CN111702177A - 一种制备性能梯度金属结构的增材制造设备以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备性能梯度金属结构的增材制造设备以及方法；该设备包括能量发射装置，扫描装置，成型平台，腔室压力调节装置，设备腔室，实验控制系统。腔室压力调节装置包括压缩瓶装气体、真空泵、气压检测件、增压阀、真空泵阀和气流过滤装置；根据实时设定的气压值和气压检测件的测量数据，实验控制系统通过控制增压阀和真空泵阀往设备腔室输入保护气体或者排出设备腔室内的气体，以调节设备腔室的压力状态。在成形同一金属结构的不同部位时，通过实时调整设备腔室压力状态,控制原材料中不同元素蒸发效应，从而达到控制成型结构材料成分、性能的目的；可满足不同部位特殊性能要求以及局部轻量化需求，实现性能梯度金属结构制备。

Description

一种制备性能梯度金属结构的增材制造设备以及方法

技术领域

本发明属于金属熔化增材制造相关技术领域，涉及一种制备性能梯度金属结构的增材制造设备以及方法；尤其涉及一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备以及方法，适合于各种合金和复合材料，尤其是由不同饱和蒸汽压元素组成的复合材料。

背景技术

性能梯度金属结构是一种成分、组织或相逐渐向另一成分、组织或相过渡的结构。这种结构能满足金属结构不同部位、不同区域的特殊性能要求，提高材料的性能利用率，充分发挥各部分性能，同时能满足对金属结构的局部轻量化需求，在航空航天等领域具有很广阔的应用前景。

性能梯度金属结构可以通过金属熔化增材制造方法进行制备，结合增材制造快速精密制造出任意复杂形状零件的优势，可以制备出形状复杂的性能梯度结构。现有的梯度结构增材制造方法通过改变粉/丝材的成分来进行性能调整；更换材料的过程繁琐，工艺耗时长，限制了该制备方法的应用和发展。

本发明提供了一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备以及方法，实现了工艺的有效集成。饱和蒸汽压较高的元素如Mg元素，容易在成型过程钟发生蒸发损失；正压状态下成型能减少元素的蒸发效应，负压状态下成型能增强元素的蒸发效应。通过实时调整成型腔室的压力状态，可以控制原材料中不同元素的蒸发效应，从而达到控制成型结构的材料成分、最后控制其性能的目的，可以实现性能梯度金属结构的制备。

发明内容

针对现有技术的改进需求，本发明提供一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的增材制造设备以及方法；适合于各种合金和复合材料、尤其是由不同饱和蒸汽压元素组成的复合材料。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备，所述增材制造设备包括：

能量发射装置10-1，与扫描装置10-2相连接，提供能量束10-3进入扫描装置10-2；

扫描装置10-2，设置在成型平台20上方，使能量束10-3作用于成型平台20上的成型基板20-3上；

成型平台20，还包括金属原料输送装置，成型过程中，金属原料输送装置将金属原料转移到成型平台20上的成型基板20-3上；

腔室压力调节装置30，核心部件包括：

-压缩瓶装气体30-1，通过管道与增压阀30-4相连，用于往设备腔室40输入保护气体以满足正压需求，

-真空泵30-2，通过管道与真空泵阀30-5相连，用于排出设备腔室40内的气体以满足负压需求，

-气压检测件30-3，用于检测设备腔室40内的气压，并将测量数据传输给实验控制系统50，

-增压阀30-4，往设备腔室40输入保护气体的控制附件，

-真空泵阀30-5，排出设备腔室40内气体的控制附件，

-气流过滤装置30-6，通过管道依次与真空泵30-2、真空泵阀30-5相连，过滤从设备腔室40排出的气体、处理后向空气排出，

设备腔室40，能量发射装置10-1、扫描装置10-2、成型平台20以及气压检测件30-3封装于设备腔室40中；

实验控制系统50；分别与能量发射装置10-1、扫描装置10-2、成型平台20以及腔室压力调节装置30连接；在成型过程中，实验控制系统50通过腔室压力调节装置30根据成型需要实时调节设备腔室40的压力为正压状态或负压状态。

该实验控制系统50实现了有效集成，在打印过程中，根据实验所需压力值可以实时调整设备腔室40内气压的实时状态，可以控制原材料中不同元素的蒸发效应，从而控制成型结构的材料成分、性能，制备性能梯度金属结构。

作为本发明的一个实施方案，能量发射装置10-1的能量源为单模激光、多模激光、电子束、等离子束或电弧。能量发射装置10-1可以提供持续稳定的不同输出功率、不同束斑直径的能量束；能量源参数可以通过实验控制系统50实时调整。

作为本发明的一个实施方案，扫描装置10-2的核心器件是扫描振镜和动态聚焦透镜，所述扫描振镜对成型基板20-3上目标区域的X-Y平面二维扫描，所述动态聚焦透镜使能量束10-3形成聚焦光斑作用于成型平台20上的成型基板20-3上。

