[發明專利]采用多束激光輔助控溫3D打印定向晶零件的裝置及方法

有效

• 申請號: 201610365623.8
• 申請日: 2016-05-27
• 公開（公告）號: CN105834427B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 張航;李滌塵;王旭
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

【技術領域】

本發明涉及3D打印領域，具體涉及一種采用多束激光輔助控溫3D打印定向晶零件的裝置及方法。

【背景技術】

3D打印技術正在快速改變傳統的生產方式和生活方式，作為戰略性新興產業，美國、德國等發達國家高度重視并積極推廣該技術。不少專家認為，以數字化、網絡化、個性化、定制化為特點的3D打印技術為代表的新制造技術將推動第三次工業革命。3D打印技術是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱，主要涉及數字模型的建立、分層、生成加工代碼、層片聯接等過程。對于一些傳統加工難以加工的零部件的加工有重要意義，因此在武器裝備、航空部件等領域有著重要的應用意義。

隨著航空航天技術的發展，一些關鍵部位的零件也設計的更加復雜。以渦輪發動機為例，其熱端部件主要包括渦輪葉片和渦輪盤。渦輪葉片是航空發動機的核心部件之一，渦輪葉片由于處于溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位而被列為第一關鍵件，并被譽為“王冠上的明珠”，其設計與制造水平將對航空發動機的綜合性能產生直接影響。目前的渦輪發動機葉片主要采用傳統高溫合金通過熔模鑄造的方法加工成形，但是這種方法工藝周期長、難度大、成本高，不利于新產品的開發，并且型芯型殼通過裝配結合在一起，會引入裝配誤差導致葉片的偏芯、穿孔等缺陷。所以傳統的鑄造方式已經不能達到設計要求，同時傳統鑄造的方式還存在著很多的的缺陷，如氣孔、粘砂、夾砂、砂眼、脹砂、冷隔、澆不足、縮松、縮孔、缺肉，肉瘤等。

逐漸成熟的3D打印技術為這些關鍵的零部件的制造提供了一種新的技術方案，在制造工藝和制造精度上都有了極大的改善和進步。但是，這種技術也存在著一些缺陷，例如在金屬打印時，由于存在較大的溫度梯度，金屬難以持續穩定地生長，難以獲得品相良好的柱晶或單晶組織，因而得到的零部件的性能和特性受到極大的影響。

【發明內容】

本發明的目的在于克服現有技術中存在的問題，提供一種采用多束激光輔助控溫3D打印定向晶零件的裝置及方法，通過增加輔助控溫光源，利于零件的金屬晶體定向生長，能夠得到連續的柱晶或單晶組織。

為了達到上述目的，本發明裝置采用如下技術方案：

包括依次光路連接的激光器、擴束鏡、掃描器和f-θ鏡，激光器發射的激光經過擴束鏡和掃描器，形成主激光光束以及分布在主激光光束四周的若干束輔助激光光束；f-θ鏡設置于成形室的頂部，成形室內填充有保護氣體，成形室連接送粉系統且成形室的底部連通成形缸，成形缸的底部設置進給裝置。

進一步地，送粉系統包括在成形室的底部設置的鋪粉刮板，以及與成形室底部連通且裝有預成型的金屬粉末的料缸，料缸的底部也設置進給裝置。

進一步地，激光器包括一個主激光器和若干個輔助激光器，輔助激光器的功率均小于主激光器的功率；擴束鏡包括位于主激光器和掃描器之間的第一擴束鏡，以及位于輔助激光器和掃描器之間的第二擴束鏡。

進一步地，輔助激光光束為三束，且位于等腰三角形的三個角上，主激光光束位于該等腰三角形的底邊中點處。

本發明方法的技術方案是，包括以下步驟：

a)通過送粉系統向成形缸送入原料粉末；

b)對待制造的零件建立三維實體模型，并對三維模型進行切片分層，得到各個截面的輪廓數據；

c)根據待制造零件的三維實體模型，對主激光光束和輔助激光光束的控溫熔覆過程進行模擬，確定主激光光束和輔助激光光束的功率、光斑直徑和布置位置；

d)根據確定的功率、光斑直徑和布置位置，采用選區激光熔化法，成形出待制造的零件胚體；

e)將零部件胚體進行后處理，得到定向晶零件。

進一步地，步驟a)中原料粉末是從金屬粉末鎢、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭以及鉬中任意選取五種或五種以上，以等摩爾混合均勻得到的。

進一步地，步驟c)中對主激光光束和輔助激光光束的控溫熔覆過程進行模擬的具體過程包括：

301、首先對待制造零件的三維實體模型進行網格的劃分，并對網格進行修正；

302、設定主激光光束和輔助激光光束的初始功率、初始光斑直徑和初始布置位置，進行溫度場的模擬；

303、對得到的溫度場進行分析，測量溫度場中的熔池等溫面曲率半徑偏轉方向與組織生長方向的夾角α；

304、將α與設定值A進行比較，在α＞A時，調節輔助激光光束的功率，重新進行溫度場的模擬，直至α≤A。

進一步地，設定值A為15°。

進一步地，步驟e)中后處理包括退火處理和精加工處理。