[發明專利]金屬增材制造熔池底部外延生長控制方法

在審

• 申請號: 202211078744.6
• 申請日: 2022-09-05
• 公開（公告）號: CN115505922A
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 何蓓;冉先喆;程序;李卓;高旭;聶翔宇;邵文鵬;李正超
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 北京辰權知識產權代理有限公司 11619
• 代理人: 佟林松;董李欣

本申請涉及激光先進增材制造領域的一種金屬增材制造熔池底部外延生長控制方法，包括以下步驟：利用增材制造激光束使基板的表面和輸送的合金粉末融化、形成熔池；利用脈沖激光束調控熔池的凝固條件以控制熔池內的凝固組織形貌而實現連續外延生長或抑制外延生長。本申請增強了對增材制造金屬材料凝固組織形貌的控制，提高了增材制造構件的性能。

技術領域

本申請涉及激光先進增材制造領域，尤其是涉及一種金屬增材制造熔池底部外延生長控制方法。

背景技術

激光增材制造技術即快速成型技術，利用“離散+堆積+疊層”的原理，在零件CAD三維實體模型切片數據的基礎上，通過計算機編程控制高功率激光熔化同步輸送的金屬粉末，并且在基材表面熔化部分材料，兩者混合形成熔池，激光束掃過后熔池發生快速凝固，從而沉積在已凝固基材上，逐層堆積，最終得到三維零件。該技術能實現大型復雜結構致密金屬零件的快速、無模具近凈成形。

目前在激光增材制造合金的過程中，受到增材制造工藝參數及晶粒外延生長的影響，熔池在經過多層沉積之后，在相鄰兩道沉積層搭接區的中間區域形成貫穿多層外延生長的柱狀晶，且柱狀晶較為粗大，而熔池四周更是較難形成晶粒定向性較好的組織，熔池頂部由于發生柱狀晶/等軸晶轉變(CET)，往往形成較高厚度的等軸晶區，最終極易出現柱等交替的組織，導致雜晶產生概率高，影響增材制造構件的性能。

發明內容

為了增強對增材制造金屬材料凝固組織形貌的控制，提高增材制造構件的性能，本申請提供一種金屬增材制造熔池底部外延生長控制方法。

根據本發明的一個方面，提供一種金屬增材制造熔池底部外延生長控制方法，包括以下步驟：利用增材制造激光束使基板的表面和輸送的合金粉末融化、形成熔池；利用脈沖激光束調控熔池的凝固條件以控制熔池內的凝固組織形貌而實現連續外延生長或抑制外延生長。

通過使用本技術方案中的金屬增材制造熔池底部外延生長控制方法，由增材制造激光束使基板的表面和輸送的合金粉末融化、形成熔池，再使用脈沖激光束調控熔池的凝固條件，從而達到控制熔池內的凝固組織形貌的目的，進而實現連續外延生長或抑制外延生長；即熔池內只有柱狀晶、近似全部等軸晶或者柱狀晶與等軸晶的高度按一定比例生長，且表面平整度較高，無雜晶，從而提高了增材制造構件的性能。

另外，根據本申請的金屬增材制造熔池底部外延生長控制方法，還可具有如下附加的技術特征：

在本發明的一些實施方式中，所述的連續外延生長過程中或抑制外延生長過程中，所述增材制造激光束和所述脈沖激光束按預定的軌跡先后對基材表面進行掃描。

在本發明的一些實施方式中，所述的連續外延生長過程中，所述脈沖激光束的光斑大小不小于所述增材制造激光束的光斑大小，所述脈沖激光束的掃描速度與所述增材制造激光束的掃描速度保持一致。

在本發明的一些實施方式中，所述脈沖激光束的功率在一個周期內會逐漸降低，降低冷卻速率，抑制表面凝固，促進柱狀晶由熔池底部生長到頂部。

在本發明的一些實施方式中，所述的抑制外延生長過程中，所述脈沖激光束的掃描速度與所述增材制造激光束的掃描速度保持一致，所述脈沖激光束的光斑大小大于所述增材制造激光束的光斑大小，所述脈沖激光束的峰值功率小于所述的連續外延生長過程中的脈沖激光束的峰值功率。

在本發明的一些實施方式中，所述脈沖激光束的功率在一個周期內保持不變。

在本發明的一些實施方式中，至少使用超聲波、高頻機械振動和電磁場中的一種由外加能量場的方式作用于未完全凝固的熔池。

在本發明的一些實施方式中，所述增材制造激光束和所述脈沖激光束的先后掃描的時間間隔，在連續外延生長過程中長于在抑制外延生長過程中。