作为本发明的一个实施方案，扫描装置10-2的扫描速度、扫描策略等扫描参数以及能量束10-3与金属原料相互作用时的焦距等通过实验控制系统50实时调整。

作为本发明的一个实施方案，成型平台20为粉床铺粉式、同步送粉式或同步送丝式的成型平台。

粉床铺粉式的成型平台适用于如激光选择性烧结、激光选区熔化技术和电子束选区熔化技术的金属熔化增材制造。

同步送粉式/送丝式的成型平台适用于如激光立体成形、电子束熔丝沉积和电弧增材制造技术金属熔化增材制造。

铺粉/送粉/送丝的参数可以通过实验控制系统50实时调整。

作为本发明的一个实施方案，根据成型需要，在成型过程中实时调整设备腔室40的压力状态，压力范围从极限真空(无限接近于理论真空)到100个标准大气压。

作为本发明的一个实施方案，根据实验设定数值以及所述气压检测件30-3的测量数据，实验控制系统50控制所述增压阀30-4以及真空泵阀30-5的动作，在正压需求时通过压缩瓶装气体30-1往所述设备腔室40输入适量保护气体，在负压需求时通过真空泵阀30-5排出设备腔室40内的气体，以调节设备腔室40的压力状态。

作为本发明的一个实施方案，增材制造过程中，实验控制系统50根据实验所需压力值实时调整设备腔室40内气压的实时状态；通过实时调整设备腔室40的压力状态,控制原材料中不同元素的蒸发效应，从而控制成型结构的材料成分、性能，制备性能梯度金属结构。

作为本发明的一个实施方案，输入保护气体为氮气、氩气、二氧化碳等可以作为正压状态使用的保护气体。气体材料根据实际材料以及实际实验条件可以进行优化。

作为本发明的一个实施方案，制作设备腔室40的材料可以承受根据实验需求的压力状态。

本发明的另一方面在于提供一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，提供前述的金属熔化增材制造设备，并向所述金属原料输送装置添加原料粉末/丝材，封闭设备腔室40；

步骤二，启动实验控制系统50和腔室压力调节装置30，对所述设备腔室40根据气压要求通入保护气体(正压需求)或者排出气体(负压需求)以调节设备腔室40内的气体压力，达到所需的压力状态；

步骤三，启动能量发射装置10-1、扫描装置10-2、成型平台20；成型过程中，金属原料输送装置将金属原料转移到成型基板20-3上，能量束10-3照射在金属原料上，金属原料熔化成熔体，能量束10-3移开后，所述熔体凝固；

步骤四，根据同一金属结构的不同部位的性能要求，通过实验控制系统50实时调整设备腔室的压力状态；

步骤五，重复步骤二、步骤三及步骤四，直至待制造零件制造完成。由于打印不同部位过程中所采用的压力值不同，制备得到的零件不同的部位具有不同的成分和性能，具备性能梯度特性。

通过本发明的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供的一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备及方法实现了有效集成，在成形同一金属结构的不同部位时，通过实时调整设备腔室的压力状态,可以控制原材料中不同元素的蒸发效应，从而达到控制成型结构的材料成分、性能的目的；可以满足不同部位的特殊性能要求，充分发挥零件的各部分性能，实现性能梯度金属结构的制备。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明提供的一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备(粉床铺粉式)的结构示意图；

图2是本发明提供的一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备(同步送粉式)的结构示意图；

图3是本发明提供的一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备(同步送丝式)的结构示意图；

其中，能量提供平台10，能量发射装置10-1，扫描装置10-2，能量束10-3；成型平台20，工作台20-1，基板固定装置20-2，成型基板20-3，粉末原料缸20-4，粉末流输送装置20-4′，丝材输送装置20-4″，滚筒20-5；腔室压力调节装置30，压缩瓶装气体30-1，真空泵30-2，气压检测件30-3，增压阀30-4，真空泵阀30-5，气流过滤装置30-6；设备腔室40；实验控制系统50。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明提供的一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备(粉床铺粉式)的结构示意图。该增材制造设备包括能量发射装置10-1，扫描装置10-2，成型平台20，腔室压力调节装置30，设备腔室40，实验控制系统50；能量发射装置10-1、扫描装置10-2、成型平台20以及腔室压力调节装置30分别连接于实验控制系统50，由实验控制系统50进行控制。

在能量发射装置10-1中，能量源可以是单模或多模激光，也可以是电子束、等离子束或电弧；用于提供持续稳定的不同输出功率、不同束斑直径的能量束。能量源参数可以通过实验控制系统50实时调整。

能量发射装置10-1的能量束进入扫描装置10-2，扫描装置10-2的核心器件是扫描振镜以及动态聚焦透镜，扫描振镜用于实现对目标区域的X-Y平面二维扫描，而动态聚焦透镜是使能量束能够形成均匀大小的聚焦光斑，最终能量束照在扫描装置下方的成型基板20-3上。扫描速度、扫描策略等扫描参数以及能量束与原料相互作用时的焦距等可以通过实验控制系统50实时调整。

