[發明專利]一種激光沖擊強化輔助的激光增材制造復合加工方法

有效

• 申請號: 201711088077.9
• 申請日: 2017-11-08
• 公開（公告）號: CN109746441B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 孫博宇;趙吉賓;喬紅超;趙宇輝;陸瑩;王志國
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 王倩

本發明涉及激光沖擊強化輔助的激光增材制造復合加工方法，包括以下步驟：1)建立零件的模型將切片信息導入到增材制造設備中；2)設定激光選區熔化工藝參數和激光沖擊強化的工藝參數；3)工作時送粉腔上升一個厚度，成形腔下降一個厚度，通過增材制造設備的水平刮板運動，使送粉腔突出的粉末平鋪在成形腔的基板上；4)計算機根據零件的切片信息控制激光束的二維掃描軌跡，使熔融粉末材料形成零件的一個層面；5)動力裝置通過導軌滑塊機構推動約束層和犧牲層，使其覆蓋到在成形腔上面，進行表面激光沖擊強化。本發明添加了犧牲層，可以阻止激光強化過程中激光能量對基體的不良影響，提高基體性能。

技術領域

本發明是一種在激光增材制造中添加具有約束層和犧牲層的激光沖擊強化的方法及裝置，是一種通過結合激光沖擊強化，達到調控激光增材制造微觀組織和力學性能的目的。本發明具有非接觸、熱影響區小、可控性、殘余壓應力高等突出優點。

背景技術

增材制造技術即快速成型是一種基于微積分思維的制造技術，包括選區激光熔化(SLM)和選區激光燒結(SLS)。二者成形原理相似，區別在于SLS技術成形工藝較復雜，由于制造過程是由材料粉末顆粒交界處或覆膜的低熔點黏結劑熔化，使粉末相互黏結，逐步得到各層輪廓并實現逐層黏結的，所以制件表面是粉粒狀的，因此SLS技術成形件表面質量不高、致密度無法接近100％并且需要較復雜的后處理及輔助工藝。相比較而言，SLM技術則沒有這些不足，因而在金屬零件產品制造領域具有獨特的優勢。SLM技術以高功率或高亮度激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接制造出任意復雜形狀的零件，其實質就是CAD軟件驅動下的激光三維熔覆過程。該技術具有如下獨特的優點：(1)制造速度快，節省材料，降低成本；(2)不需采用模具，使得制造成本降低15％～30％，生產周期節省45％～70％；(3)可以生產用傳統方法難于生產甚至不能生產的形狀復雜的功能金屬零件。

但是由于成型中不均勻的溫度場以及成型后的冷卻收縮作用，增材制造零件會存在內應力甚至會產生孔隙、翹曲、裂紋等微觀缺陷，影響材料的微觀組織、疲勞強度、抗腐蝕性能等參數。激光沖擊強化(LSP)是一種常用的表面強化方法，其通過利用功率密度為GW每平方厘米量級、脈沖寬度為ns量級的強激光輻照材料表面產生GPa量級的沖擊波來提高金屬材料的硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性能，在材料表面形成一定的殘余壓應力，能夠有效改善增材制造零件的微觀組織和力學性能。

發明內容

本發明提供了一種具有約束層和犧牲層的激光沖擊強化調控增材制造的方案，并且提出了一種約束層和犧牲層的自動鋪設裝置。

為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是：激光沖擊強化輔助的激光增材制造復合加工方法，通過移動約束層和犧牲層，實現對零件的激光選區熔化和激光沖擊強化，包括以下步驟：

1)建立零件的模型，對模型進行切片處理，并將切片信息導入到增材制造設備中；

2)根據強化效果和加工需求，設定激光選區熔化工藝參數和激光沖擊強化的工藝參數；

3)鋪粉階段：工作時送粉腔上升一個厚度，成形腔下降一個厚度，通過增材制造設備的水平刮板運動，使送粉腔突出的粉末平鋪在成形腔的基板上；

4)激光選區熔化階段：計算機根據零件的切片信息控制激光束的二維掃描軌跡，使熔融粉末材料形成零件的一個層面；

5)激光沖擊強化階段：重復步驟3)-步驟4)，在完成若干層之后，動力裝置通過導軌滑塊機構推動約束層和犧牲層，使其覆蓋到在成形腔上面，進行表面激光沖擊強化，之后通過動力裝置撤去約束層和犧牲層；

6)返回步驟3)，直至零件加工完成。

所述切片信息包括厚度、切片方向和二位掃描軌跡。

所述約束層和犧牲層上下貼合，通過動力裝置控制導軌滑塊機構帶動其水平方向運動。