[发明专利]一种块体合金高通量制备装置及方法

说明书

本发明提供了一种块体合金高通量制备装置及方法，其设有激光熔覆真空手套箱、气淬炉、液压升降机、送粉系统和温度控制系统，激光熔覆真空手套箱设有激光熔覆系统，激光熔覆系统连接的送粉系统，通过送粉系统将合金粉末送入激光熔覆系统中进行激光熔覆处理，激光熔覆真空手套箱的下端设有气淬炉，用于基板预热和合金热处理，气淬炉的一侧连接温度控制系统，用于控制基板预热和合金热处理的温度，气淬炉的下端设有液压升降机，通过液压升降机将基板送入气淬炉和激光熔覆真空手套箱内。本发明同时提供了其制备方法。本发明可广泛应用于合金材料制备技术领域。

技术领域

本申请属于合金材料制备技术领域，更具体地说，是涉及一种块体合金高通量制备装置及方法。

背景技术

随着材料基因工程技术的快速发展，现代材料研发逐渐进入“数据驱动—科学研究第四范式”。高通量实验方法的发展与应用，可以在短时间内获取丰富的实验数据，为快速高效地建立材料成分-相-组织-性能的关系和数据库提供必需的实验结果，直接服务于材料的快速筛选与优化。同时，这些关键基础数据也为发展新的预测材料成分-相-组织-性能的计算方法和理论模型提供大量的实验验证。作为高通量实验的核心基础，高通量材料制备技术通过少量实验而获得具有成分、尺寸或微观组织梯度等的样品，从而大大提高材料制备的效率。因此，材料的高通量制备技术以及装置的设计与研发就显得尤为重要。

作为近年来快速发展起来的一种先进制造技术，增材制造技术具有成型速度快、工艺精度高、适用范围广等突出优势，在航空航天、新材料、医疗等领域取得了重要应用价值。利用激光增材制造快速成型的特点，通过自动调整多路粉料桶的送粉速率，制备出不同成分的均质块体试样或成分连续变化的梯度试样，实现块体材料的高通量制备。

在粉末沉积过程中，利用激光的高能量密度使合金粉末发生熔化。为避免合金粉末，尤其性质较为活泼的金属粉末在熔化时发生氧化，激光熔覆需要在真空环境或惰性气体保护环境中进行。同时，增材制造的冷却速率高达10⁴～10⁸K/s，构件的凝固是一个典型的瞬态非平衡过程。由于不同合金元素在固液两相中的分配系数不同，成分极易发生偏析，造成构件组织和性能的不均匀性明显。另一方面，激光增材制造是一个反复熔覆过程，构件与周围环境持续发生热交换。随着熔覆层数的增加，基板和周围环境的温度不断升高，热交换发生程度显著不同，使得构件整体温度分布不均匀，引起较大的内应力，最终导致构件开裂，严重降低构件的整体性能和使用寿命。因此，在增材制造过程中，有效消除成分偏析和残余应力，合理调控组织，是改善构件综合性能的关键。

合理的热处理是解决增材制造构件的成分偏析和残余应力问题，并对构件的组织和性能进行调控最为有效的方法之一。为防止构件氧化，激光熔覆过程通常在真空或惰性气体环境下，将构件从增材制造设备转移至热处理设备内，较为耗时费力。因此，开发集成在增材制造设备内的原位热处理系统或装置将大大提高构件制造的效率。

公开号为CN105598448A专利公开了一种控制金属增材制造预热温度的方法，通过控制打印过程中的边界条件、激光功率、扫描速度、光斑大小、开光间歇时间，实现金属在材料打印过程中的原位预热。该方法通过有限元模拟获得激光打印参数，由于增材制造是一个不断的重复熔化和层层堆积的过程，金属材料的热交换情况复杂，仅借助计算模拟来筛选出可行打印参数的难度较大。

公开号为CN105499566A专利公开了一种对增材制造，特别是电子束选区熔化增材制造金属零部件进行原位热处理的办法，通过调整电子束流参数对成型区域进行二次加热重熔，从而实现对金属零部件的热处理。该方法采用电子束原位加热的方式，温度输入难以精确控制，易出现局部区域熔融，产生异常粗大晶粒。

公开号为CN110434332A专利公开了一种金属增材制造在线热处理的方法，通过将激光冲击强化和增材制造技术相结合，调节打印参数及打印层厚度，利用在堆叠下一层材料时产生的热量对上一层或上几层沉积层进行在线实时热处理。该方法采用激光原位加热的方式，需要同时调控增材制造参数和激光冲击强化参数，控制过程较为复杂，也难以实现对温度输入的准确控制。