[发明专利]一种多功能的激光选区熔化成形设备

说明书

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种多功能的激光选区熔化成形设备，所述成形设备包括控制系统、成型腔体及光路系统，所述光路系统设置在所述成型腔体上，其连接于所述控制系统；所述光路系统形成有成形光路和激光冲击强化光路，其包括光纤激光器、扫描振镜及短脉冲激光器，所述光纤激光器为所述成形光路的组成元件之一，所述扫描振镜为所述成形光路及所述激光冲击强化光路的共用元件，所述短脉冲激光器为所述激光冲击强化光路的组成元件之一；所述光纤激光器及所述短脉冲激光器分别连接于所述控制系统，所述控制系统用于控制所述光纤激光器及所述短脉冲激光器交替工作。本发明提高了成形质量和成形效率，适用性较强。

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种多功能的激光选区熔化成形设备。

背景技术

激光选区熔化成形(Selective Laser Melting，简称SLM)技术以数字模型为基础，将材料通过不断添加、逐层堆积而形成三维实体零件，具有数字化成形、材料利用率高、研发周期短、净成形等特点，在航空航天、医疗等领域的应用日益广泛，是最有前景的增材制造技术之一。然而，激光选区熔化成形过程中温度变化剧烈，熔池凝固速率较大，存在各种不稳定因素，易产生气孔、球化、未熔合和裂纹等缺陷，影响成形构件的强度、疲劳和抗腐蚀等性能，使构件的质量稳性和可靠性难以保障。同时极高的温度梯度与冷却速率也使得应力在成形过程中大量累积，引起构件的开裂与变形，这些问题已经成为限制激光选区熔化成形技术进一步推广应用的瓶颈。

激光冲击强化是一种改善金属及合金表面性能的高效技术，通过激光照射金属基体表面从而诱导出很强的冲击波，冲击波载荷使得金属基体在靠近表层区域产生很大程度的塑性变形，诱导产生高幅值的残余压应力，从而提高金属材料的强度、硬度以及耐应力腐蚀性能，改善材料的抗氧化性和疲劳寿命。传统的喷丸和超声波喷丸仅能实现零件表层的冲击强化，而若将激光冲击强化技术引入到激光选区熔化成形设备中，则可实现零件整体的立体式强化，能够有效解决激光选区熔化成形过程中的内部质量控制问题，提升了零件的疲劳、抗应力腐蚀和磨损等性能。

目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如专利CN106141439B公开了一种消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置，该装置包括SLM成形光路和激光冲击强化光路，每层SLM成形结束后，发射短脉冲激光束对成形截面进行冲击强化，从而减小每个成形截面的残余应力，但该方法以成形腔内的保护气作为激光冲击强化的约束层，冲击波峰值压力过小，强化效果有限。同时，每成形一层即进行冲击强化，成形效率较低。又如专利CN107186214B同样采用激光冲击强化模块和激光选区熔化成形模块两套光路，需要使用机械装置在成形或者强化阶段结束后对两种模块进行周期性的移动，以实现SLM成形和激光冲击强化两种功能的切换。但这一方面无法真正实现实时在线的激光冲击强化，影响成形效率，另一方面对移动机构的运动精度提出了很高的需求。同时，该方法每成形一层即进行冲击强化，成形效率较低，且该方法采用水流作为约束层，使得无法对腔体内水含量进行控制，易导致成形过程中冶金缺陷的产生，且可能对腔体内元器件造成损害。因此，如何在保证SLM成形质量和成形效率的前提下，实现实时在线的激光冲击强化，同时保证强化效果，这一问题亟待解决。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能的激光选区熔化成形设备，其基于现有激光选区熔化成形的特点，研究及设计了一种成形质量和成形效率较佳的多功能的激光选区熔化成形设备。所述成形设备将成形光路和激光冲击强化光路进行了整合，在每进行若干层的激光选区熔化成形后进行激光冲击强化，两者交替进行，直至构件的最终成形，可以实现构件在成形过程中实时在线的立体式强化，有效解决激光选区熔化成形过程中的内部质量控制问题，提升材料的强度、硬度和疲劳等性能。同时，所述成形设备采用固态约束层提高了冲击波峰值压力，保证了激光冲击强化效果。