CN107737927A - 一种提高激光熔化沉积成形质量的方法 - Google Patents

一种提高激光熔化沉积成形质量的方法 Download PDF

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Abstract

一种提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：通过对基体热累积因子XR的监控间接实现对成形质量参数变化的监控，并据此对成形工艺参数进行在线调整，使得基体热累积因子XR的值稳定在标定范围内，从而提高其工艺稳定性和加工质量。本发明具有原理简单、经济易行，操作简便，通过有效的衡量出沉积过程中基体的热量累积程度，标定基体热累积因子XR的优秀值域，并据此对于激光熔化沉积的工艺参数进行在线调控。

Description

一种提高激光熔化沉积成形质量的方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其是一种金属激光熔化沉积成形工艺过程提高工艺稳定性和成形质量的方法，具体地说是一种提高激光熔化沉积成形质量的方法。
技术背景
激光金属增材制造技术主要有激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）和激光熔化沉积（Laser Melting Deposition，LMD）两种工艺。其中激光熔化沉积技术具有较高的成形效率和较大的成形幅，被广泛应用于航空航天领域的大型复杂件的加工。该技术兴起于20世纪90年代，是在激光熔覆基础上发展形成的一种金属增材制造工艺。随着该技术的发展，保证成形精度以及提高力学性能逐渐成为人们的研究热点课题。成形精度、力学性能与沉积层的形貌、组织、内应力密切相关。激光熔化沉积能量密度是影响成形质量的关键性因素。作为能量密度初始决定性因素，众多学者针对激光功率、扫描速度、扫描光斑等基础工艺参数对沉积层形貌的影响规律展开了研究。然而激光熔化沉积是一个基体不断进行热累积的过程，随着沉积进程的推进，在工艺参数不变的条件下，不断升高的基体温度会大大提高沉积扫描的能量密度，造成沉积层形貌和组织的不稳定性。所以如何有效表征出激光熔化沉积过程中基体热累积程度，调整工艺参数保证最优能量密度稳定性，这对保证激光熔化沉积成形质量、合理优化工艺参数组合，具有重要的理论意义和工程价值。
经过检索，尚未发现对金属激光熔化沉积成形工艺过程中利用对基体热累积程度进行有效表征来实现提高工艺稳定性和成形质量的相关文献或专利。
发明内容
本发明的目的是针对现有的激光熔化沉积过程中因基体温度难以检测和控制而导致沉积质量和性能下降的问题，发明一种在金属激光熔化沉积成形工艺过程中提高工艺稳定性和成形质量的方法。
本发明的技术方案是：
一种提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：通过对基体热累积因子XR的监控间接实现对成形质量参数变化的监控，并据此对成形工艺参数进行在线调整，使得基体热累积因子XR的值稳定在标定范围内，从而提高其工艺稳定性和加工质量。
通过测温设备探测激光熔化沉积熔池扫描后沿距离为R处的温度TR，令XR=TR/R，XR即为基于采集半径R的热累积因子，在激光熔化沉积某种材料和工艺状态不变的条件下，热累积因子XR反映了某采集时刻的成形过程中基体热量累积的程度。
针对采用同轴送粉方式的激光熔化沉积工艺，选取一定的激光功率、光斑直径、扫描速率、送粉速率工艺参数，在一块基板上连续沉积成形的过程中，采用红外测温仪等测温设备探测扫描后沿某一点的温度，测温设备与同轴送粉头保持随动，测温仪始终位于同轴送粉头扫描方向后沿。
针对金属粉末和基材，根据不同的工艺条件对基体热累积因子XR进行样本采集，并通过几何及力学性能测试对XR进行筛选，标定XR范围。
采用的激光光束为高斯模式，波长λ为500nm~1500nm，聚焦后扫描光斑直径Φ为0.5~10mm。
XR采集半径R为聚焦扫描光斑直径Φ的2~5倍。
所采用的测温设备为非接触式测温设备。
成形质量参数包括接触角、稀释率。
本发明的有益效果是：
本发明利用激光熔化沉积连续单道实验对热累积因子XR优秀值域进行标定，通过检测出与不同热累积因子XR相对应的沉积层几何参数（接触角、稀释率等），并根据优秀的沉积层的几何参来标定出热累积因子XR的优秀值域。当在线监测的热累积因子XR的值超出标定的优秀值域时，可以通过调整激光功率、扫描速度等参数使其回归优秀值域内，从而实现对沉积层几何参数的在线调控，提高工艺稳定性和成形质量。
本发明具有原理简单、经济易行，操作简便，通过有效的衡量出沉积过程中基体的热量累积程度，标定基体热累积因子XR的优秀值域，并据此对于激光熔化沉积的工艺参数进行在线调控。
