CN109996644B - 通过在线激光扫描器控制粉末床的熔化池的冷却速率的方法及直接金属激光熔化制造系统 - Google Patents

通过在线激光扫描器控制粉末床的熔化池的冷却速率的方法及直接金属激光熔化制造系统 Download PDF

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Abstract

一种控制粉末床的熔化池的冷却速率的方法，其包括：在粉末床上引导第一激光束(5)以形成熔化池；使第二激光束(6)与第一激光束(5)同轴地对准；以及，使第二激光束(6)的聚焦光斑(26)相对于熔化池横向偏移，其中，第二激光束(6)加热但不熔化聚焦光斑内的粉末。

Description

通过在线激光扫描器控制粉末床的熔化池的冷却速率的方法 及直接金属激光熔化制造系统
技术领域
本技术大体涉及直接金属激光熔化(DMLM)的使用，用于在制造或修理部件(更特别地，燃气涡轮发动机的部件)中使用。
背景技术
增材制造是一种使得能够对各种材料(包括金属、陶瓷和塑料)的部件进行“3D打印”的技术。在增材制造中，通过使用高功率激光或电子束调平金属粉末并且使粉末选择性地熔融在层内，以逐层方式构建部件。每层之后，增添更多粉末并且激光图案化下一层，同时使其熔融到先前的层以制造埋在粉末床中的完整部件。增材制造系统和处理被用以依由数字模型制造精密的三维部件。
在现有的粉末床系统中进行构建时，激光束或电子束被用以扫描一层粉末以在粉末床的层中烧结并且熔化所需图案。对于一些应用，构建可能要求数天的处理时间。DMLM的一个应用是用于飞行器的燃气涡轮发动机的翼型件的制造和修理。使用常规的铸造技术难以形成翼型件的几何形状，因而已提出使用DMLM处理或电子束熔化处理来制造翼型件。随着层被构建在彼此之上并且横截面和横截面彼此连结，可以产生带有所要求的几何形状的翼型件或其部分，诸如用于修理。翼型件可能要求后处理以提供所需结构特性。
使用DMLM处理的三维金属部件制造产生极高的温度梯度和冷却速率，其导致内部部件应力和开裂。该问题在镍基超合金之中特别普遍，镍基超合金在高温下保持高强度，因此在翼型件中受到关注。尽管需要定制的感应加热器来达到所要求的温度，但是，可以使用被加热的构建平台来完成无开裂部件制造。可以接近于熔化池使用第二激光并更改冷却速率。然而，现有的双激光构造要求独立的两套光学器件和扫描器，其昂贵且难以协调。
发明内容
根据文中公开的技术的一个示例，一种控制粉末床的熔化池的冷却速率的方法包含：在粉末床上引导第一激光束以形成熔化池；使第二激光束与第一激光束同轴地对准；以及，使第二激光束的聚焦光斑相对于熔化池横向偏移，其中，第二激光束加热但不熔化聚焦光斑内的粉末。
根据文中公开的技术的另一示例，一种直接金属激光熔化制造系统包含：至少一个激光源，其产生第一激光束和第二激光束；反射器，其能够绕着两个轴线倾斜并且被构造成反射第二激光束；束组合器，其使第一激光束通过并且反射从反射器反射的第二激光束；光学系统，其被构造成使第一激光束和第二激光束同轴地对准并且将第一激光束和第二激光束引导至粉末床，其中，第一激光束在粉末床中形成熔化池；控制器，其使反射器倾斜以使第二激光束的聚焦光斑相对于熔化池横向偏移，其中，第二激光束加热但不熔化聚焦光斑内的粉末。
根据文中公开的技术的又一示例，一种控制粉末床的熔化池的冷却速率的方法包含：在粉末床上引导激光束以形成熔化池；以及，使激光束相对于熔化池横向振荡，以控制邻近熔化池的粉末的温度。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地了解本技术的这些及其他特征、方面和优点，附图中，类似的字符在所有附图中表示类似的部件，其中：
图1示意性地图示控制直接金属激光熔化增材制造的冷却速率的在线(in-line)激光扫描器；
图2示意性地图示控制直接金属激光熔化增材制造的冷却速率的在线激光扫描；
图3示意性地图示在直接金属激光熔化制造期间两个激光光斑之间或单个激光光斑的两个状态之间的关系；以及
图4示意性地图示在直接金属激光熔化制造期间单个激光光斑或多个激光光斑可以跟随的图案。
具体实施方式
