CN103338881B - 一种包含通过感应加热粉末的装置的烧结与激光熔化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过烧结和激光熔化来生产或增大金属部件的装置，所述装置包括一个激光光束发生器，偏转所述光束的装置，以便扫过将要生产的部件(5)的表面，以及装有金属粉末(7)的烧结盘(6)，金属粉末用来覆盖部件表面并由激光束来熔化，从而加厚部件。本发明的特征在于，其还包括至少一个通过感应来对所述烧结盘区域内所装粉末进行加热的装置(12)。

Description

一种包含通过感应加热粉末的装置的烧结与激光熔化装置

技术领域

本发明涉及金属部件的制造领域，特别是，使用激光来通过选择熔化粉末层制造这些部件的领域。另外，本发明还涉及采用逐渐增加材料来修理或重造部件的情况。

背景技术

人们已经知道，通过激光或电子束烧结然后熔化来制造部件的制造技术，这种技术已经广泛应用于快速生产原型件，即，生产工期较短形状相当复杂的小量部件。烧结是一种方法，可以从较细的粉末中生产出机械部件或其它物品。按照第一步骤，这些粉末通过各种方法处理来烧结成块，以便生产预制件，然后对该预制件进行加热，使其形成一定程度的粘结性。通过烧结来生产金属部件通常采用的一种加热技术称之为激光熔化技术。按照这种方法，粉末状材料在高功率激光（从200W至几千瓦的功率）作用下熔化。不断供应粉末并用激光熔化粉末使得部件厚度逐渐增加，选择合适的激光扫描模式可以获得预期的形状。

当采用这种方法制作钛、镍或钴基合金部件时，这些部件通常用作航空部件，会产生很高的残余应力，这些应力是因为连续熔化各层所产生的热梯度所致。将要生产的部件的几何形状、厚度和截面变化等都是会增加这些梯度的因素。根据材料的不同，这些梯度所产生的残余应力会引起部件制造期间变形以及使用期间断裂。

因此，重要的是，在熔化期间控制温度和保持粉末中温度的均匀，为的是将凝固期间所产生的残余应力降到最小。

控制这些热梯度的方法有各种各样，诸如使用热平板，对流加热粉末，或甚至采用高能波束来对粉末进行预加热。然而，这些方法的缺陷很多。热平板所提供的加热的特征是，加热局限在装有粉末的热平板部分上，预加热温度受到限制，在穿过制造托盘的厚度时，加热不够均匀；对粉末的对流加热适用于位于制造托盘顶面内的部件，而且，在穿过粉末的厚度时，加热不够均匀；最后，光束预热也位于制造托盘的顶面内，且同样，在穿过制造托盘的厚度时，这种预加热也不够均匀.

总之，这些方法只能实现局部温度控制，不能保证部件制造期间的温度均匀。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置和方法来解决这些缺陷，从而使得上述缺陷得以缓解，因此，通过激光熔化粉末层来生产或组合这些部件，最后形成的部件在凝固后含有的残余应力会尽可能的小。

为此，本发明的一个目的是提供一种通过激光烧结和熔化生产或增大金属部件的装置，包括产生激光束的发生器，偏转所述激光束的装置，从而使得光束能够扫过将生产的部件的表面，和装有金属粉末的烧结盘，用来覆盖部件表面并通过激光束来熔化，为的是增加所述部件的厚度，其特征在于，其进一步包括至少一个感应加热装置，对所述烧结盘区域内所装粉末进行加热。

感应加热可使得部件温度和周围粉末温度得以控制，因此而控制部件内的温度梯度。

有利的是，烧结盘呈圆筒形，其各个侧壁（即筒体各壁所形成的壁）装有若干个感应加热装置，所述壁采用对感应加热不敏感的材料制成。

更有利的是，圆筒形的烧结盘包括垂直移动底部（该底部是一种表面，可切割筒体所有壁），侧壁上环绕有若干层加热装置，所述加热层沿移动底部的整个运行长度上层层排列，每层都由许多感应装置构成，位于与所述移动底部相等的距离上。

多个加热装置可以调节烧结盘内所含粉末层每个区域内的温度至预期的温度值。

优选地，烧结盘包括底座，用来安置将制作的部件，所述底座装有加热装置和调节其温度的装置。这样，就可以防止底座附近可能形成的热抽运效应。

按照具体实施方案，该装置进一步包括位于烧结盘内某一处的至少一个测量粉末温度的装置。

优选地，烧结盘上设有一个测量棒，其上装有至少一个热电偶，所述测量棒延伸，以便至少局部地穿过所述烧结盘内所含的粉末层。

有利的是，所述装置进一步包括调节温度的装置，通过至少一个加热装置，可调节粉末层内至少一个点处的温度，所述加热装置根据所述粉末温度测量装置所输送的温度值来控制。

本发明的另一个主题是通过激光烧结和熔化生产或增大金属部件的方法，所述部件置于装有金属粉末的烧结盘内，金属粉末通过激光束来熔化，从而增加所述部件的厚度，该方法包括覆盖该部件表面的步骤，部件的厚度会随着粉末厚度而增加，通过在表面上扫描所述激光束来熔化粉末的步骤，以及被熔化材料通过冷却得以凝固的步骤，其特征在于，其进一步包括对所述烧结盘内所含粉末进行感应加热的步骤。

