[發明專利]一種3D打印制備梯度功能材料的方法及裝置

在審

• 申請號: 202210844901.3
• 申請日: 2022-07-18
• 公開（公告）號: CN115502410A
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 呂忠利;孫亞威
• 申請（專利權）人: 山東創瑞激光科技有限公司
• 主分類號: B22F10/28
• 分類號: B22F10/28;B22F10/85;B22F10/50;B22F10/38;B22F12/00;B22F12/90;B22F12/41;B22F12/45;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/02;C21D10/00;C22F3/00
• 代理公司: 北京力量專利代理事務所(特殊普通合伙) 11504
• 代理人: 郭大為

本發明提供一種3D打印制備梯度功能材料的方法和裝置，本發明的方法根據3D打印的梯度功能材料制備順序確定成型區，根據各成型區的性能要求確定參與制備的材料種類；利用連續激光熔融基料后形成多個材料性能不同的成型區，在各成型區內的基料位于熔融態時，根據梯度功能材料的性能要求選擇是否向成型區發射超聲波以改變晶粒大小；實時探測各成型區的熔池形成和熔池凝固過程中聲波信號的變化，獲取各成型區內的聲學圖像并標記具有圖像缺陷的區域，向被標記的區域發射脈沖激光再次熔融。本發明用高能超聲增強的方式在不同區域打印具有不同微觀組織的結構，實時監測可能存在的微裂紋/孔隙缺陷，然后通過脈沖激光對不同區域選擇性的進行沖擊強化。

技術領域

本發明屬于金屬增材成型領域，具體涉及一種3D打印制備梯度功能材料的方法及裝置。

背景技術

通過一般方式制備的材料，其分散相是接近均勻分布的，整體材料的性能也基本一致，但是在某些工況下，希望同一零件的不同位置具有不同的性質或功能，同時希望不同性能的材料能夠完美的結合在一起，因此梯度功能材料由此誕生。

激光選區熔化(SLM)技術因其成形精度高、質量好，可以實現復雜結構零件的一體式成形制造，在各行各業應用越來越多。SLM成形過程中材料經歷了快速熔化-快速凝固的循環熱交替作用，獲得的組織晶粒細小，制件性能遠超鑄件水平。但是常規SLM技術難以準確控制晶粒生長尺寸，無法制備滿足不同性能要求的梯度功能材料。

因此，本發明提出了一種3D打印制備梯度功能材料的方法及裝置，利用高能超聲增強的方式在不同區域打印具有不同微觀組織的結構，同時借助聲波探測器實時監測可能存在的微裂紋/孔隙缺陷，然后通過脈沖激光對不同區域選擇性的進行沖擊強化。

發明內容

為此，本發明提供一種3D打印制備梯度功能材料的方法及裝置，利用高能超聲增強的方式在不同區域打印具有不同微觀組織的結構，同時借助聲波探測器實時監測可能存在的微裂紋/孔隙缺陷，然后通過脈沖激光對不同區域選擇性的進行沖擊強化。

本發明的3D打印制備梯度功能材料的方法，包括如下步驟：

根據3D打印的梯度功能材料制備順序確定成型區，根據各成型區的性能要求確定參與制備的材料種類；

利用連續激光熔融參與制備的材料后形成多個材料性能不同的成型區，在各成型區內的基料位于熔融態時，根據梯度功能材料的性能要求選擇是否向成型區發射高能超聲波以改變晶相結構；

實時探測各成型區的熔池形成和熔池凝固過程中聲波信號的變化，獲取各成型區內的聲學圖像并標記具有圖像缺陷的區域，向被標記的區域發射脈沖激光再次熔融。

進一步的，根據各成型區的性能要求確定參與制備的材料種類后，以預先制備或實時制備的方式混合參與制備的材料為基料。

進一步優選地，實時探測各成型區的熔池形成和熔池凝固過程中聲波信號的變化具體為，向各成型區內發射不改變梯度功能材料的晶相結構的探測聲波后接收反射聲波信息。

進一步優選地，所述高能超聲波的頻率為5-10MHZ。

進一步優選地，發射連續激光和脈沖激光時，由不同的激光發射設備單獨發射。

本發明還提供一種3D打印制備梯度功能材料的裝置，包括金屬增材3D 打印機，所述金屬增材打印機具有儲料室和成型室，由所述儲料室向所述成型室內送料后執行3D打印，在所述成型室內設有成型基板，還包括激光發射模塊、超聲波發射模塊和聲波探測模塊；

所述激光發射模塊位于所述成型室頂部，包括連續激光發射系統和脈沖激光發射系統；

所述連續激光發射系統用于熔融金屬粉末后執行3D打印，所述脈沖激光系統用于3D打印的沖擊強化，修復3D打印物體的裂紋缺陷；

所述超聲發射模塊和所述聲波探測模塊均設于所述成型基板底部；