参考图1，控制DMLM制造处理的冷却速率的在线扫描器系统2包含第一激光源4和第二激光源6。第一激光源4提供第一激光束5，第二激光源6提供第二激光束7。第一激光束5可以称为熔化池激光束或主要焊接激光束，第二激光束7可以称为加热激光束。在线扫描器系统2可以进一步包含用于第一激光束5的第一透镜8和用于第二激光束7的第二透镜10。两轴偏斜/倾斜反射器或反射镜14将第二激光束7引导到束组合器16。反射器或反射镜14可以是压电致动的。应当理解，反射器14可以是MEMS反射镜(静电)或声光(衍射)元件或电光偏转器。应当进一步理解，反射器14也可以是束组合器16后面的振镜扫描器(旋转马达)。第一激光束5穿过束组合器16，第二激光束7被束组合器16反射。
通过反射偏离偏斜/倾斜反射器14和束组合器16，第二激光束7与第一激光束5同轴地对准。偏斜/倾斜反射器14可以在数kHz下将第二激光束7的准直束路径更改十分之几度(即，在0.1°的量级)。束组合器16可以是二向色束组合器，并且在反射第二激光束7用于加热时，使第一激光束5通过。如果第一激光源4和第二激光源6是不同的波长，则二向色束组合器是适当的。如果第一激光源4和第二激光源6是相同的波长并具有正交偏振，则可以使用偏振相关的束组合器。两个同轴激光束5，7行进通过共享光学和扫描器系统12，使用第一焦距透镜18、第二焦距透镜20和检流计扫描头22，共享光学和扫描器系统12使第一激光光斑24(来自第一激光束5)和第二激光光斑26(来自第二激光束7)聚焦并且引导至粉末床。
反射器14的小倾斜角度提供聚焦光斑26相对于通过第一激光光斑24形成的在粉末床30中的焊接或熔化池32位置以及通过第二激光光斑26形成的受控冷却区36的横向偏移，如图2所示。应当理解，受控热区36可以沿着图案34跟随或引导熔化池32。在受控冷却区36引导熔化池32的情况下，第二激光光斑26被用以在熔化之前预加热粉末。在受控冷却区36尾随熔化池32的情况下，第二激光光斑26被用以控制熔化池32中粉末的固化。在任一情况下，增添的热量导致在固化期间以及紧接在固化之后焊接池的冷却速率皆实质减小。
参考图3，由于经过共享光学和扫描器系统12的长焦距透镜18，20的角度放大，小到0.1°的倾斜角度可以使二级光斑26偏移多达1mm的距离D3。同轴地组合两个激光束5、7生成以焊接池32为中心的局部坐标系。这消除了当使用两个分离但校准的扫描头时发生的具有两个坐标系的情况。第一激光光斑24可以具有第一直径D1，第二激光光斑26可以具有第二直径D2。第二直径D2可以是第一直径D1的1-10倍。第二激光光斑26的功率和/或功率密度还可以与第一激光光斑24不同。
反射器14可以在数kHz下被动态地驱动，其比检流计扫描器快至少一个数量级(即，至少10倍)，虽然在相比较小的运动范围内。快速倾斜角度调节可以被用以围绕焊接池32产生扫描图案34，以在受控冷却区36中生成定制的加热图案，以更改冷却速率。该图案34可以引导或跟随熔化池32。用于粉末熔融的高功率激光也可以以kHz速率调制，增添了与围绕熔化池32的受热区块(如，图案34)配合地动态改变激光功率的额外机会。
替换性地，通过配合地动态倾斜反射器14和检流计扫描头22，单个激光可以被用于粉末熔融和受控冷却两者。激光输出功率也可以以kHz速率更改，并且可以连同反射镜倾斜一起调整。通过消除第一激光、仅使用第二激光源6并且以获得受控冷却区的方式使第二激光束7反射偏离反射器14，可以实现单个激光的使用。例如，第二激光束7可以被用以在第一方向上在粉末床上提供激光光斑26以预加热粉末，然后可以通过使反射器14沿与第一方向相反的第二方向倾斜来移动激光光斑26，以在预加热粉末中形成熔化池。作为另一示例，第二激光光斑26可以在第一方向上移动以形成熔化池，然后第二激光光斑可以在与第一方向相反的第二方向上移动，以控制熔化池的冷却速率。应当理解，激光光斑26在相反方向上的路径不需要是准确相反的，即，第一方向的镜像。例如，如图3所示，图案34可以具有Z字形构造，并且激光光斑26可以在第一方向上沿直线移动，并且在第二方向上跟随图案34，反之亦然。还应当理解，可以控制激光光斑26或激光光斑24，26的图案以跟随其他图案，诸如如图4所示的摇摆图案38。应当进一步理解，激光光斑的移动必须以非常高的速率发生，基本上围绕或绕着熔化池振荡。
