一种激光同轴送粉增材制造的凝固组织和成形应力调控方法与流程

本发明属于激光沉积成形增材制造领域，涉及一种激光同轴送粉增材制造的调控方法。

背景技术：

激光沉积成形技术能够实现高性能致密金属零件的无模快速近成形，并且成形尺寸基本不受限制，还可以实现同一构件上多种材料的任意复合和梯度结构制造。

但是，激光沉积成形件沉积态具有典型的外延生长柱状晶组织，力学性能存在明显各向异性，不满足综合力学性能要求；另一方面，同一零件的不同部分可能受到不同的受力条件，单一组织无法满足使用要求。

另外，由于激光能量密度高，激光沉积成形过程中快速加热和快速冷却会使加工材料产生过大的内应力，容易引起成形件开裂。

技术实现要素：

为了改善激光沉积成形件的力学性能以及避免激光沉积成形过程中成形件开裂的问题，本发明提出了一种激光同轴送粉增材制造的凝固组织和成形应力调控方法。

本发明所采用的技术方案是：

该激光同轴送粉增材制造的凝固组织和成形应力调控方法，包括：

步骤1：配置激光增材制造装置；该装置包括成形加工头、第一激光器、第二激光器、用于放置基体的工作台和送粉器；其中，第一激光器发出的激光束经成形加工头输出，用于沉积成形和凝固组织细化和调控；第一激光器具备连续激光和准连续激光两种工作模式；第二激光器配置有光斑调节单元，输出的激光束光斑与所述成形加工头输出的激光束光斑保持几何中心重合，但其光斑尺寸大于成形加工头输出的激光束光斑尺寸，用以实现基体预热和沉积层缓冷；

步骤2：确定凝固组织调控和应力调控的参数

a、确定所需凝固组织的温度场调控参数和形核调控参数；其中，所述温度场调控参数包括准连续激光参数和/或连续激光参数，所述形核调控参数包括金属粉末送粉量；

b、确定辅助激光预热缓冷参数；所述辅助激光预热缓冷参数与所述第二激光器及其光斑调节单元有关，包括辅助激光能量分布、辅助激光光斑形状、辅助激光光斑尺寸和辅助激光功率；

步骤3：按照步骤2确定的各项参数执行增材制造工艺。

基于以上方案，本发明还进一步给出了以下多方面的优化以及可选的具体实现方式：

步骤2中，是根据所需成形的目标材料及凝固组织形貌和尺寸，同时参考目标材料cet转变曲线图，采用双热源激光熔覆模型，获得激光熔覆过程中的温度场和应力场，根据模拟结果，得出准连续激光参数和/或连续激光参数，确定辅助激光预热缓冷参数；通过样品试验，确定形核调控参数。

所述准连续激光参数包括激光能量分布、激光峰值功率、激光开关光频率、占空比、激光光斑大小、激光移动速度；所述连续激光参数包括：激光能量分布、激光功率、激光光斑大小、激光移动速度。

所述准连续激光能量分布采用高斯能量分布，峰值功率为1200w～4000w，激光开关光频率为50hz～1000hz，占空比为30％～80％，光斑直径为1mm～4mm，激光移动速度为5mm/s～40mm/s；所述连续激光能量分布采用高斯能量分布，功率为1200w～4000w，光斑直径为1mm～4mm，激光移动速度为5mm/s～40mm/s。

所述辅助激光能量分布为高斯分布或均匀分布，辅助激光光斑形状为圆形或圆环形；辅助激光与成形主激光(成形加工头输出的激光)光斑尺寸比为3：1～5：1；辅助激光功率为300w～1000w。

所述金属粉末送粉量为2g/min～100g/min。

所述第二激光器以及光斑调节单元整体通过角度调节机构安装在所述成形加工头的侧面，在角度调节机构的作用下能够改变第二激光器输出的激光束相对于成形加工头所在主激光光路的倾斜角度。