按照一个具体实施方案，感应加热是在激光熔化前进行。

按照另一个具体实施方案，感应加热是在激光熔化后进行，目的是在部件液态部分凝固阶段期间调节烧结盘内所装粉末的温度。

通过对本发明实施方案的如下详细解释性描述，可以更好地理解本发明，本发明的其它目的、细节、特性和优点会更清楚地显现出来，所述描述通过纯粹说明性和非限定性示例并参照附图给出。

附图说明

图1为激光烧结/熔化机的示意图；

图2为根据本发明一个实施方案的激光烧结/熔化机的垂直剖面图；以及

图3为图2所示机器的俯视图。

具体实施方式

图1为通过激光烧结和熔化来生产金属部件的机器。

激光束发生器1发射激光束2，该激光束被指向一组反射镜3上，最后一个反射镜4可以绕枢轴转动，从而使得光束扫过将要生产的部件5的表面。应该注意的是，激光束并不一定采用反射镜来传送；也可以使用光学纤维，这取决于所使用的激光的波长，另外,激光束可以使用其它装置来扫过部件表面，诸如平场聚焦透镜。

将部件5置放在位于面向激光束2的用于制造的平板10上；此外，将其完全掩入烧结盘6内，以便有规律地在部件上覆盖一层适合烧结的金属粉末7。第二个盘8用来供应粉末，位于烧结盘6的旁边，内装烧结粉末7。一种活塞式的装置9可以使一定量的粉末7从供料盘8送至烧结盘6，以便使得部件5覆盖一定厚度的粉末层。该层粉末的厚度对应于在压制和凝固收缩后激光束2一次熔化扫描期间部件所增加的厚度。降下烧结盘6和升起供给盘8的装置，一方面可以使将要烧结的部件5与烧结盘6的壁相齐平，另一方面，可以使得活塞9从供料盘8中撒出具有合适厚度的金属粉末7层。

通过连续基本作业，可实现由激光来烧结部件5和熔化粉末，所述作业采用如下方式来进行：部件5的位置与烧结盘6的壁的顶部齐平，活塞9沿该烧结盘6的方向移动，以便将期望厚度的粉末7堆积在部件5上，然后，活塞再返回至其在供料盘8端部处的备用位置。激光束2采用往复偏转反射镜4来在部件表面上方扫描，从而使得金属粉末层得以熔化并聚积在部件5上，使得部件的厚度增加。然后，部件5被向下拉动，以便补充增加其厚度，而且，其表面再次与烧结盘6齐平，而供料盘8则升起，为的是再次面向活塞9置放一定量的金属粉末7。根据想要获得部件5的预期几何形状和尺寸，多次重复进行这个过程。

下面参照图2和图3介绍采用激光烧结和熔化来生产部件的装置。

将要生产的部件5置放在用于制造的平板10上，该平板在降落活塞11的作用下会垂直移动，部件上覆盖烧结粉末7，粉末由供料活塞9从供料盘(图中未示)上进行撒放。此处所示的烧结盘6为立体形状，尽管不一定非得采用这种形状。在该烧结盘的壁的内部，嵌入了一组感应器12；这些感应器连接到电源（图中未示）上，可提供粉末层所需的温度。在水平方向，这些感应器有规律地分布在烧结盘6的周围，从而使得粉末层的温度尽可能的均匀；在垂直方向，若干个成组的感应器上下叠置，从而使得粉末得以加热，不论部件5所获得的尺寸如何，即不论用于制造的平板10在垂直平面上所占用的位置如何。于是，这些感应器就会一直延伸到烧结盘6的直壁的底部。

控制棒13位于烧结盘的中央，与烧结盘的壁保持一定距离，并与需要制造的部件相距一定距离，该部件与所进行的作用相适应，所述控制棒13穿过用于制造的平板10并垂直延伸过烧结盘的整个高度。为此，用于制造的平板10上钻有一个孔口，随着部件5的厚度增加，该孔口可使其垂直移动，不会干扰控制棒13。该控制棒装有若干个测量粉末温度的装置，诸如热电偶，这些热装置沿其整个高度有规律地间隔。当平板10的位置使这些热电偶14位于所述平板上方时，并因此而与粉末7接触时，这些装置可用来测量粉末7的温度。

