[發(fā)明專利]一種用于X射線原位實(shí)時(shí)探測(cè)增材制造機(jī)理研究的探測(cè)系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010143099.6
• 申請(qǐng)日: 2020-03-04
• 公開（公告）號(hào): CN111257356A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫大睿;張兵兵;余燦;陶冶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院高能物理研究所
• 主分類號(hào): G01N23/04
• 分類號(hào): G01N23/04;G01N23/20008;G01N23/20025;G01N23/207
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200
• 代理人: 司立彬

本發(fā)明公開了一種用于X射線原位實(shí)時(shí)探測(cè)增材制造機(jī)理研究的探測(cè)系統(tǒng)及方法。本系統(tǒng)包括一增材制造腔體和X射線探測(cè)器裝置；該增材制造腔體安裝在一第一運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置上；該增材制造腔體內(nèi)設(shè)有一第二運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、樣品床；該第二運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置位于該增材制造腔體的底部，該第二運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置上設(shè)有一安裝座，該樣品床安裝在該安裝座上；該增材制造腔體上開設(shè)一入射窗口，用于將能量源產(chǎn)生的激光或電子束通過該入射窗口入射到該樣品床上的增材制造材料上，進(jìn)行增材制造；該增材制造腔體上開設(shè)一X射線入射窗口和一X射線出射窗口，X射線源產(chǎn)生的X射線依次通過該X射線入射窗口、該樣品床、該X射線出射窗口入射到該X射線探測(cè)裝置，進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于X射線探測(cè)領(lǐng)域和先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于同步輻射X射線原位實(shí)時(shí)探測(cè)增材制造機(jī)理研究的探測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

以增材制造(3D打印)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以達(dá)到或者無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。工業(yè)級(jí)3D打印(如金屬增材制造技術(shù))更是重中之重，已被廣泛應(yīng)用到汽車、生物醫(yī)藥及航空航天等研究領(lǐng)域。

3D打印是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合、多時(shí)空尺度的復(fù)雜物理過程，涉及金屬粉末的熔化和汽化、熔融金屬液體的流動(dòng)、金屬粉末的濺射和再分布、快速凝固和非平衡態(tài)相變等等。如果得不到合理控制，會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度、內(nèi)部氣孔和腔洞、殘余應(yīng)力和紋理結(jié)構(gòu)等各種微結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生，而材料的裂紋萌生往往都始于這些打印缺陷。然而，由于上述物理過程持續(xù)時(shí)間很短，時(shí)間尺度僅為幾個(gè)毫秒，很難實(shí)時(shí)觀測(cè)，因此涉及材料微結(jié)構(gòu)缺陷相關(guān)的各種基礎(chǔ)物理過程的研究卻進(jìn)展有限，多基于對(duì)打印成品的試錯(cuò)經(jīng)驗(yàn)及理論模擬。

利用高速可見光相機(jī)雖然可以實(shí)時(shí)拍攝并研究增材制造的打印過程，但僅限于諸如粉末濺射、金屬凝固形態(tài)等打印過程表面的情況，然而3D打印技術(shù)關(guān)鍵之處材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)缺陷的形成卻得不到很好的觀測(cè)和研究。

X射線具有穿透能力，利用高通量、高能量的同步輻射X射線光源，通過超快成像和衍射技術(shù)可實(shí)時(shí)地觀測(cè)激光熔融金屬粉末的動(dòng)態(tài)過程，同時(shí)獲取表面的粉末濺射以及粉床內(nèi)部的熔融池、腔洞和氣孔形成等過程，并監(jiān)測(cè)材料的相變，探測(cè)研究增材制造機(jī)理，是一種有力的研究工具，可以為增材制造業(yè)提供有益的指導(dǎo)，優(yōu)化加工制造中各種條件參數(shù)的設(shè)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

現(xiàn)有增材制造設(shè)備直接用于X射線探測(cè)研究存在諸多問題，被測(cè)物品厚度需要滿足X射線透射，設(shè)備腔體尺寸和設(shè)計(jì)都要滿足X射線探測(cè)需求。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于X射線原位實(shí)時(shí)探測(cè)增材制造過程開展機(jī)理研究的探測(cè)系統(tǒng)及方法。本系統(tǒng)包括待測(cè)樣品床及安裝座、真空腔體、兩套運(yùn)動(dòng)位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、裝料裝置、X射線探測(cè)器裝置、激光或電子束源、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置和真空設(shè)備及保護(hù)氣體裝置。

針對(duì)現(xiàn)有增材制造設(shè)備與X射線探測(cè)不相匹配的問題，本發(fā)明根據(jù)X射線探測(cè)裝置的需要設(shè)計(jì)了特制的小型增材制造裝置，將X射線探測(cè)與增材制造裝置相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了利用X射線實(shí)時(shí)觀測(cè)增材制造過程，涉及粉床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)合X射線探測(cè)的真空腔體設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種用于X射線探測(cè)增材制造機(jī)理研究的探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括一增材制造腔體和X射線探測(cè)器裝置；該增材制造腔體安裝在一第一運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置上；該增材制造腔體內(nèi)設(shè)有一第二運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、樣品床；該第二運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置位于該增材制造腔體的底部，該第二運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置上設(shè)有一安裝座，該樣品床安裝在該安裝座上；

該第一運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)該增材制造腔體的水平位置和高度；

該第二運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)該樣品床在水平二維平面位置和旋轉(zhuǎn)角度；

該增材制造腔體上開設(shè)一入射窗口，用于將能量源產(chǎn)生的激光或電子束通過該入射窗口入射到該樣品床上的增材制造材料上，進(jìn)行增材制造；