所述第二激光器以及光斑调节单元整体相对于成形加工头独立地固定安装，并与成形加工头同步运动。

所述光斑调节单元采用变倍准直器。

本发明具有以下优点：

本发明采用温度场调控和异质形核调控，同时结合辅助激光与成形主激光的耦合作用，实现了激光沉积成形、熔池预热缓冷和沉积层凝固组织的调控，能够有效降低沉积成形过程中的温度梯度、减小内应力、抑制裂纹缺陷产生、确保成形件形态，从而有效提高成形件的综合性能，对获得高质量构件具有重要意义。

其中利用形核技术调控熔池温度场参数和形核数量，提高熔池晶核数量，起到细化晶粒、主动调控组织的作用。

其中通过辅助激光局部预热缓冷调控，基体的预热和熔覆层的缓冷能够有效的减小成形过程中的温度梯度，从而降低成形过程中产生的热应力，抑制裂纹缺陷产生。

根据具体分析需要，本发明的成形主激光还可以切换准连续模式/连续模式。

该方法通用性好，不受成形件尺寸和形状限制。

附图说明

图1是本发明涉及的增材制造装置；图中，1-成形打印头(内部连接第一激光器)；2-第二激光器；3-第二激光器的输出光纤；4-变倍准直器；5-连接架(角度调节机构)。

图2是本发明的一个实施例调控成形后的gh4169显微组织图；

图3是常规工艺未施加调控成形的gh4169残余应力模拟效果图；

图4是本发明的一个实施例调控成形后的gh4169残余应力模拟效果图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，激光增材制造装置包括成形加工头、第一激光器、第二激光器、用于放置基体的工作台和送粉器；其中，第一激光器发出的激光束经成形加工头输出，用于沉积成形和凝固组织细化和调控；第一激光器具备连续激光和准连续激光两种可选的工作模式；第二激光器配置有变倍准直器，并在角度调节机构的作用下能够改变其激光出射相对于第一激光器激光光路的倾斜角度，输出的激光束光斑与成形加工头输出的激光束光斑保持几何中心重合，但其光斑尺寸大于成形加工头输出的激光束光斑尺寸，用以实现基体预热和沉积层缓冷。送粉器与成形加工头通过送粉管相连，实现同轴送粉。

首先，根据所需成形的目标材料及凝固组织形貌和尺寸，依据该材料cet转变曲线图，确定所需凝固组织的温度场调控参数，通过有限元数值模拟方法，确定准连续激光参数和连续激光参数；再通过样品试验，确定形核调控参数，形核调控参数包括金属粉末送粉量。最后，按照确定的各项参数执行增材制造工艺。

以下给出一个实例来说明本发明的调控方法。

表1实施例的详细参数

具体包括以下步骤：

步骤1：设定gh4169凝固组织为等轴晶，依据gh4169的cet转变曲线图，确定温度场调控参数；

步骤2：根据成形零件的三维模型，生成成形加工头运动轨迹的控制程序；生成激光运动轨迹的控制程序过程中确保成形加工头与基体直接的距离保持15mm，确保粉斑焦点位于基体表面；

步骤3，送粉器中装入gh4169，设置送粉速率为40g/min，送粉载气3l/min，保护气体15l/min，载气和保护气体都为氩气；

步骤4，确定激光沉积成形工艺：第一激光器为准连续激光模式，其中，准连续激光峰值功率为1200w，激光开关光频率50hz，占空比50％，扫描速率5mm/s，光斑直径2mm。

步骤5，确定预热缓冷工艺：第二激光器输出功率600w，输出光斑直径100mm，输出光斑与第一激光器输出光斑中心重合，且与成形加工头同步移动；光斑前部分用于基体预热，后部分用于熔覆层缓冷。

图2是该实施例调控成形后的gh4169显微组织图；图3是按照常规增材制造工艺未施加调控成形的gh4169残余应力模拟效果图；图4是上述实施例调控成形后的gh4169残余应力模拟效果图。从图2、图4并与图3对比可以看出，本实施例能够有效降低沉积成形过程中的温度梯度、减小内应力、抑制裂纹缺陷产生。