本发明采用基体热累积因子来实现激光熔化沉积过程中基体及已沉积层的热量累积程度表征，用以指导激光熔化沉积成形过程中基体温度因素对成形形貌及质量的影响的探究工作，能方便高效地实现激光熔化沉积过程中成形形貌的监控和量化控制，有利于提高工艺稳定性和加工质量。采用测温仪探测激光熔化沉积熔池及周边温度分布，并将取位于熔池扫描中心后沿一定距离处的温度与该距离的比值定义为基体热累积因子来揭示基体温度的变化对随后的沉积成形的影响规律具有简单易行操作简单、行之有效的优点，对金属激光熔化沉积工艺具有普遍的适用性。
附图说明
图1 激光熔化沉积单道扫描温度场仿真。
图2 红外测温仪捕捉的单道沉积温度分布图。
图3 基体热累积的表征因子XR的简化模型。
图4 激光熔化沉积系统非接触式温度探测示意图。
图5 连续单道扫描及温度探测示意图。
图6 基体热累积表征量XR随时间的变化趋势。
图7 接触角θ与XR的线性拟合结果。
图8 稀释率η与XR的线性拟合结果。
图中：①非接触式测温设备，②激光熔化沉积设备的同轴送粉头，③激光熔化沉积基板，④送粉器，⑤激光束，⑥沉积层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-8所示。
一种提高激光熔化沉积成形质量的方法，它通过对基体热累积因子XR的监控间接实现对成形质量参数（如接触角、稀释率等）变化的监控，并据此对成形工艺参数进行在线调整，使得基体热累积因子XR的值稳定在标定范围内，从而提高其工艺稳定性和加工质量。具体而言，基体热累积因子XR=TR/R，通过非接触式测温设备探测激光熔化沉积熔池扫描后沿距离为R处的温度TR，令XR=TR/R，XR即为基于采集半径R的热累积因子，在激光熔化沉积某种材料和工艺状态不变的条件下，热累积因子XR反映了某采集时刻的成形过程中基体热量累积的程度。对于采用同轴送粉方式的激光熔化沉积工艺，选取一定的激光功率、光斑直径、扫描速率、送粉速率工艺参数，在一块基板上连续沉积成形的过程中，采用红外测温仪等测温设备探测扫描后沿某一点的温度，测温设备与同轴送粉头保持随动，测温仪始终位于同轴送粉头扫描方向后沿，即可根据不同的工艺条件对基体热累积因子XR进行样本采集，并通过几何及力学性能测试对XR进行筛选，标定XR范围。当采用的激光光束为高斯模式，波长λ为500nm～1500nm，聚焦后扫描光斑直径Φ为0.5～10mm。XR采集半径R为聚焦扫描光斑直径Φ的2～5倍。
详述如下：
激光熔化沉积过程的温度场有限元仿真结果显示：移动的激光熔池表面形状呈拖尾的彗星状，沿扫描方向，以激光光斑中心为中心的熔池前端等温线密集，温度梯度较大，呈同心圆分布，熔池后面的等温线稀疏，温度梯度较小（见图1）。不断的热累积，基体温度升高，影响沉积过程中下一单位时间基体的温度分布，因此熔池周围的温度分布的变化直接反映出了基体热累积的程度，最终表现为熔池周围温度分布对熔池形态的影响。
结合红外测温仪捕捉的单道沉积温度分布（见图2），建立基体热累积表征因子XR的简化模型（见图3），熔池前方温度梯度过大，将位于熔池中心后沿距离为R的点（温度梯度小）作为温度监测点。此处检测温度可以近似认为是熔池前方某一同心圆的温度。TR为熔池中心后沿距离为R处的温度，令：
XR=TR/R （1）
式中XR即为基于采集半径R的热累积因子，其物理意义在于将激光熔化沉积过程中基体热累积具体化到熔池周围的温度梯度层面。
图2和图3所示，一种对金属激光熔化沉积成形工艺过程中对基体热累积量进行有效表征的方法主要是利用非接触式测温设备①，来探测激光熔化沉积系统沉积过程中沉积层⑥成形熔池周边温度来对基体进行热累积程度的表征，激光熔化沉积系统包括激光熔化沉积设备的同轴送粉头②，激光熔化沉积基板③，送粉器④，激光束⑤，其特征在于激光熔化沉积过程中，利用非接触式测温设备①探测位于熔池后沿距离为R除的温度TR，定义XR=TR/R，XR即基于采集半径R的热累积因子，其物理意义在于将激光熔化沉积过程中基体热累积具体化到熔池周围的温度梯度层面，针对同一采集半径R和工艺条件，可以有效表征金属激光熔化沉积成形工艺过程中基体热累积程度；其特征还在于非接触式测温设备①与激光熔化沉积设备的同轴送粉头②保持随动，使其可以随时探测位于熔池后沿方向某点的温度；其特征还在于基体包括基板和沉积层两部分。
采集半径R需要根据沉积过程中的测温仪探测出来的温度分布来进行标定，一般为为聚焦光斑直径的2~5倍，这与粉料、基材、温度探测设备的量程及精度有关，其特征还在于对应标定出来的采集半径R的探测出的温度变化反应灵敏。
标定出的热累积因子XR的优秀值域为[a,b]，此时的沉积层的几何参数可保证成较好的形质量。当XR＜a时，可以通过增大激光功率或降低扫描速度等来使得XR增大；当XR＞b时，可以通过减小激光功率或提高扫描速度等来使得XR减小，这样就可以实现激光熔化沉积的在线调控，提高工艺稳定性。
实例。
