[發(fā)明專利]一種激光增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋與優(yōu)化的裝置與方法

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• 申請日: 2022-07-22
• 公開（公告）號: CN115138867A
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 占小紅;師慧姿;蔡緒康;王磊磊
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B22F10/28
• 分類號: B22F10/28;B22F12/90;G01N29/04
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供一種激光增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋與優(yōu)化的裝置與方法，屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，主要針對激光增材制造梯度材料領(lǐng)域。該裝置包括激光熔覆平臺(tái)、超聲波監(jiān)測反饋裝置、計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)。超聲波監(jiān)測反饋裝置對激光熔覆平臺(tái)制造的沉積層質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋，同時(shí)超聲波可消除工件沉積過程中的部分殘余熱應(yīng)力，計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)接收所反饋的沉積層質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過平臺(tái)中的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對沉積層缺陷進(jìn)行有效地診斷，進(jìn)行工藝參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)控與優(yōu)化。該裝置與方法可有效解決因無法實(shí)時(shí)獲取增材過程中缺陷的產(chǎn)生情況并做出工藝參數(shù)調(diào)整而導(dǎo)致工件成型質(zhì)量差的問題，以及隨著不同成分梯度沉積層的不斷增加所產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，主要是針對激光增材制造梯度材料領(lǐng)域，具體涉及一種增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋與優(yōu)化的裝置及方法。

背景技術(shù)

功能梯度材料(FGM)是兩種或多種材料復(fù)合，成分和結(jié)構(gòu)呈梯度變化的一種新型復(fù)合材料，其內(nèi)部沒有明顯的界面，材料的成分、組織性能呈梯度變化。通常應(yīng)用于壓強(qiáng)、溫度和腐蝕性等服役環(huán)境隨位置變化的極端工況，諸如航空航天、核電和海洋工程等領(lǐng)域。激光熔化沉積(LMD)是一種典型的增材制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的成形工藝相比，具有加工周期短、設(shè)計(jì)靈活、成形件尺寸精度高、綠色環(huán)保等一系列特點(diǎn)。采用激光同軸送粉系統(tǒng)更適合制備成分比例連續(xù)變化的梯度材料，可以通過調(diào)整粉末的輸送量和輸送比例使兩種材料含量實(shí)現(xiàn)層與層之間連續(xù)變化，成分設(shè)計(jì)更加靈活，過渡更加均勻。

與制備一種合金材料相比，利用激光熔化沉積技術(shù)制備梯度材料的難度更高，隨著材料以及成分的梯度變化，經(jīng)常產(chǎn)生熔化不均勻現(xiàn)象或者氣孔和裂紋等缺陷，這是不同材料的物理性質(zhì)例如密度、熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)以及激光的吸收率等各不相同導(dǎo)致的，因此要求在實(shí)際操作中成分設(shè)計(jì)更加合理，工藝參數(shù)的選擇更加精確。實(shí)際的增材過程是在密閉腔體中進(jìn)行的，因而無法實(shí)時(shí)獲取增材過程中缺陷的產(chǎn)生情況及時(shí)對工藝參數(shù)作出調(diào)整。除此之外，不同成分梯度沉積層的不斷增加，使工件產(chǎn)生極大的殘余熱應(yīng)力。

因此，本發(fā)明搭建了一種增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋與優(yōu)化的裝置與方法，通過超聲波監(jiān)測反饋裝置對凝固成型的沉積層質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將沉積層質(zhì)量的數(shù)據(jù)(缺陷的類型、位置、大小和數(shù)量)反饋給計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)，控制激光熔覆平臺(tái)的工作過程，對工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)控和優(yōu)化，同時(shí)在超聲波的作用下，可以消除沉積過程中工件的部分殘余熱應(yīng)力，最終得到成型質(zhì)量較好的功能梯度材料工件。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供了一種增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋與優(yōu)化的裝置與方法，有效地解決因無法實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋激光增材制造梯度材料沉積層質(zhì)量，對缺陷進(jìn)行有效地診斷而導(dǎo)致最后工件成型質(zhì)量差的問題，同時(shí)超聲波可以消除沉積過程中工件的部分殘余熱應(yīng)力，進(jìn)一步提高工件質(zhì)量。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一方面，公開提供了一種增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋與優(yōu)化的裝置，主要包括激光熔覆平臺(tái)、超聲波監(jiān)測反饋裝置、計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)。

具體地，激光熔覆平臺(tái)由激光器、激光熔覆頭、激光水冷卻機(jī)、氣流式雙料斗送粉器及氬氣瓶構(gòu)成，用于增材制造梯度材料；

具體地，超聲波監(jiān)測反饋裝置包括超聲波探傷儀，超聲波探頭。在超聲波探傷儀的激勵(lì)下，超聲波探頭發(fā)射超聲波信號，實(shí)時(shí)檢測沉積層的質(zhì)量。若沉積層中出現(xiàn)缺陷，則超聲波信號會(huì)發(fā)生反射，并通過換能器將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，超聲波探傷儀對接收到的回波電信號進(jìn)行放大處理，不同性質(zhì)的回波電信號對應(yīng)沉積層不同的缺陷，將電信號反饋給計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)進(jìn)行顯示與分析。其中超聲波探頭通過螺栓連接固定在激光熔覆頭上并置于其后方，從而可以實(shí)現(xiàn)梯度材料激光熔化沉積過程中沉積層質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋。同時(shí)，超聲波還可以消除沉積過程中工件的部分殘余熱應(yīng)力。