[发明专利]一种无基体无支撑去应力金属零件激光熔覆冲击锻打约束成形方法

说明书

本发明涉及一种无基体无支撑去应力金属零件激光熔覆冲击锻打约束成形方法，方法基于待加工零件尺寸较大处，连续激光熔覆一个分支结构，分支结构作为基层熔覆成形待成形零件的中间面熔覆成形基底，以基底为支撑，连续激光束对金属粉末进行双向熔覆成形，此时在线检测系统和实时跟踪反馈，控制系统作用，调节短脉冲激光器相关参数，同时对熔覆区材料进行同步激光冲击锻打，去除熔覆层内部较大应力，并根据金属零件三维实体模型，进行激光熔覆和冲击锻打同步复合的约束成形，改善待成形金属零件内部质量、力学性能及机械性能。

技术领域

本发明涉及增材制造的技术领域，尤其涉及到一种无基体无支撑去应力金属零件激光熔覆冲击锻打约束成形方法。

背景技术

激光熔覆成形是基于激光熔覆技术发展起来的快速成形技术，其采用分层制造的思想，将待成形零件分层切片逐层熔覆沉积成形，成形过程中采用激光连续加载，并辅以一定的扫描速度，通过多道搭接，多层堆积方式熔覆成形零件。

现有的激光熔覆成形技术存在以下问题：成形零件一般在工作台上放置一底板作为支撑，待成形完毕后再将该底板切除下来，切割面一般较大，加工工作量较大，且影响成形零件的底面质量。

激光熔覆过程的实质是高能激光束辐照使金属粉末与基材相互作用，粉末和基材快速熔化，快速冷却的过程，作用时间很短，远离平衡态，过热度和过冷度远大于常规热处理，可以使材料在激光辐照区形成晶粒高度细化的组织结构和较小的变形。

激光熔覆过程中存在以下问题：以基体熔覆成形的金属零件，受熔覆材料与基体材料的热物性差异以及成形工艺等因素的影响，容易在成形件中形成裂纹，气孔，夹杂和层间结合不良等缺陷。

目前，现有激光熔覆成形工艺实质是“自由成形”工艺，存在以下问题：(1)工艺参数、外部环境、熔池熔体状态的波动及变化、扫描填充轨迹的变换等，都可能在零件内部局部区域产生各种特殊的内部冶金缺陷，并影响最终成形零件的内部质量、力学性能及构件的服役使用安全。(2)熔覆成形金属材料所呈现出的组织特征与常见的铸态、锻态、焊态金属存在着一定的差异。这种组织特征在很多情况下对金属材料而言是不利的。

中国专利CN105108144A一种无基体无支撑金属零件激光熔覆自由成形方法，该发明的特殊之处在于，间歇式光熔覆成形纤细状的分支结构，并以此为基体熔覆成形待成形零件的最底层，然后再将此作为新的基体，自由成形获得所需零件，成形完毕后沿分支结构与成形零件结合的位置处切割，分离成形零件。其存在如下问题：(1)该方法是通过两次激光熔覆成形形成基体，然后以基体为支撑进行金属零件的激光熔覆成形，加工效率低。(2)该方法采用自由成形方法激光熔覆金属零件，会造成零件内部存在较大应力等缺陷，从而降低成形零件的内部质量，力学性能等。(3)待金属零件成形完毕后再其将切除下来，切割面一般较大，加工工作量较大，且影响成形零件的底面质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能解决因自由成形等因素造成的金属零件内部出现裂纹、气孔、夹杂和层间结合不良等缺陷、提高成形零件的内部质量、力学性能及机械性能的无基体无支撑去应力金属零件激光熔覆冲击锻打约束成形方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于待加工零件尺寸较大处，连续激光束熔覆成形纤细状的分支结构，成形后纤细状的分支结构作为基层熔覆成形待成形零件的中间面，根据成形零件的三维实体轮廓模型，朝中间层的两个方向进行熔覆成形，同时，短脉冲激光束进行同步冲击锻打。熔覆锻打过程无需模具，毛坯等基体，也无需夹具等支撑件。

进一步地，连续激光束和短脉冲激光束互相耦合；短脉冲激光束锻打参数分别由在线监测系统和实时跟踪反馈系统进行监测与控制，根据熔覆区材料厚度和面积来确定脉冲激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑大小；反过来，短脉冲激光束冲击锻打参数的选择又约束着连续激光束熔覆速度与送粉速率的选择，形成闭环耦合控制，以确保整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻。