[發(fā)明專利]一種基于脈沖激光控制熔池流動(dòng)的激光復(fù)合增材制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011478672.5
• 申請(qǐng)日: 2020-12-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112692304B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-01-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡耀武;趙樹(shù)森;林學(xué)春;劉勝;張臣;劉健;張嘯寒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): B22F10/28
• 分類號(hào): B22F10/28;B22F10/50;B22F10/31;B22F10/85;C21D10/00;C23C24/10;B22F12/41;B22F12/44;B22F12/90;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y50/02
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 常海濤

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于脈沖激光控制熔池流動(dòng)的激光復(fù)合增材制造方法，屬于激光先進(jìn)增材制造領(lǐng)域。本發(fā)明的激光復(fù)合增材制造方法為：利用連續(xù)激光束使基材表面和合金粉末融化、形成熔池的同時(shí)，引入脈沖激光束對(duì)熔池進(jìn)行同步?jīng)_擊處理，執(zhí)行采用脈沖激光控制熔池的激光復(fù)合增材制造過(guò)程；制造過(guò)程中，利用脈沖激光束控制熔池形貌和熔池流動(dòng)，提高熔覆面的平整度、調(diào)節(jié)熔覆層中殘余應(yīng)力、降低熔覆層性能的各向異性。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)熔覆層成型質(zhì)量和殘余應(yīng)力改善的同時(shí)，提高了熔覆層的平整度和力學(xué)性能，有利于提高生產(chǎn)效率，適用于連續(xù)的多道搭接或者多層堆積的激光增材制造工作中，適用于表面再制造修復(fù)或者3D打印直接成形的激光增材制造領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光先進(jìn)增材制造領(lǐng)域，具體涉及一種基于脈沖激光控制熔池流動(dòng)的激光復(fù)合增材制造方法。

背景技術(shù)

激光增材制造技術(shù)是材料科學(xué)、機(jī)械工程和激光技術(shù)的綜合集成，其通過(guò)高能激光束在基體上聚焦形成熔池，金屬粉末通過(guò)預(yù)制或者同軸送粉的方式送入熔池中，金屬粉末在熔池中與基體溶液融合，并隨著激光束的移動(dòng)，在液體表面張力的作用下熔池向激光束移動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)，從而逐漸形成沉積層。該技術(shù)對(duì)于零件的再制造與復(fù)雜零件的直接成型具有重大意義，是先進(jìn)制造技術(shù)的主要研究方向。

激光增材制造技術(shù)基于離散-堆積的成型原理，該技術(shù)在能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件直接成型的同時(shí)，還具有以下三個(gè)方面的局限性：(1)連續(xù)多道搭接激光增材制造過(guò)程導(dǎo)致沉積表面存在較大的波紋起伏，增大了后續(xù)加工的工作量；(2)連續(xù)多道搭接的激光增材制造過(guò)程導(dǎo)致已沉積部分產(chǎn)生不均勻的循環(huán)加熱和冷卻過(guò)程，沉積層內(nèi)存在復(fù)雜熱應(yīng)力，熔覆層易于產(chǎn)生裂紋和氣孔等缺陷；(3)熔池內(nèi)的熱流擴(kuò)散方向性特征促進(jìn)樹(shù)枝晶的定向生長(zhǎng)，導(dǎo)致沉積層性能存在各向異性。針對(duì)上述問(wèn)題，蘇州大學(xué)公開(kāi)了一種內(nèi)應(yīng)力可控的激光熱力復(fù)合增材制造方法(CN107225244A)，該方法的特征在于：熔覆層加工完成之后，將熔覆層加熱至再結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)之間，隨后采用激光沖擊工藝對(duì)熔覆層進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，以消除熱熔過(guò)程中形成的拉應(yīng)力。該方法能夠有效改善熔覆層內(nèi)的應(yīng)力分布，提高熔覆層的力學(xué)性能。但該方法包含的熔覆-加熱-沖擊三道工藝實(shí)質(zhì)上是分開(kāi)獨(dú)立進(jìn)行的，不利于生產(chǎn)效率的提高。廣東工業(yè)大學(xué)(CN107475709A)公開(kāi)了一種雙激光束熔覆成型沖擊鍛打復(fù)合增材制造方法，該方法的特征在于：在使用連續(xù)激光進(jìn)行熔覆工作的同時(shí)，同步使用短脈沖激光鍛打處在鍛造溫度范圍內(nèi)的熔覆面。該方法能夠有效消除熔覆層內(nèi)的氣孔等缺陷，改善熱應(yīng)力。但激光增材制造過(guò)程中冷卻速度較快，難以精準(zhǔn)把控熔覆層的鍛造溫度，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)熔覆層在鍛造溫度區(qū)間內(nèi)鍛打的難度較高，熔覆層內(nèi)容易產(chǎn)生晶粒尺寸不均勻和冷硬現(xiàn)象。此外，上述方法均采用激光沖擊工藝對(duì)熔覆完成后的熔覆層進(jìn)行沖擊或者鍛打，熔覆層表面所產(chǎn)生的變形量較小，對(duì)熔覆層表面的平整度的影響較弱，不能有效的減輕熔覆層表面后續(xù)加工工作量及提高生產(chǎn)效率。因此，如何在保證熔覆層成型質(zhì)量和性能的同時(shí)，提高熔覆層表面的平整度仍然是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于脈沖激光控制熔池流動(dòng)的激光復(fù)合增材制造方法，該方法能夠在實(shí)現(xiàn)熔覆層熱應(yīng)力改善，晶粒細(xì)化，保證熔覆層成型質(zhì)量及性能的同時(shí)，顯著提高熔覆層表面的平整度，有利于提高熔覆層質(zhì)量及生產(chǎn)效率，更適合應(yīng)用于連續(xù)多道搭接以及多層堆積的激光增材制造工作中，適用于表面再制造修復(fù)或者3D打印直接成形的激光增材制造領(lǐng)域。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于脈沖激光控制熔池流動(dòng)的激光復(fù)合增材制造方法：包含以下步驟：連續(xù)激光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直和聚焦光路變換后作用在基材表面，使基材表面和預(yù)置合金粉末/同步輸送合金粉末同時(shí)快速融化，形成熔池。同時(shí)，利用脈沖激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波作用于熔池區(qū)域，執(zhí)行采用脈沖激光控制熔池的激光復(fù)合增材制造過(guò)程，連續(xù)逐道或逐層堆積形成沉積面或直接成型零件。制造過(guò)程中利用脈沖激光束控制熔池形貌和熔池流動(dòng)。