控制器28可以控制每个激光源4、6和每个激光束5、7。控制器28还可以控制反射器14和共享光学和扫描器系统12。控制器可以控制第一激光束5和第二激光束7的功率、轮廓和持续时间，以及当关闭时每个激光源4、6的功率减少的速率。对粉末(例如，在待修理的翼型件上面)的给定层，激活激光源4、6以按照CAD设计使粉末熔化成所需形状，CAD设计可以被输入和/或存储在控制器28中。只要必要，该处理可以重复许多次以构建起所要求的区域。在系统被用以制备部件(如，翼型件)的情况下，该处理可以根据需要重复许多次以构建部件。控制器28还可以控制致动器以在粉末层被增添并随后通过激光束5、7处理时向下移动粉末床30的支撑件。所形成的每一层例如可以是大约1μm到大约1mm厚。在修理翼型件的情况下，每一层例如可以形成为大约10-100μm厚。
控制器28可以是计算机处理器或其他基于逻辑的设备，软件部件(如，软件应用)，与/或，硬件部件和软件部件的组合(如，计算机处理器或其他基于逻辑的设备及关联软件应用，计算机处理器，或，具有硬布线控制指令的其他基于逻辑的设备，等等)。
反射器14可以通过控制器28控制，以控制靠近或邻近于熔化池32的粉末的温度，以更改熔化粉末的冷却速率。控制器28还可以控制第二激光源6和第二激光束7，以及反射器14，以预加热粉末床30和/或待修理的部件。第二激光束7的预加热功率密度可以选自大约10-100,000瓦/cm2。通过预加热粉末床30和/或部件与/或加热靠近或邻近于熔化区域的区域，可以将热梯度控制为实质上仅在与粉末床垂直的方向上。这将减少对快速固化冷却速率敏感的材料中的开裂。随着粉末床层的平面冷却，可以能够获得与层表面垂直的理想晶粒生长。这允许形成具有翼型件型结构的构建修理的定向固化(DS)型晶粒结构或单晶结构。还应当理解，可以控制第一激光源4和第一激光束5来加热粉末床30，以控制熔化池32的温度和温度梯度。控制熔化区域的温度和温度梯度例如允许对粉末蒸发、固化层的晶粒结构与/或修理或部件的表面抛光的控制。每一构建层的2D平面中的冷却速率的空间控制允许控制每一构建层的晶粒结构，以及在构建层被增添以形成构建时35中的晶粒结构。每一构建层的2D平面中的冷却速率的空间控制还使得能够对将形成3D构建或部件的表面的容积进行特殊处理。这允许对在表面处的表面粗糙度和密度(孔隙率)的控制，这可以改善部件的机械性能，例如疲劳。
粉末床30中的材料可以是金属粉末，例如，镍或钴或铁基超合金。例如，粉末可以是CoCrMo粉末。粉末床的颗粒的直径例如可以选自10-100μm，例如，选自40-60μm。应当理解，其他材料，例如塑料、陶瓷或玻璃可以被用于粉末床。依托于粉末床中的材料，焊接激光束5的功率可以选自大约100到大约1000瓦。
冷却速率减慢导致使用DMLM制造的部件内的应力减小。第二激光束7与偏斜/倾斜反射器14同轴地对准使第二光斑26能够使用同一套扫描光学器件12围绕熔化池32而被投射。因为压电镜比振镜扫描器快10倍以上，所以，可以靠近焊接池32应用定制的加热图案，而这由于检流计固有的较慢响应，使用第二独立激光源是不可能的。
反射器14可以倾斜少于0.25°，以使冷却光斑26横向偏移并且可以比振镜扫描头快10倍以上地操作。压电镜的高速度可以使单个激光能够被使用于粉末熔融和受控冷却两者。该构造减少部件成本并且提供围绕熔化池32产生独特的局部冷却图案34的新机会。该技术可以经过商用现成品部件来实施，并适配于各种DMLM机器。
受控冷却速率使合金中的无开裂部件成为可能，并且已被申请人经过平台加热证实，无开裂部件不可以经由DMLM常规处理。文中公开的技术适用于任何商用DMLM系统，并且可以以超出第二激光源的最小的添加系统成本减少部件应力、开裂和变形。由于第二激光控制冷却速率而非依托于平台加热器来达到热平衡，所以，可以减少粉末重涂布之间的时间。
尽管本技术可以适用于对部件的修理功能，但是，应当理解，本技术适用于新制作部件的增材制造构建。
应要了解，根据任何特定示例，可以不必获得上述所有这些目的或优点。因而，例如，本领域技术人员将认识到，文中描述的系统和技术可以以获得或优化如文中所教导的一个优点或一组优点的方式具体化或实行，而不必获得如文中可以教导或表明的其他目的或优点。
虽然文中仅图示和描述了本技术的某些特征，但是，本领域技术人员将容易想到许多修改和改变。因此，应要理解，所附权利要求旨在涵盖所有这些修改和改变。

