本發明屬于3D打印增材制造技術領域，具體涉及一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法。
背景技術：
3D打印（增材制造）技術是通過CAD 設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，3D打印技術涉及CAD/CAM、機械工程、分層制造技術、激光技術、數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術等多個學科。3D 打印不需切削材料，也不需模具，可批量制造，還可遠程操控，尤其適用于結構復雜的零件，制造速度快，生產周期短，降低開發成本和風險，被認為是第三次工業革命。目前典型的3D打印技術主要有：選擇性激光燒結、選擇性激光熔化、光固化立體成形、熔融沉積制造等。金屬零件選擇性激光熔化成形為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。選擇性激光熔化成形基本原理為：先在計算機上利用Pro/e、UG、SolidWorks等三維造型軟件設計出零件的三維實體模型，然后對該三維模型進行切片分層，得到各截面的二維輪廓數據，將這些數據導入快速成形設備的計算機中，計算機按照設置的掃描方式，驅動激光熔化成形系統進行掃描成形，逐步堆疊成三維零件。
金屬基復合材料是以金屬為基體，往金屬中添加增強體，除了增加其力學性能外，同時還具有導熱、導電、耐磨、熱膨脹系數小和無污染等優點，廣泛應用在航空、航天、軍事等領域。金屬基復合材料加工比較困難，尤其形狀復雜的零件更是難以加工。選擇性激光熔化成形技術可制備形狀復雜的金屬基復合材料零件。選擇性激光熔化成形金屬基復合材料零件時，其主要工藝流程為：制備增強體的原料→制備增強體→制備增強體粉末→增強體粉末與金屬粉末混合→激光選區熔化成形。制備增強體時，往往是將多種單質原材料進行混合，在高溫設備中進行反應制備，此過程需要提供大量熱量，制備工藝復雜。增強體制備好后，需要將其制成適于激光選區熔化成形的粉末，該成形粉末對粒度和圓度要求較嚴，制備工藝及其復雜，甚至難以實現。金屬基復合材料激光選區熔化成形時，激光功率較大，金屬凝固過程中釋放大量熱量，熱量損失較多。如果把金屬凝固時釋放的熱量有效利用，用于制備增強體，將增強體制備與激光選區熔化成形同時進行，不僅降低了增強體制備成本，而且將工藝流程縮短為：制備增強體的原料→激光選區熔化成形，大大降低了金屬基復合材料的制備成本。
技術實現要素：
為了實現上述目的，本發明提出了一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法。自蔓延成形是利用物質反應熱的自傳導作用，使物質之間產生化學反應合成新材料。選擇性激光熔化自蔓延成形過程中，如果自蔓延反應能夠自己進行，成形粉末將會完全反應，難以實現零件的成形。為了避免此問題，首先要計算不同成分的粉末反應所需熱量及反應放出的熱量，從而通過控制成形材料成分，使其反應的熱量無法實現自蔓延反應，同時根據計算結果控制激光器發射不同能量的激光，使只有激光掃描過的粉末才能發生反應，從而實現零件的選擇性激光熔化自蔓延成形。
本發明一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法，具體是按照以下步驟完成的：
第一步，使用三維掃描儀對需要成形的零件進行三維掃描建立零件的三維模型，或者根據零件的工程圖紙利用三維建模軟件建立零件的三維模型。
第二步，利用Magics軟件對零件的三維模型進行處理，設定零件的成形方向、添加支撐與成形精度。
第三步，利用切片軟件對三維模型進行切片處理，把三維模型分割成多個二維截面，并將數據傳到成形設備控制系統。
第四步，計算成形粉末配比，計算反應所需熱量及放熱，將不同配比成形原料粉末進行混合。
第五步，設定預熱溫度、激光功率、掃描速度等工藝參數。
第六步，打開激光器，進行選擇性激光熔化自蔓延成形。
第七步，對成形零件進行后處理，制備組織性能優良的金屬基復合材料。
根據上述方法，鋁基碳化硼復合材料選擇性激光熔化自蔓延成形時，200-300目碳粉質量分數0.1-0.3%，200-300目硼粉質量分數1-5%，其余為200-300目鋁粉，激光功率開始為150W，反應開始后激光調整為120W。掃描速度為8000mm/min。
根據上述方法，鋁基碳化鈦復合材料選擇性激光熔化自蔓延成形時，200-300目碳粉質量分數0.1-0.5%，200-300目鈦粉質量分數1-3%，200-300目鎂粉質量0.1-2%，其余為200-300目鋁粉，激光功率開始為130W，反應開始后激光功率調整為100W。掃描速度為9000mm/min。
根據上述方法，鐵基碳化鈦復合材料選擇性激光熔化自蔓延成形時，200-300目碳粉質量分數0.1-0.2%，200-300目鈦粉質量分數1-10%，200-300目鎂粉質量1%，其余為200-300目鐵粉，激光功率開始為200W，反應開始后激光調整為150W。掃描速度為9000mm/min。
