一种超声辅助激光增减材一体化成形装备及方法

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种超声辅助激光增减材一体化成形装备及方法。

背景技术：

1、选区激光熔化技术，简称slm(selective laser melting)，是通过材料逐渐累加的方式实现零件“自下而上”成形的技术。以零件的设计数据为基础，无需机械加工或工装模具，摆脱了传统工艺去除加工的限制，加工设备和工艺流程简单，不需要借助辅助模具完成产品加工。具有材料利用率高、加工响应快、加工周期短、近净成形等显著优点。尽管slm技术近年来取得了进展，但其在形状和性能控制方面仍然存在着困难，这也是制约其进一步发展和应用的瓶颈，其中，急待解决的是内应力造成的零件变形开裂“控形”难题，冶金缺陷造成的疲劳性能较差“控性”难题，以及难以成形狭长缝、微细孔、内腔等微细结构的难题。仅仅通过工艺优化难以解决上述难题，这些slm工艺缺陷影响了零件的力学性能、疲劳性能、尺寸精度和表面质量，极大限制了其应用范围。

2、针对激光增材制造中存在的内部缺陷、形状精度、尺寸精度及力学性能不达标等问题，一般可通过铣削减材、退火、热等静压等加工处理工艺得以改善。例如，通过激光增材工艺实现材料累加成形，依靠铣削减材加工提高表面质量、改善表面应力状态，两种技术交替最终实现零件成形。此外，激光快速增材后，也可通过热等静压处理提高其强度和塑性，或者通过固溶时效处理，降低成形零件残余应力、减少冷裂纹，提高综合力学性能。然而，以铣削为代表的减材加工，只能提高尺寸精度、形状精度和表面应力状态，对狭长逢、微孔等微细特征的加工能力不足，也无法减少零件内残余的内应力，细化晶粒组织，改善内部缺陷。以热等静压和固溶时效为代表的热处理工艺，可以转变零件材料内部相组织，减小残余拉应力，却无法改善零件表面质量和形状尺寸精度，额外的后处理工序也会增加增材制造零件的成本、降低整体加工效率。总而言之，如何同时实现对增材制造零件的“控形控性”、保证成形效率是增材制造技术发展和应用中亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有选区激光熔化技术中，增材零件狭长逢、微孔等微细特征成形困难，以及极高的温度梯度和冷却速率导致的残余应力过大，进而导致增材零件产生严重的翘曲变形甚至开裂的问题，提供一种超声辅助激光增减材一体化成形装备及方法。增材过程中，通过超声振动引起熔池内声空化，破碎晶粒、抑制晶粒的生长、实现晶粒的细化，从而降低内部和表面残余应力，提高材料力学性能。引入同幅面超快激光减材，提高500μm以下细微结构及内腔的加工能力。本发明采用的技术手段如下：

2、一种超声辅助激光增减材一体化成形装备，包括选区激光熔化增材系统、超声辅助系统、超快激光减材系统、气体保护系统和烟尘净化系统，

3、所述选区激光熔化增材系统，用于零件增材制造；

4、所述超声辅助系统，用于选区激光熔化成形过程中声空化搅动熔体，激活金属中天然存在的晶核，细化晶粒；

5、所述超快激光减材系统，用于在选区激光熔化增材系统增材预设情况后，对需要成形特征结构的零件进行原位减材；

6、所述气体保护系统，用于选区激光熔化成形过程中向选区激光熔化增材系统中充入保护气体；

7、所述烟尘净化系统，用于过滤激光熔化过程中选区激光熔化增材系统内产生的杂质。

8、进一步地，所述选区激光熔化增材系统包括密封室、刮刀、粉末料缸、基板、成形缸和第一激光输出系统，所述选区激光熔化增材系统的增材加工部分设置于密封室中，第一激光输出系统的输出端连接在所述密封室上，所述粉末料缸和成形缸均为可调节高度式，所述粉末料缸上设有可移动的刮刀，所述粉末料缸内部设有金属粉末，所述成形缸上方设有基板，所述基板上方设置待成形零件，通过刮刀将金属粉末铺展在基板上。

9、进一步地，所述基板下方设有加热线圈。

10、进一步地，所述第一激光输出系统包括连续激光器、第一光闸、第一准直透镜、半透半反镜、x-y扫描振镜系统和f-θ聚焦透镜，所述连续激光器发出红外光，经过第一光闸、第一准直透镜、半透半反镜、x-y扫描振镜系统和f-θ聚焦透镜后以连续光束聚焦于当前成形层，对粉末层进行选区激光熔化。