下面介绍本发明装置是如何通过激光烧结和熔化来生产部件的。部件的修理采用类似方式通过材料沉积来进行。

部件的生产采用与传统装置大体相同的方式进行，即，从供料盘8提取的粉末通过供料活塞9撒放在部件5上，以期增加部件5的厚度。激光光束2根据想要加厚的区域扫过该粉末，并局部熔化粉末，从而与现有部件凝聚在一起。

然而，本发明与其不同之处是，所述装置还包括一组感应器12，其作用就是在熔化的金属凝固并与现有部件凝聚在一起期间来调节粉末7的温度。

这些感应器装在用于制造的平板周围并在制造期间会包围部件，因为粉末的金属特性，而构成对粉末加热的系统。感应器通过烧结盘6的壁而与粉末7隔开，烧结盘壁所用材料可使粉末通过感应而被加热，但其本身在感应电流作用下却几乎不会受热。

该加热系统由调节粉末温度的系统控制，调节系统根据控制棒13和其热电偶14所测量的温度信息调节各个不同区域内的粉末温度。这些温度测量结果可使感应器12所提供的热量得以控制，目的是在结构上调节部件5和周围粉末7的温度。由于在烧结盘6周围布置了许多感应器，粉末的温度可以在逐区基础上进行调节，从而通过对某些具体参数的考虑实现良好控制冷却和凝固，诸如在部件每个点处此前凝聚的材料的厚度，进而控制传导和对流的局部特性。

控制感应加热的程序在所属领域技术人员能够开发的范围内，确定必须流过每个感应器的电流，从而获得粉末盘内每个点处的预期温度。如果需要，该程序的一个开发阶段可涉及到通过基准部件对预期生产一种部件的每种合金进行校准。

为此，因为测量是通过控制棒13的热电偶14在不同高度测量的，本发明可获得用于制造的平板每个点处的正确粉末温度，因此，可以保证部件5生产期间的正确冷却。

此外，为了改善由程序提供的校准，该装置还可包括加热平板的系统，以防止热抽运效应，否则，其会由于烧结盘6底座处存在的冷的用于制造的平板而出现。该平板可以采用任何传统装置来加热，诸如穿过其厚度的一组加热棒。

根据一个具体实施方案，控制棒13的位置可以不一定是固定的，相反，可以根据将生产的部件和部件的形状来调整。为此，用于制造的平板10上供控制棒13穿过的孔口可有几个选择部位。由此，可以进一步完善温度测量结果，并优化每个点处的粉末7的加热效果。

Claims (10)

1.一种通过激光烧结和熔化来生产或制造金属部件的设备，该设备包括生成激光束(2)的发生器(1)，偏转所述激光束的装置(4)以便将激光束扫过将生产的部件(5)的表面，和装有金属粉末层(7)的烧结盘(6)，金属粉末用来覆盖在部件(5)的表面上并由激光束(2)来熔化，从而增加所述部件的厚度；

其特征在于，该设备进一步包括至少一个感应加热装置，用来对所述烧结盘区域内所装粉末层进行加热。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，烧结盘(6)呈圆筒形状，其各个侧壁装有多个感应加热装置，所述侧壁采用对感应加热不敏感的材料制成。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，圆筒形烧结盘(6)包括垂直移动底座(10)，其各个侧壁周围设有多层加热装置，所述加热层沿移动底座运行的整个长度层层排列，每层包括多个位于与所述移动底座相同距离的感应加热装置。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，烧结盘(6)包括底座(10)，用来安装将要生产的部件，所述底座装有加热装置和调节底座温度的装置。

5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括至少一个在位于烧结盘(6)内的一个点处的用于测量粉末层(7)温度的装置。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，烧结盘(6)设有测量棒(13)，测量棒上装有至少一个热电偶(14)，所述测量棒延伸，以便至少局部地穿过所述烧结盘(6)内所装粉末层(7)。

7.根据权利要求5所述的设备，进一步包括通过至少一个加热装置调节粉末层(7)至少一个点处的温度的装置，所述加热装置根据用于测量粉末层(7)温度的所述装置给出的数值来控制。

8.一种通过激光烧结和熔化来生产或制造金属部件的方法，所述部件置于装有金属粉末层(7)的烧结盘(6)内，金属粉末层中的一部分将由激光束(2)熔化，为的是增加所述部件(5)的厚度，所述方法包括覆盖部件表面的步骤，部件厚度会随着粉末厚度而增加，通过在粉末上方扫描所述激光束而熔化粉末的步骤，以及所熔化的材料通过冷却而凝固的步骤，其特征在于，该方法进一步包括对所述烧结盘内所装粉末层进行感应加热的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，感应加热是在激光熔化之前进行的。

10.根据权利要求8所述的方法，感应加热是在激光熔化之后进行的，为的是在部件(5)液态部分凝固期间调节烧结盘内所装粉末层(7)的温度。