[发明专利]一种提高激光熔化沉积成形质量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其是一种金属激光熔化沉积成形工艺过程提高工艺稳定性和成形质量的方法，具体地说是一种提高激光熔化沉积成形质量的方法。

技术背景

激光金属增材制造技术主要有激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）和激光熔化沉积（Laser Melting Deposition，LMD）两种工艺。其中激光熔化沉积技术具有较高的成形效率和较大的成形幅，被广泛应用于航空航天领域的大型复杂件的加工。该技术兴起于20世纪90年代，是在激光熔覆基础上发展形成的一种金属增材制造工艺。随着该技术的发展，保证成形精度以及提高力学性能逐渐成为人们的研究热点课题。成形精度、力学性能与沉积层的形貌、组织、内应力密切相关。激光熔化沉积能量密度是影响成形质量的关键性因素。作为能量密度初始决定性因素，众多学者针对激光功率、扫描速度、扫描光斑等基础工艺参数对沉积层形貌的影响规律展开了研究。然而激光熔化沉积是一个基体不断进行热累积的过程，随着沉积进程的推进，在工艺参数不变的条件下，不断升高的基体温度会大大提高沉积扫描的能量密度，造成沉积层形貌和组织的不稳定性。所以如何有效表征出激光熔化沉积过程中基体热累积程度，调整工艺参数保证最优能量密度稳定性，这对保证激光熔化沉积成形质量、合理优化工艺参数组合，具有重要的理论意义和工程价值。

经过检索，尚未发现对金属激光熔化沉积成形工艺过程中利用对基体热累积程度进行有效表征来实现提高工艺稳定性和成形质量的相关文献或专利。

发明内容

本发明的目的是针对现有的激光熔化沉积过程中因基体温度难以检测和控制而导致沉积质量和性能下降的问题，发明一种在金属激光熔化沉积成形工艺过程中提高工艺稳定性和成形质量的方法。

本发明的技术方案是：

一种提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：通过对基体热累积因子X_R的监控间接实现对成形质量参数变化的监控，并据此对成形工艺参数进行在线调整，使得基体热累积因子X_R的值稳定在标定范围内，从而提高其工艺稳定性和加工质量。

通过测温设备探测激光熔化沉积熔池扫描后沿距离为R处的温度T_R，令X_R=T_R/R，X_R即为基于采集半径R的热累积因子，在激光熔化沉积某种材料和工艺状态不变的条件下，热累积因子X_R反映了某采集时刻的成形过程中基体热量累积的程度。

针对采用同轴送粉方式的激光熔化沉积工艺，选取一定的激光功率、光斑直径、扫描速率、送粉速率工艺参数，在一块基板上连续沉积成形的过程中，采用红外测温仪等测温设备探测扫描后沿某一点的温度，测温设备与同轴送粉头保持随动，测温仪始终位于同轴送粉头扫描方向后沿。

针对金属粉末和基材，根据不同的工艺条件对基体热累积因子X_R进行样本采集，并通过几何及力学性能测试对X_R进行筛选，标定X_R范围。

采用的激光光束为高斯模式，波长λ为500nm~1500nm，聚焦后扫描光斑直径Φ为0.5~10mm。

X_R采集半径R为聚焦扫描光斑直径Φ的2~5倍。

所采用的测温设备为非接触式测温设备。

成形质量参数包括接触角、稀释率。

本发明的有益效果是：

本发明利用激光熔化沉积连续单道实验对热累积因子X_R优秀值域进行标定，通过检测出与不同热累积因子X_R相对应的沉积层几何参数（接触角、稀释率等），并根据优秀的沉积层的几何参来标定出热累积因子X_R的优秀值域。当在线监测的热累积因子X_R的值超出标定的优秀值域时，可以通过调整激光功率、扫描速度等参数使其回归优秀值域内，从而实现对沉积层几何参数的在线调控，提高工艺稳定性和成形质量。

本发明具有原理简单、经济易行，操作简便，通过有效的衡量出沉积过程中基体的热量累积程度，标定基体热累积因子X_R的优秀值域，并据此对于激光熔化沉积的工艺参数进行在线调控。