[發(fā)明專利]一種粉末對(duì)激光吸收率的測(cè)量裝置和測(cè)量方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010107934.0
• 申請(qǐng)日: 2020-02-21
• 公開（公告）號(hào): CN111198161A
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋鵬飛;秦淵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/01
• 分類號(hào): G01N21/01;G01N21/552
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 趙毅

本發(fā)明公開了一種粉末對(duì)激光吸收率的測(cè)量裝置和測(cè)量方法，該測(cè)量裝置包括激光器、光路系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)箱、粉末容器、加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。該測(cè)量方法為將具有厚度的粉末鋪于粉末容器中，再將粉末容器置于充有惰性氣體的保護(hù)箱內(nèi)。通過加熱系統(tǒng)預(yù)熱粉末，使其維持于一定溫度。激光系統(tǒng)輸出的某個(gè)波長(zhǎng)激光束經(jīng)光路系統(tǒng)放大準(zhǔn)直，輻照于粉末表面。利用測(cè)溫系統(tǒng)采集不同時(shí)刻粉末溫度數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)分析得到粉末吸收的激光能量，將其與激光輻照能量求比值獲得粉末對(duì)該波長(zhǎng)激光的吸收率。與其他測(cè)量方法比較，本發(fā)明不僅可以獲得不同溫度下粉末對(duì)入射激光的吸收率，同時(shí)避免了測(cè)量中粉末氧化對(duì)吸收率產(chǎn)生影響，搭建簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光增材制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種粉末對(duì)激光吸收率的測(cè)量裝置和測(cè)量方法。

背景技術(shù)

在激光與材料的相互作用過程中，照射到材料上的激光一部分被材料吸收，另一部分則被反射。材料吸收激光能量后將發(fā)生升溫、熔融、氣化甚至產(chǎn)生等離子體現(xiàn)象，基于這些現(xiàn)象可以對(duì)材料實(shí)現(xiàn)一定加工目的，可見材料對(duì)激光的吸收率是影響激光加工的重要因素。

選區(qū)激光熔化是激光增材制造的一種方法，利用高能量激光束逐層選擇性地熔化粉末，通過逐層鋪粉、逐層熔化凝固堆積的方式，制造三維實(shí)體零件。在這個(gè)過程中，與平面結(jié)構(gòu)不同，粉末材料類型、混合比例、粒徑分布等均會(huì)對(duì)激光吸收率產(chǎn)生影響，從而影響激光加工效率和加工質(zhì)量。此外，粉末的溫度隨激光輻照而發(fā)生變化，粉末對(duì)激光的吸收率也將發(fā)生變化。因此，獲得不同溫度下粉末激光吸收率對(duì)于激光增材制造中的過程分析有著重要意義。

目前，吸收率的測(cè)量方法主要有兩種：第一種是首先測(cè)量反射率，再由1減去反射率，求出吸收率。測(cè)量反射率有兩種方式，即量熱計(jì)測(cè)量和利用積分球法。第二種是從量熱的角度出發(fā)，通過測(cè)量材料的溫度變化，從而計(jì)算得到吸收率。這些測(cè)量方法主要是針對(duì)具有平面結(jié)構(gòu)材料在常溫下的激光吸收率，關(guān)于粉末在不同溫度下的激光吸收率研究較為有限，因而迫切需要搭建粉末激光吸收率測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)不同溫度下粉末吸收率的測(cè)量。

專利一種材料激光吸收率的測(cè)量裝置和測(cè)試方法.CN 105758820 B)公開了一種材料激光吸收率的測(cè)試裝置和方法，根據(jù)熱平衡原理搭建了材料激光吸收率測(cè)試裝置，測(cè)量涂料和金屬材料對(duì)激光吸收率。

文獻(xiàn)(Rubenchik A,Wu S,Mitchell S,et al.Direct measurements oftemperature-dependent laser absorptivity of metal powders[J].Applied optics,2015,54(24):7230-7233.)Rubenchik等人采用量熱法搭建測(cè)量吸收率裝置，測(cè)量316不銹鋼、Ti-6Al-4V合金和Al粉在高溫下的吸收率，結(jié)果與光線追跡法計(jì)算基本一致。但Al粉的吸收率與計(jì)算值差距較大，作者認(rèn)為這與激光輻照中粉末發(fā)生氧化有關(guān)。實(shí)際上，與鋁比較，氧化鋁的吸收率能提高數(shù)倍。

上述測(cè)量裝置和測(cè)量方法存在以下缺陷：

(1)未解決測(cè)量中的材料氧化問題；

(2)僅針對(duì)表面為平面的塊體結(jié)構(gòu)吸收率的測(cè)量，未考慮粉末堆積中存在的空隙及局部粉末吸收光強(qiáng)集中導(dǎo)致粉末溫度分布不均的問題；

(3)無法測(cè)量具有不同溫度的粉末對(duì)激光的吸收率。

上述缺陷至今為止，現(xiàn)有測(cè)量裝置和方法未能實(shí)現(xiàn)具有不同溫度的粉末對(duì)激光吸收率的精確測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種粉末對(duì)激光吸收率的測(cè)量裝置和測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)具有不同溫度的粉末對(duì)激光吸收率的精確測(cè)量，進(jìn)而可為激光增材制造中材料成形機(jī)制分析提供理論基礎(chǔ)，為工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案如下：