[发明专利]一种粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法

说明书

本发明公开了一种粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法，该测量装置包括激光器、光路系统、惰性气体保护箱、粉末容器、加热系统、测温系统和计算机。该测量方法为将具有厚度的粉末铺于粉末容器中，再将粉末容器置于充有惰性气体的保护箱内。通过加热系统预热粉末，使其维持于一定温度。激光系统输出的某个波长激光束经光路系统放大准直，辐照于粉末表面。利用测温系统采集不同时刻粉末温度数据，由计算机分析得到粉末吸收的激光能量，将其与激光辐照能量求比值获得粉末对该波长激光的吸收率。与其他测量方法比较，本发明不仅可以获得不同温度下粉末对入射激光的吸收率，同时避免了测量中粉末氧化对吸收率产生影响，搭建简便，易于实现。

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法。

背景技术

在激光与材料的相互作用过程中，照射到材料上的激光一部分被材料吸收，另一部分则被反射。材料吸收激光能量后将发生升温、熔融、气化甚至产生等离子体现象，基于这些现象可以对材料实现一定加工目的，可见材料对激光的吸收率是影响激光加工的重要因素。

选区激光熔化是激光增材制造的一种方法，利用高能量激光束逐层选择性地熔化粉末，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。在这个过程中，与平面结构不同，粉末材料类型、混合比例、粒径分布等均会对激光吸收率产生影响，从而影响激光加工效率和加工质量。此外，粉末的温度随激光辐照而发生变化，粉末对激光的吸收率也将发生变化。因此，获得不同温度下粉末激光吸收率对于激光增材制造中的过程分析有着重要意义。

目前，吸收率的测量方法主要有两种：第一种是首先测量反射率，再由1减去反射率，求出吸收率。测量反射率有两种方式，即量热计测量和利用积分球法。第二种是从量热的角度出发，通过测量材料的温度变化，从而计算得到吸收率。这些测量方法主要是针对具有平面结构材料在常温下的激光吸收率，关于粉末在不同温度下的激光吸收率研究较为有限，因而迫切需要搭建粉末激光吸收率测量装置，实现不同温度下粉末吸收率的测量。

专利一种材料激光吸收率的测量装置和测试方法.CN 105758820 B)公开了一种材料激光吸收率的测试装置和方法，根据热平衡原理搭建了材料激光吸收率测试装置，测量涂料和金属材料对激光吸收率。

文献(Rubenchik A,Wu S,Mitchell S,et al.Direct measurements oftemperature-dependent laser absorptivity of metal powders[J].Applied optics,2015,54(24):7230-7233.)Rubenchik等人采用量热法搭建测量吸收率装置，测量316不锈钢、Ti-6Al-4V合金和Al粉在高温下的吸收率，结果与光线追迹法计算基本一致。但Al粉的吸收率与计算值差距较大，作者认为这与激光辐照中粉末发生氧化有关。实际上，与铝比较，氧化铝的吸收率能提高数倍。

上述测量装置和测量方法存在以下缺陷：

(1)未解决测量中的材料氧化问题；

(2)仅针对表面为平面的块体结构吸收率的测量，未考虑粉末堆积中存在的空隙及局部粉末吸收光强集中导致粉末温度分布不均的问题；

(3)无法测量具有不同温度的粉末对激光的吸收率。

上述缺陷至今为止，现有测量装置和方法未能实现具有不同温度的粉末对激光吸收率的精确测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法，实现具有不同温度的粉末对激光吸收率的精确测量，进而可为激光增材制造中材料成形机制分析提供理论基础，为工艺参数优化提供理论依据。

实现本发明目的的技术解决方案如下：