[發明專利]利用同步輻射X射線成像監測增材制造過程的設備

在審

• 申請號: 202210994593.2
• 申請日: 2022-08-18
• 公開（公告）號: CN115338434A
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 李贊;劉陽;賀宏武;王戈;鄒炳坤;張國棟
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;西安鉑力特增材技術股份有限公司
• 主分類號: B22F12/90
• 分類號: B22F12/90;B22F10/28;B22F12/30;B22F12/67;G01N23/04;B33Y50/02;B33Y30/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種利用同步輻射X射線成像監測增材制造過程的設備，包括：成型室、激光系統、工作平臺、刮粉器以及配件。成型室允許X射線穿過；激光系統用于發射激光；工作平臺安裝在成型室內的底部，與激光系統配合用于增材制造；刮粉器安裝在工作平臺的上方，用于鋪粉；配件包括安裝在工作平臺上的玻璃碳板和基板，兩片玻璃碳板夾持基板形成粉末床，X射線能夠穿過玻璃碳板和基板。本發明通過同步輻射X射線對增材制造過程進行超高時間、空間分辨率成像，提供設計集成化的激光增材制造系統，有助于縮小設備的尺寸，有助于手動調節粉末床的厚度和寬度，實現多道、多層的樣品制備，有助于實現同步輻射X射線對激光作用區域的動態成像。

技術領域

本發明涉及增材制造技術領域，具體地，涉及一種利用同步輻射X射線成像監測增材制造過程的設備。

背景技術

選區激光熔化(SelectiveLaserMelting)是金屬增材制造技術中最常用的技術之一。該技術利用激光作為能量輸入，按照計算機軟件剖分好的切片形狀，選擇性熔化鋪好的粉末床，逐層、累積打印剖分切片，最終實現特定形狀金屬構件的高效、一體化制備。隨著近年來激光技術的進步(如更高的激光功率、更小的光斑尺寸)，選區激光熔化技術制備的零件顯微組織和力學性能得到了顯著改善，能夠直接生產近乎完全致密的構件。選區激光熔化技術幾乎不受零件外形的限制，可以生產各種具有復雜不規則形狀的金屬零件，且無需后續切削加工處理，是一種革命化的金屬材料制備方法。

因為極高的加熱和冷卻速率，激光與粉末的相互作用時間十分短暫(在毫秒級以下)。激光與粉末的作用過程十分復雜，包含粉末的熔化氣化、飛濺、匙孔和孔洞的形成、熔池熱對流等多重物理現象。深入揭示上述復雜熱動力學過程的作用規律與基本原理，能夠加速金屬激光選區熔化技術的發展與應用。激光與粉末的相互規律的表征難，具體體現在作用區域的瞬時性(毫秒級以下)與局域性(百微米尺度)，對表征技術的時間與空間分辨率都提出了很高要求。目前常規的表征方法如電鏡、中子散射等難以同時實現高時空分辨，可見光成像結合高速相機又無法觀察到熔化熔體內部的熱動力學過程。因此迫切需要一種新技術實現激光熔化過程中的動態監測。

同步輻射是帶電粒子在磁場中沿著弧形軌道運動時放出的電磁輻射，由于最初是在同步加速器上觀察到的，所以被稱為“同步輻射”。同步輻射X射線的亮度高、波段寬、脈沖窄、準直性高，可以在微米尺度范圍內捕捉瞬態物理過程。利用同步輻射X射線成像技術，就能夠實現激光作用下熔池中熱動力學過程的實時觀測與研究。

現有公開號為CN113618085A的中國專利，其公開了一種適用于同步輻射光源的小型選區激光熔化增材裝置，包括框架、激光器和轉動組件；框架設置設置有工作平臺，工作平臺上設置有鋪粉件、粉末儲存倉、粉末回收倉、打印平臺和用于驅動打印平臺移動的傳動件，激光器設置在框架的頂部，且激光器與打印平臺對應；粉末儲存倉和粉末回收倉分別設置在打印平臺的兩側，且鋪粉件設置在粉末儲存倉的一側，以使鋪粉件能夠將粉末儲存倉排出的粉末推至打印平臺上；轉動組件與框架連接，以使轉動組件帶動框架轉動。

現有公開號為CN111257356A的中國專利，其公開了一種用于X射線原位實時探測增材制造機理研究的探測系統及方法，該系統包括一增材制造腔體和X射線探測器裝置；該增材制造腔體安裝在一第一運動調節裝置上；該增材制造腔體內設有一第二運動調節裝置、樣品床；該第二運動調節裝置位于該增材制造腔體的底部，該第二運動調節裝置上設有一安裝座，該樣品床安裝在該安裝座上；該增材制造腔體上開設一入射窗口，用于將能量源產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，進行增材制造；該增材制造腔體上開設一X射線入射窗口和一X射線出射窗口，X射線源產生的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射線探測裝置，進行信號探測。

發明人認為現有技術中的自動鋪粉的機構，例如：粉末儲存艙、粉末回收倉，以及驅動它們的傳動機構，導致無法大幅度削減設備的尺寸和重量，可能無法滿足同步輻射光源場地的要求；或者粉末床的寬度固定，無法靈活的調整，不能進行多道次的打印。因此，需要提供一種能夠靈活調節粉末床、實現多道次的打印、小尺寸的設備。