11、进一步地，所述超快激光减材系统包括：皮秒/飞秒激光器、第二光闸、第二准直透镜、反射镜、半透半反镜、x-y扫描振镜和f-θ聚焦透镜，其中半透半反镜、x-y扫面振镜和f-θ聚焦透镜与选区激光熔化增材系统共用，所述皮秒/飞秒激光器产生的脉冲激光经过第二光闸、第二准直透镜、反射镜、半透半反镜、x-y扫描振镜和f-θ聚焦透镜后对零件的成形特征按照截面形状轮廓进行超快激光减材。

12、进一步地，所述超声原位强化系统包括超声波发生器、超声波换能器和变幅杆，所述超声波发生器发射超声波，经过超声波换能器传递至变幅杆，所述变幅杆与基板的底部相连。

13、进一步地，所述密封室的两端分别设有进气口和出风口，所述进气口与气体存储罐相连，由气体存储罐中向密封室中输入保护气体氮气，所述出风口与烟尘净化系统相连。

14、本发明还公开了一种超声辅助激光增减材一体化成形装备的零件加工方法，包括如下步骤：

15、步骤一：通过增材制造软件，对零件的三维数据进行分层切片处理，将处理完的程序数据导入超声辅助激光增减材一体化设备；

16、步骤二：控制粉末料缸上升，成形缸下降，刮刀将金属粉末从料缸推送至成形缸基板，并在其表面铺展均匀，控制连续激光器发射连续激光，第一光闸打开，连续光分别经过第一光闸、第一准直透镜、半透半反镜、x-y扫描振镜和f-θ聚焦透镜后聚焦于预置金属粉末表面，并根据零件的切片轮廓形状按照规划路径进行选区激光熔化，选区激光熔化过程中，超声辅助系统保持开启状态，选区激光熔化结束后，超声辅助系统暂停工作；

17、步骤三：在选区激光熔化增材系统成形预设特征结构时，对于沿成形方向竖直的特征，每成形预设情况之后，计算机根据所述预设特征结构的截面形状表面轮廓进行超快激光减材路径规划，控制皮秒/飞秒激光器发射连续激光，第二光闸打开，连续光分别经过第二光闸、第二准直透镜、反射镜、半透半反镜、x-y扫描振镜和f-θ聚焦透镜后聚焦于待修整零件表面；

18、步骤四：超声辅助选区激光熔化实现零件增材，在加工预设特征特征时，超快激光原位减材与其交替进行，直至零件整体加工成形。

19、进一步地，选区激光熔化前，对基板进行预热，预热温度为200-400℃。

20、进一步地，所述的选区激光熔化材料包括钛合金、铝合金、镍合金，选用成形激光器为额定功率200w-1000w的连续激光器，激光波长为1064nm，聚焦光斑直径为70-100μm，超快激光减材的激光器为皮秒/飞秒脉冲激光器，额定功率为30-100w，波长为532nm/266nm，聚焦光斑直径为20-30nm；

21、选区激光熔化材料为铜/金材料时，成形激光器选用额定功率200 -500w的连续激光器，激光波长为532nm，聚焦光斑直径为70-100μm，超快激光减材的激光器为皮秒/飞秒脉冲激光器，额定功率为30-100w，波长为1064nm/266nm，聚焦光斑直径为20-30nm；

22、所述步骤二中，粉末料缸每次上升高度为50-80μm，成形缸每层下降高度为20-50μm，选区激光成形和超快激光减材加工中的激光加工工艺参数根据材料确定；

23、零件加工全程，由气体存储罐中向密封室中输入保护气体，气体通过被加工零件表面，气体保护装置根据成形材料确定气源为氮气或氩气；

24、所述步骤二中，超声辅助系统超声波发生器的功率为800-2000w，频率15-30khz，振幅15-30μm。

25、本发明具有以下优点：

26、1、通过超声辅助选区激光熔化，将高强度超声应用于激光增材熔池中，影响金属从液态到固态的结晶过程，从而改善结晶材料的性质。超声波作用于金属液体会导致声空化：气泡形成、生长和内部爆破，搅动熔池中的金属液体，激活合金中天然存在的晶核，促进细等轴晶粒的形成，从而提高屈服应力和抗拉强度。

27、2、选区激光熔化增材的同时引入超快激光减材，提高了狭长逢、微孔等特征的加工能力，减少了后续加工工序，提高加工效率，改善增材零件的尺寸精度和表面质量。

28、3、金属材料的增减材都在密封室内，气体氛围中进行，因此激光增减材过程中几乎不会引入氧化物，保证了成形金属材料的纯度，从而力学性能、摩擦磨损性能和疲劳性能得以保证。