的即通过层内一次扫描来实现完全熔化金属粉末和降低熔池凝固时产生的应力和应变集中问题、也有提高层内的组织均匀性效果。采用六边形网格即利用六边形是一种最稳定的多边形网格，在蜂窝等生物结构中得到广泛的应用，六边形轮廓扫描的原理即类似于蜂窝编织的效应，即以最小的轮廓长度实现最大的包罗面积，这样以达到快速扫描和最大降低应力的目的。
综上所述，本发明针对不同零件特征和不同截面形状尺寸通过采用一种新的复合扫描的方式，考虑材料固有热、物理等特性，综合利用多种扫描方式的优点，改变熔池形成的时序、宽度、深度等多个特性，复合强化每一层加工熔化形成的金属层的致密度、表面粗糙度，降低成形过程中的应力累积，并相应降低宏观和微观应变，继而实现零件的成功制造，达到提高零件加工成功率和零件加工质量的最终目的。
需要强调的是，在轮廓复杂，面积大，形状复杂情况下，本发明的三种复合扫描方法可根据零件即每层截面轮廓特点进行灵活使用，而并不为固定的一种方法来实现整个零件的复合强化目的，这也是本发明的权利有效范围。
特别地本发明提出的复合强化扫描工艺是一种原理性的方法，主要是通过多种扫描工艺或过程来实现降低熔池熔化和凝固过程形成的内应力和裂纹等风险、大小和数量，这个原理与上述提出的内容密切相关又具有一定的开放性，基于本发明内容所衍生的复合强化扫描方法在实施过程中并不局限在上述三种方法，因此基于上述三种方法所衍生的方法按其原理过程也视为本发明的权利要求范畴。
1.一种复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，依次对每一扫描层进行复合强化扫描；所述复合强化扫描选用一次全熔和多次重熔复合强化扫描、一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描或层内复合的复合强化扫描。
2.根据权利要求1所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，相邻扫描层间扫描方向旋转30°-90°。
3.根据权利要求1所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，所述一次全熔和多次重熔复合强化扫描包括：
a1、全熔扫描：将一个扫描层分为若干连续区域，依次对各个区域进行激光全熔扫描，扫描方式为倾斜分区扫描；
a2、预熔、重熔扫描：在步骤a1中全熔扫描完成后的扫描层上进行预熔扫描；预熔扫描完成后，扫描参数不变、扫描方向旋转67°进行重熔扫描；所述预熔扫描及重熔扫描均采用分区扫描。
4.根据权利要求3所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，步骤a1中，扫描时包含扫描层的截面轮廓。
5.根据权利要求3所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，所述一次全熔和多次重熔复合强化扫描还包括第三次重熔扫描：
在步骤a2扫描完成的扫描层截面面积>100mm2且长宽比>0.5时引发第三次重熔扫描；所述第三次重熔扫描的扫描参数与步骤a1、a2的扫描参数相比：激光功率参数降低一半、扫描速度提高一倍、扫描间距加大一倍。
6.根据权利要求3所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，相邻扫描层均选用一次全熔和多次重熔复合强化扫描时，相邻两层间扫描方向旋转67°。
7.根据权利要求1所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，所述一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描包括：
b1、一次快速预热扫描：扫描方式采用“之”字形扫描，扫描角度采用0°即横向扫描，扫描的轮廓形状为当前扫描层截面的矩形包围框，快速预热但不熔化当前扫描层层面的粉末；
b2、一次全熔扫描：对步骤b1预热后的扫描层进行全熔扫描；扫描方式采用倾斜分区形式，扫描角度采用旋转67°。
8.根据权利要求7所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，所述一次快速预热和一次全熔的复合强化扫描还包括第三次快速回火扫描：
在步骤b2扫描完成的扫描层截面面积>100mm2且长宽比>0.5时引发第三次快速回火扫描；扫描的轮廓形状采用步骤b1的矩形包围框，扫描方式采用“之”字形扫描，旋转角度采用90°之字即沿y轴扫描。
9.根据权利要求1所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，所述层内复合的复合强化扫描包括：
将一个扫描层分为若干连续区域，依次对各个区域进行激光全熔扫描，扫描方式为倾斜分区扫描；并且，在每一个分区第一步全熔扫描完成后，暂停扫描下一个分区，立即采用六边形网格轮廓进行复合扫描该分区区域，当该分区区域的六边形网格扫描完成后立即扫描下一个分区，重复进行扫描分区和扫描六边形网格。
10.根据权利要求9所述的复合强化的激光熔化扫描方法，其特征在于，第一步全熔扫描时包含扫描层的截面轮廓；扫描六边形网格时仅扫描六边形网格，不扫描网格内填充。
技术总结