[发明专利]一种具有原位监测功能的LPBF增材制造装置及方法

说明书

本发明涉及一种具有原位监测功能的LPBF增材制造装置及方法，制造装置包括：粉末传送系统，粉末传送系统处于真空环境内，粉末材料F于粉末传送系统内铺展，并逐渐形成微型粉末床；激光系统位于微型粉末床顶部并发射激光撞击；X射线源发射的X射线自一侧照射微型粉末床；X射线成像系统和X射线源相对布置，X射线成像系统用于接收粉末材料扩散过程中与粉末材料扩散同步的X射线，成像，实时对粉末扩散进行现场X射线成像分析。本发明实现了原位监测，具有实时性且适用性强，能够尽早地识别缺陷，从而减少废品率和后处理工序、缩短研制周期，还为提供全程可溯的加工信息创造了可能。有效的克服选区激光熔化工艺的稳定性和可重复性不足的问题。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，更具体的说是涉及一种具有原位监测功能的LPBF增材制造装置及方法。

背景技术

激光粉末床融合(LPBF)技术是目前在金属增材制造领域中发展迅速的先进制造技术，已经在航空航天、汽车制造、生物医疗等行业获得广泛应用。该技术能够直接制造出复杂的形状和轻量化结构，这些都是传统制造工艺不具备的。但是LPBF技术的可重复性不足和稳定性差的缺点阻碍了该技术的进一步的发展应用，如何提高制造零件的稳定性和质量一直是该领域的热点研究问题。

众所周知，粉末床的质量是影响采用LPBF工艺制造的零件质量的主要因素之一，由于LPBF过程粉床极高的加热和冷却速率产生许多高度动态和瞬态的物理现象，例如，金属粉末的熔化和汽化、熔融金属的流动、粉末喷射和再分布、快速凝固、非平衡相变等，且已有研究证明在激光粉末床融合过程中，提高粉末床密度和均匀性可提高零件的最终质量。所以了解基于粉末床的增材制造工艺中的粉末扩散动力学行为对于设计铺粉结构和铺粉参数、识别粉末床中的缺陷形成机制以及指导优化原料粉末的设计至关重要。

因此，如何提供一种具有原位监测功能的LPBF增材制造装置，更早从监测数据中提取特征，识别缺陷及加工状态，从而及时调整工艺参数避免出现质量缺陷，克服选区激光熔化工艺的稳定性和可重复性不足，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为此，本发明的一个目的在于提出一种具有原位监测功能的LPBF增材制造装置，便于在LPBF增材制造过程中尽早识别缺陷及加工状态，从而及时调整工艺参数避免出现质量缺陷。

本发明提供了一种具有原位监测功能的LPBF增材制造装置，包括：

粉末传送系统，所述粉末传送系统处于真空环境内，粉末材料F于所述粉末传送系统内铺展，并逐渐形成微型粉末床；

激光系统，所述激光系统位于微型粉末床顶部并发射激光撞击；

X射线源，所述X射线源发射的X射线自一侧照射所述微型粉末床；以及

X射线成像系统，所述X射线成像系统和所述X射线源相对布置，所述X射线成像系统用于接收粉末材料扩散过程中与粉末材料扩散同步的X射线，成像，实时对粉末扩散进行现场X射线成像分析。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种具有原位监测功能的LPBF增材制造装置，采用激光粉末床融合技术与高能量X射线成像系统相结合，可实现原位监测，具有实时性且适用性强，能够尽早地识别缺陷，从而减少废品率和后处理工序、缩短研制周期，还为提供全程可溯的加工信息创造了可能。采用X射线源、X射线成像系统收集增材工艺过程信号，实时获取加工过程的状态数据；从监测数据中提取特征，识别缺陷及加工状态，从而及时调整工艺参数避免出现质量缺陷，能够有效的克服选区激光熔化工艺的稳定性和可重复性不足的问题。

进一步地，所述真空环境为通过保护气罐提供保护气体维持的真空室Z，所述真空室Z侧壁上开设有工艺窗。

进一步地，所述工艺窗外部采用旁轴监测方式连接有高速摄像机，所述高速摄像机对真空环境下的可见光进行拍摄，其记录频率大于等于每秒二十万帧。