一種含內置夾雜物的金屬試樣3d打印成形方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種粉末材料的快速成型領域，具體涉及一種含內置夾雜物的金屬試樣3D打印成形方法，應用于材料成形領域。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的快速發展，我國的煉鋼技術也取得了長足的進步，但是鋼中的夾雜物卻仍舊難以消除，而且夾雜物對鍛件的性能與質量影響極大，常常令鍛件因探傷不合格而導致其報廢，造成巨大的經濟損失，因此研究鋼錠鍛造過程中夾雜物的變形行為具有非常重要的意義。而想要研究鋼中的夾雜物，就需要一種制備出含有內置夾雜物的金屬試樣的成形方法。
[0003]對于制備含有內置夾雜物的金屬試樣，國內外各學者通常利用的方法有兩種:一種是利用冶煉制備出含夾雜物的金屬試樣，而另一種則是通過破壞金屬基體人工置入夾雜并將塞料焊合的方法。冶煉法雖然能保證金屬基體的連續性，但是由于內置夾雜物的原始形貌與位置不能確定，因此，給鍛后夾雜物變形行為的各種統計帶來難度。而人工置入夾雜的方法則破壞了金屬基體的連續性，同時使基體材料與夾雜物的邊界狀態與實際情況相差較大，不能保證冶金結合，降低了實驗研究的準確性。并且上述兩種方法在制備試樣過程中大多采用車銑磨刨等常規手段得到最終形狀較為簡單的試樣，如圓柱形、長方體等規則形狀，給實驗研究鋼中的夾雜物帶來了一定的局限性。
[0004]針對上述兩種制樣方法的不足，本發明提出的一種含內置夾雜物的金屬試樣3D即三維打印成形方法，也稱快速成型方法。該方法采用激光熔覆成形技術，將已知形貌的夾雜物在熔覆過程中放入金屬基體內。該方法不僅能夠制備各種復雜形狀的金屬試樣，拓展了實驗研究鋼中夾雜物變形行為的范圍，還保證了不破壞金屬基體連續性，能夠準確定位夾雜物的具體位置與原始形貌，并且保證了金屬基體與夾雜物的冶金結合，大大提高了實驗研究鋼中夾雜物的精度與準確性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決實驗研究金屬試樣中夾雜物的問題，而提出一種含內置夾雜物的金屬試樣3D打印成形方法，在克服了現有技術只能制備規則形狀試樣的缺陷的同時，還保證不破壞金屬基體連續性，能夠準確定位夾雜物的具體位置與原始形貌，并且保證了金屬基體與夾雜物的冶金結合，大大提高了實驗研究金屬試樣中夾雜物的精度與準確性。
[0006]為了解決上述問題，本發明是通過下述技術方案實現的:
[0007]一種含內置夾雜物的金屬試樣3D打印成形方法，包括的步驟如下:
[0008]步驟一、根據金屬試樣所需的實際形狀與尺寸，進行金屬試樣的三維模型的建模并對三維模型進行分層處理以得到三維模型的層片輪廓數據；
[0009]步驟二、將所述層片輪廓數據輸入到激光熔覆成形設備中并生成材料成形路徑；
[0010]步驟三、利用激光熔覆成形方法制備與所述金屬試樣材料相同的金屬板，并將所述金屬板放置在激光熔覆成形設備的工作臺上利用高能激光束在金屬板上形成熔池；
[0011 ]步驟四、以所述金屬試樣的粉末作為基體材料，根據所述層片輪廓數據要求，將基體材料通過送粉裝置和粉末噴嘴輸送到所述熔池里熔化并打印出當前層；
[0012]步驟五、經凝固后將激光熔覆成形設備上移至層片輪廓數據所要求下一層的高度后，重復步驟四逐層熔覆至夾雜物所在指定位置；
[0013]步驟六、將已知形貌與成分的夾雜物固定在所述指定位置，繼續進行逐層熔覆成形至金屬試樣所要求的高度；以及