本發明與現有技術相比具有的有益效果是：本方法將金屬凝固時釋放的熱量充分利用，用于制備增強體，有效節約了能源。將增強體制備與激光選區熔化成形同時進行，省去了單獨制備激光選區熔化成形專用增強體粉末等工序，縮短了工藝流程，大大降低了金屬基復合材料零件的制備成本。該方法能夠快速制備形狀復雜、組織性能優良的金屬基復合材料。
具體實施方式
實施例一：
本發明一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法，按下述步驟實施：
第一步，成形的零件形狀為管材，尺寸為：內徑100mm，外徑110mm，長度300mm。利用SolidWorks軟件建立該零件的三維模型。
第二步，利用Magics軟件對零件的三維模型進行處理，將零件豎直擺放，零件成形方向設為豎直方向。將圓管棱邊倒角設定為R0.5mm。利用Magics軟件檢查成形零件表面三角面片是否正確，并用自動修復功能對零件模型三角面片進行修復。根據該零件擺放特點，不要添加支撐，直接進行成形即可。成形精度設為0.1mm。
第三步，利用RP-Tool對模型進行切片處理，切片厚度為0.01mm，將切好的數據模型導入到成形計算機。
第四步，計算成形粉末配比，300目鋁粉質量分數95%，300目碳粉質量分數0.2%，300目硼粉質量分數4.8%。計算該成分粉末反應所需熱量及放熱。隨后對上述粉末進行混合，在真空條件下，利用三維混料機對上述粉末進行混合，混料時間為8小時。
第五步，將混好的粉末裝入成形機，設定基板預熱溫度為150℃，預熱時間為30min。激光功率開始為150W，反應開始后激光調整為120W。掃描速度為8000mm/min。
第六步，打開成形設備總開關，進行選擇性激光熔化自蔓延成形。
第七步，零件成形后，進行噴砂后處理。噴砂用的磨料為白剛玉，壓縮空氣壓力為3MPa，噴槍距離零件100mm。經過噴砂處理后，零件表面光潔度達到Ra6.3。
實施例二：
本發明一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法，按下述步驟實施：
第一步，成形的零件為空心半球罩，尺寸為：內徑70mm，外徑80mm。利用SolidWorks軟件建立該零件的三維模型。
第二步，利用Magics軟件對零件的三維模型進行處理。將零件水平擺放，半球罩的凸面向上。對該空心半球罩添加支撐，該支撐類型為牙形支撐，齒頂寬為0.1mm，齒底寬為0.9mm，齒間距為0.1mm。利用Magics軟件檢查成形零件表面三角面片是否正確，并用自動修復功能對零件模型三角面片進行修復。成形精度設為0.07mm。
第三步，利用RP-Tool對模型進行切片處理，切片厚度為0.01mm，將切好的數據模型導入到成形計算機。
第四步，計算成形粉末配比，200目鋁粉質量分數95%，200目碳粉質量分數0.1%，200目鈦粉質量分數3%，200目鎂粉質量1.9%。計算該成分粉末反應所需熱量及放熱。隨后對上述粉末進行混合，在真空條件下，利用三維混料機對上述粉末進行混合，混料時間為6小時。
第五步，將混好的粉末裝入成形機，設定基板預熱溫度為200℃，預熱時間為20min。激光功率開始設定為130W，反應開始后激光功率調整為100W。掃描速度設定為9000mm/min。
第六步，打開成形設備總開關，進行選擇性激光熔化自蔓延成形。
第七步，零件成形后，進行噴砂后處理。噴砂用的磨料為金剛砂，壓縮空氣壓力為2.5MPa，噴槍距離零件150mm。經過噴砂處理后，零件表面光潔度達到Ra6.3。
實施例三：
本發明一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法，按下述步驟實施：
第一步，成形的零件為長方體，尺寸為：長50mm，寬70mm，高50mm。利用SolidWorks軟件建立該零件的三維模型。
第二步，利用Magics軟件對零件的三維模型進行處理。將零件水平擺放，底面邊界尺寸為50mm×70mm。該模型成形過程無需添加支撐。檢查成形零件表面三角面片是否正確，并用Magics軟件自動修復功能對零件模型三角面片進行修復。成形精度設為0.1mm。
第三步，利用RP-Tool對模型進行切片處理，切片厚度為0.01mm，將切好的數據模型導入到成形計算機。
第四步，計算成形粉末配比，300目鐵粉質量分數90%，300目碳粉質量分數0.1%，300目鈦粉質量分數8.9%，300目鎂粉質量1%。計算該成分粉末反應所需熱量及放熱。隨后對上述粉末進行混合，在真空條件下，利用三維混料機對上述粉末進行混合，混料時間為10小時。
第五步，將混好的粉末裝入成形機，設定基板預熱溫度為200℃，預熱時間為20min。激光功率開始為200W，反應開始后激光調整為100W。掃描速度為9000mm/min。
第六步，打開成形設備總開關，進行選擇性激光熔化自蔓延成形。
第七步，零件成形后，進行噴砂后處理。噴砂用的磨料為金剛砂，壓縮空氣壓力為3MPa，噴槍距離零件100mm。經過噴砂處理后，零件表面光潔度達到Ra6.3。
上面結合實施例對本發明作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。