试验采用基体材料为6061铝合金板材，其尺寸为 100mm×100 mm×10mm，铝合金粉末为AlSi10Mg，球形度良好，颗粒尺寸为100~150μm。试验前使用砂纸打磨基体材料表面去除氧化物和其他杂质，用无水乙醇擦去表面油污并自然干燥，铝合金粉末进行烘干处理。激光熔化沉积设备系统示意图及实物如图4所示。使用优德利UTI-260A红外成像仪来探测熔池周围的温度分布。为了探究激光熔化沉积连续扫描状态下，基体热累积对沉积层形貌的影响规律，设计了一个连续单道扫描实验。采用同样的工艺参数在基板上连续进行六道沉积扫描，搭接率为零（间距不变），每一道扫描的时间间隔不变的，扫描轨迹如图5所示，其中激光光斑（熔池中心）到达粗实线位置时，采用红外成像仪进行温度监测。
该实验的工艺参数如表1所示。
表1实例涉及实验的工艺参数。
根据上述实验方法，使用红外成像仪监测并计算得到的XR数据见图6所示，即在实验过程中，随着扫描道数的增加，XR逐渐增大，但增长幅度逐渐减小。首先，这种现象的主要原因是随着激光能量的不断输入，基体的热累积不断增加，基体温度升高，直接影响了熔池周围的温度梯度。根据XR=TR/R的定义，随着基体温度的升高，探测点温度TR随之增大，说明熔池周围基体的温度梯度在减小，熔池向基体的热传导作用变弱。
随着基体表面温度升高，基材向环境中进行的散热强度变大。随着沉积的不断推进，当沉积进行到一定阶段时，基体和沉积层通过表面辐射、对流等方式散失的热量与吸收激光束的热量基本保持平衡，熔池进入准稳态过程，即有形成基体热吸收与散失形成维持温度梯度动态平衡的趋势，XR趋于稳定。在R一定的情况下，XR值的变化可以反映出熔池周围温度梯度的变化，即基体热累积对熔池周围温度场的影响，进而表现为对沉积层形貌的影响。因此使用XR=TR/R表征基体热累积量来研究其对沉积层形貌的影响是有效的。
通过测量沉积层的几何形貌得到如图7、8所示结果，沉积层的稀释率和接触角间接反映出来基体热累积对沉积层形貌及质量的影响。接触角θ、稀释率η与基体热累积因子XR的呈线性相关，接触角θ随着XR的增大而减小，稀释率η随着XR的的增大而增大。这应该对激光熔化沉积成形质量的在线监测与实时控制提供了一个很好的切入点。通过监控XR，可以间接实现对沉积层稀释率和接触角的监控，并通过在线反馈，对激光熔化沉积的工艺参数进行实时调整和修正，从而提高加工质量。
通过测试可知此次工艺条件下，接触角在30°~40°，稀释率在40%~50%的时候沉积层之间具有较好的结合，成形质量较好，因此可以标定集体热累积因子XR的优化值域为[25,35]，单位为℃/mm，并根据此值域对此工艺条件下的铝合金激光熔化沉积成形加工进行在线调控。
根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案，且本发明为激光熔化沉积成形加工质量的在线调控提供了一种途径。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：通过对基体热累积因子XR的监控间接实现对成形质量参数变化的监控，并据此对成形工艺参数进行在线调整，使得基体热累积因子XR的值稳定在标定范围内，从而提高其工艺稳定性和加工质量。
2.根据权利要求1所述的提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：通过测温设备探测激光熔化沉积熔池扫描后沿距离为R处的温度TR，令XR=TR/R，XR即为基于采集半径R的热累积因子，在激光熔化沉积某种材料和工艺状态不变的条件下，热累积因子XR反映了某采集时刻的成形过程中基体热量累积的程度。
3.根据权利要求1和2所述的提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：针对采用同轴送粉方式的激光熔化沉积工艺，选取一定的激光功率、光斑直径、扫描速率、送粉速率工艺参数，在一块基板上连续沉积成形的过程中，采用红外测温仪等测温设备探测扫描后沿某一点的温度，测温设备与同轴送粉头保持随动，测温仪始终位于同轴送粉头扫描方向后沿。
4.根据权利要求1和2所述的提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：针对金属粉末和基材，根据不同的工艺条件对基体热累积因子XR进行样本采集，并通过几何及力学性能测试对XR进行筛选，标定XR范围。
5.根据权利要求1和2所述的提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：采用的激光光束为高斯模式，波长λ为500nm~1500nm，聚焦后扫描光斑直径Φ为0.5~10mm。
6.根据权利要求1和2所述的提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：XR采集半径R为聚焦扫描光斑直径Φ的2~5倍。
7.根据权利要求1和2所述的提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：所采用的测温设备为非接触式测温设备。
8.根据权利要求1所述的提高激光熔化沉积成形质量的方法，其特征在于：成形质量参数包括接触角、稀释率。
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