[0014]步驟七、去除多余的基體材料，得到最終所需形狀與尺寸的內含夾雜物的金屬試樣。
[0015]可優選的是，逐層熔覆成形的每層基本形貌與金屬試樣當前層形貌相同，并且逐層熔覆成形的厚度根據金屬試樣當前層的層片輪廓數據決定。
[0016]可優選的是，放置的夾雜物為單一成分夾雜物。
[0017]可優選的是，單一成分夾雜物為氧化鋁或者硫化錳夾雜物。
[0018]可優選的是，放置的夾雜物為各種夾雜物的混合物。
[0019]可優選的是，放置的夾雜物原始形貌為球形或柱形。
[0020]可優選的是，金屬試樣為合金成分金屬試樣。
[0021]可優選的是，金屬試樣的形狀為不規則形狀。
[0022]可優選的是，激光熔覆成形設備的工作臺包括具有加熱、保溫和冷卻作用的控溫裝置以及防氧化裝置。
[0023]上述方法中，每層熔覆沉積成形的基本形貌與金屬試樣當前層形貌相同，并且熔覆沉積的厚度根據金屬試樣當前層信息要求決定。放置的夾雜物成分可以為單一的成分，如氧化鋁或者硫化錳等，也可以為各種夾雜的混合物，具體情況視實驗研究要求決定。放置的夾雜物原始形貌應根據實驗要求決定，可以為球形、柱形等各種形狀。金屬試樣的成分可以為單一成分，也可以為合金成分，具體情況視實驗研究要求決定。金屬試樣的形狀與尺寸由實驗研究要求決定，可以為圓柱形或長方體等各種形狀。成形設備工作臺根據金屬試樣成形要求，具有加熱、保溫、冷卻的控溫裝置以及防氧化裝置。
[0024]本發明對比已有的制樣方法，具有以下的創新與優點:
[0025]本發明首次將3D打印成型方法引入制備含內置夾雜物的金屬試樣中，大大簡化了制樣難度。利用激光熔覆成形技術不僅能夠制備出各種復雜形狀的金屬試樣，并且不破壞金屬基體連續性，保證了金屬基體與夾雜物的冶金結合，同時還可以準確確定夾雜物的位置與原始形貌，提高了實驗研究鋼中夾雜物的精度與準確性，為金屬試樣中夾雜物的研究開辟了一條新的道路。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明含內置夾雜物的金屬試樣3D打印成形方法的流程示意圖；以及
[0027]圖2是本發明的激光熔覆成形設備的示意圖。
[0028]圖中:I為工作臺，2為與金屬試樣相同材料的金屬板，3為金屬試樣，4為所放置的夾雜物，5為送粉裝置，6為粉末噴嘴，7為高能激光束發射裝置，8為保護氣體輸送裝置，高能激光束9，熔池10。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
[0030]本發明的目的是利用激光熔覆成形技術制備含內置夾雜物的金屬試樣來提高實驗研究金屬中夾雜物的精度與準確性。
[0031]實施例1:
[0032]本實施例是制備中心含球形氧化鋁夾雜物4的304L不銹鋼圓柱試樣3，不銹鋼圓柱試樣3的具體尺寸為Φ 1X 15mm，球形氧化招夾雜物4的最大直徑為0.5mm，其具體實施過程如下:
[0033]步驟一、利用三維建模系統如:UG、Pro/E進行304L不銹鋼圓柱試樣3的建模并進行分層處理以得到層片輪廓數據數據；
[0034]步驟二、將圓柱試樣的層片輪廓數據輸入到激光熔覆成形設備中并按照所得信息自動生成材料成形路徑；
[0035]步驟三、利用激光熔覆成形方法制備出一塊尺寸適宜的304L不銹鋼板2并將其放置在激光熔覆成形設備的工作臺I上，利用高能激光束發射裝置7產生高能激光束9，在304L不銹鋼板2上形成熔池10;激光熔覆成形設備的工作臺包括具有加熱、保溫、冷卻作用的控溫裝置以及包括保護氣體輸送裝置8在內的防氧化裝置。
[0036]步驟四、制備304L不銹鋼金屬粉末作為基體