Claims (23)

1.一种控制粉末床的熔化池的冷却速率的方法，其特征在于，包含：
在所述粉末床上引导第一激光束以形成熔化池；
使第二激光束与所述第一激光束同轴地对准；
使所述第二激光束的聚焦光斑相对于所述熔化池横向偏移，其中，所述第二激光束加热，但不熔化所述聚焦光斑内的粉末，其中，所述第二激光束引导通过所述第一激光束形成的所述熔化池；以及
至少部分地通过以围绕所述熔化池的图案使所述第二激光束的所述聚焦光斑横向偏移来扫描所述第一激光束和相对所述粉末床横向偏移的所述第二激光束，其中，所述图案包括所述第二激光束在引导和尾随所述熔化池之间交替的摇摆图案。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，使所述第二激光束横向偏移包含：使所述第二激光束反射偏离能够绕着两个轴线倾斜的反射器。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，所述反射器是压电致动反射镜、MEMS反射镜、声光偏转器、电光偏转器或振镜扫描器。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，使所述第二激光束与所述第一激光束同轴地对准包含：使所述第一激光束经过束组合器，并且使从所述反射器反射的所述第二激光束反射偏离所述束组合器，并且使所述第一激光束和所述第二激光束经过共享光学系统。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中，所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的波长，并且所述束组合器是二向色束组合器。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中，所述第一激光束和所述第二激光束具有相同的波长并具有正交偏振，并且所述束组合器是偏振相关的束组合器。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包含：
在使所述反射器倾斜时，调节所述第一激光束或所述第二激光束中的至少一个激光束的功率和/或功率密度。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，使所述第二激光束反射偏离所述反射器包含：使所述反射器在0.1°和0.25°之间倾斜。
9.一种直接金属激光熔化制造系统，其特征在于，包含：
至少一个激光源，所述至少一个激光源产生第一激光束和第二激光束；
反射器，所述反射器能够绕着两个轴线倾斜，并且被构造成反射所述第二激光束；
束组合器，所述束组合器使所述第一激光束通过并且反射从所述反射器反射的所述第二激光束；
光学系统，所述光学系统被构造成使所述第一激光束和所述第二激光束同轴地对准，并且将所述第一激光束和所述第二激光束引导到粉末床，其中，所述第一激光束在所述粉末床中形成熔化池；
控制器，所述控制器使所述反射器倾斜以使所述第二激光束的聚焦光斑相对于所述熔化池横向偏移，其中，所述第二激光束加热，但不熔化所述聚焦光斑内的粉末，其中，所述第二激光束引导通过所述第一激光束形成的所述熔化池；以及
扫描器，所述扫描器被构造成至少部分地通过以围绕所述熔化池的图案使所述第二激光束的所述聚焦光斑横向偏移来扫描所述第一激光束和相对所述粉末床横向偏移的所述第二激光束，其中，所述图案包括所述第二激光束在引导和尾随所述熔化池之间交替的摇摆图案。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，所述第一激光束和所述第二激光束具有不同的波长，并且所述束组合器是二向色束组合器。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，所述第一激光束和所述第二激光束具有相同的波长并具有正交偏振，并且所述束组合器是偏振相关的束组合器。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，在使所述反射器倾斜时，所述控制器调节所述第一激光束或所述第二激光束中的至少一个激光束的功率。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，所述控制器使所述反射器在0.1°和0.25°之间倾斜。
14.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，所述至少一个激光源以10到60瓦的功率产生所述第一激光束和所述第二激光束。
15.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，所述控制器使所述反射器倾斜，以使所述第二激光束的所述聚焦光斑偏移达到0.1mm。
16.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，所述反射器包含：压电致动反射镜、MEMS反射镜、声光偏转器、电光偏转器或振镜扫描器。
17.一种控制粉末床的熔化池的冷却速率的方法，其特征在于，包含：
在所述粉末床上引导激光束以形成熔化池；
使所述激光束相对于所述熔化池横向振荡，以控制邻近所述熔化池的粉末的温度，其中，所述激光束引导所述熔化池；以及
相对所述粉末床扫描所述激光束，并使所述激光束以围绕所述熔化池的图案横向振荡，其中，所述图案包括所述激光束在引导和尾随所述熔化池之间交替的摇摆图案。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，其中，使所述激光束横向振荡包含：使所述激光束反射偏离能够绕着两个轴线倾斜的反射器。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，其中，在扫描所述激光束时，使所述激光束从所述熔化池横向振荡到所述熔化池后面的点。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，其中，在扫描所述激光束时，使所述激光束从所述熔化池横向振荡到所述熔化池前面的点。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包含：
在使所述反射器倾斜时，调节所述激光束的功率和/或功率密度。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，其中，使所述激光束反射偏离所述反射器包含：使所述反射器在0.1°和0.25°之间倾斜。
23.如权利要求18所述的方法，其特征在于，其中，所述反射器包含：压电致动反射镜、MEMS反射镜、声光偏转器、电光偏转器或振镜扫描器。
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