[发明专利]采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置及方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置及方法。

【背景技术】

3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。3D打印技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，主要涉及数字模型的建立、分层、生成加工代码、层片联接等过程。对于一些传统加工难以加工的零部件的加工有重要意义，因此在武器装备、航空部件等领域有着重要的应用意义。

随着航空航天技术的发展，一些关键部位的零件也设计的更加复杂。以涡轮发动机为例，其热端部件主要包括涡轮叶片和涡轮盘。涡轮叶片是航空发动机的核心部件之一，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”，其设计与制造水平将对航空发动机的综合性能产生直接影响。目前的涡轮发动机叶片主要采用传统高温合金通过熔模铸造的方法加工成形，但是这种方法工艺周期长、难度大、成本高，不利于新产品的开发，并且型芯型壳通过装配结合在一起，会引入装配误差导致叶片的偏芯、穿孔等缺陷。所以传统的铸造方式已经不能达到设计要求，同时传统铸造的方式还存在着很多的的缺陷，如气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂、冷隔、浇不足、缩松、缩孔、缺肉，肉瘤等。

逐渐成熟的3D打印技术为这些关键的零部件的制造提供了一种新的技术方案，在制造工艺和制造精度上都有了极大的改善和进步。但是，这种技术也存在着一些缺陷，例如在金属打印时，由于存在较大的温度梯度，金属难以持续稳定地生长，难以获得品相良好的柱晶或单晶组织，因而得到的零部件的性能和特性受到极大的影响。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置及方法，通过增加辅助控温光源，利于零件的金属晶体定向生长，能够得到连续的柱晶或单晶组织。

为了达到上述目的，本发明装置采用如下技术方案：

包括依次光路连接的激光器、扩束镜、扫描器和f-θ镜，激光器发射的激光经过扩束镜和扫描器，形成主激光光束以及分布在主激光光束四周的若干束辅助激光光束；f-θ镜设置于成形室的顶部，成形室内填充有保护气体，成形室连接送粉系统且成形室的底部连通成形缸，成形缸的底部设置进给装置。

进一步地，送粉系统包括在成形室的底部设置的铺粉刮板，以及与成形室底部连通且装有预成型的金属粉末的料缸，料缸的底部也设置进给装置。

进一步地，激光器包括一个主激光器和若干个辅助激光器，辅助激光器的功率均小于主激光器的功率；扩束镜包括位于主激光器和扫描器之间的第一扩束镜，以及位于辅助激光器和扫描器之间的第二扩束镜。

进一步地，辅助激光光束为三束，且位于等腰三角形的三个角上，主激光光束位于该等腰三角形的底边中点处。

本发明方法的技术方案是，包括以下步骤：

a)通过送粉系统向成形缸送入原料粉末；

b)对待制造的零件建立三维实体模型，并对三维模型进行切片分层，得到各个截面的轮廓数据；

c)根据待制造零件的三维实体模型，对主激光光束和辅助激光光束的控温熔覆过程进行模拟，确定主激光光束和辅助激光光束的功率、光斑直径和布置位置；

d)根据确定的功率、光斑直径和布置位置，采用选区激光熔化法，成形出待制造的零件胚体；

e)将零部件胚体进行后处理，得到定向晶零件。

进一步地，步骤a)中原料粉末是从金属粉末钨、钛、锆、铪、钒、铌、钽以及钼中任意选取五种或五种以上，以等摩尔混合均匀得到的。

进一步地，步骤c)中对主激光光束和辅助激光光束的控温熔覆过程进行模拟的具体过程包括：

301、首先对待制造零件的三维实体模型进行网格的划分，并对网格进行修正；

302、设定主激光光束和辅助激光光束的初始功率、初始光斑直径和初始布置位置，进行温度场的模拟；

303、对得到的温度场进行分析，测量温度场中的熔池等温面曲率半径偏转方向与组织生长方向的夹角α；

304、将α与设定值A进行比较，在α＞A时，调节辅助激光光束的功率，重新进行温度场的模拟，直至α≤A。

进一步地，设定值A为15°。

进一步地，步骤e)中后处理包括退火处理和精加工处理。