成型平台20包括工作台20-1，基板固定装置20-2，成型基板20-3，粉末原料缸20-4和滚筒20-5。粉末原料缸20-4、基板固定装置20-2与工作台20-1相连；成型基板20-3位于基板固定装置20-2上方，其中成型基板20-3的下表面与基板固定装置20-2的上表面通过活塞连接；成型过程中，滚筒20-5将原料粉末从粉末原料杠20-4转移到成型基板20-3上。

腔室压力调节装置30的核心部件包括压缩瓶装气体30-1、真空泵30-2、气压检测件30-3、增压阀30-4、真空泵阀30-5以及气流过滤装置30-6。压缩瓶装气体30-1通过管道与增压阀30-4相连，用于往设备腔室40输入保护气体以满足正压需求；真空泵30-2通过管道与真空泵阀30-5相连，用于排出设备腔室40内的气体以满足负压需求；气压检测件30-3用于检测设备腔室40内的气压，并将测量数据传输给实验控制系统50；增压阀30-4是往设备腔室40输入保护气体的控制附件；真空泵阀30-5是排出设备腔室40内气体的控制附件；气流过滤装置30-6通过管道与真空泵阀30-5相连，过滤从设备腔室40排出的气体、处理后向空气排出。

压缩瓶装气体30-1、真空泵30-2以及气流过滤装置30-6为外置设备，压缩瓶装气体30-1通过管道与增压阀30-4相连，真空泵30-2与真空泵阀30-5相连，气流过滤装置30-6与真空泵30-2相连；增压阀30-4和真空泵阀30-5置于设备腔室40的壁上，气压检测件30-3置于设备腔室40内，三者均与实验控制系统50相连受实验控制系统50的控制。

根据实验设定数值以及气压检测件30-3的测量数据，实验控制系统50控制增压阀30-4和真空泵阀30-5的动作，往设备腔室40输入适量保护气体，同时在某些情况适量排出设备腔室40内的气体，以调节设备腔室40的压力状态。根据打印需要，在打印过程中可以实时调整设备腔室40的压力状态，压力范围为1个标准大气压到100个标准大气压。通入的气体为氮气、氩气、二氧化碳等可以作为正压状态使用的保护气体；气体材料根据实际材料以及实际实验条件可以进行优化。

根据实验设定数值以及所述气压检测件30-3的测量数据，实验控制系统50控制所述增压阀30-4以及真空泵阀30-5的动作，在正压需求时通过压缩瓶装气体30-1往所述设备腔室40输入适量保护气体，在负压需求时通过真空泵阀30-5排出设备腔室40内的气体，以调节设备腔室40的压力状态。

制作设备腔室40的材料可以承受根据实验需求的压力状态，能量发射装置10-1、扫描装置10-2、成型平台20以及气压检测件30-3封装于设备腔室40中。

图2、图3分别是本发明提供的基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的同步送粉式、同步送丝式的金属熔化增材制造设备的结构示意图。图2、图3展示的装置与图1的装置区别只在于原料提供的方式不同：同步送粉式的金属熔化增材制造设备，成型过程中是通过粉末流输送装置20-4′同步将金属粉末转移到成型基板20-3上；而同步送丝式的金属熔化增材制造设备，成型过程中是通过丝材输送装置20-4″同步将金属丝材转移到成型基板20-3上。

本实施方法中，实验控制系统实现了有效集成，在成形同一金属结构的不同部位时，通过实时调整设备腔室的压力状态,可以控制原材料中不同元素的蒸发效应，从而达到控制成型结构的材料成分、性能的目的；可以满足不同部位的特殊性能要求，充分发挥零件的各部分性能，实现性能梯度金属结构的制备。

本实施例还提供了一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造方法，增材制造方法主要包括以下步骤：

步骤一，提供一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备(粉床铺粉式)，并向增材制造设备添加AlSi₁₀Mg原料粉末及封闭成形腔；该原料粉末中，Mg为饱和蒸汽压较高的元素，可以增强成形结构的力学性能。

步骤二，若打印的部位对力学性能的要求高，则采用高压打印以减少Mg的蒸发，即需要对设备腔室通入氮气以达到正压需求；若打印的部位对力学性能的要求低，则采用低压打印以增强Mg的蒸发，即需要排出设备腔室的气体以达到负压需求；压力值根据实际零件部位的目标成分和性能要求来进行调整。

步骤三，能量发射装置、扫描装置、成型平台开始工作，能量束照射在原料上，原料熔化成熔体，能量束移开后，熔体凝固。

步骤四，重复步骤二及步骤三，直至待制造零件制造完成。由于打印不同部位过程中所采用的压力值不同，制备得到的零件不同的部位具有不同的成分和性能，具备性能梯度特性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备，其特征在于，所述增材制造设备包括：

能量发射装置(10-1)，与扫描装置(10-2)相连接，提供能量束(10-3)进入扫描装置(10-2)；

扫描装置(10-2)，设置在成型平台(20)上方，使能量束(10-3)作用于成型平台(20)上的成型基板(20-3)上；

成型平台(20)，还包括金属原料输送装置，成型过程中，金属原料输送装置将金属原料转移到成型平台(20)上的成型基板(20-3)上；

腔室压力调节装置(30)，核心部件包括：

-压缩瓶装气体(30-1)，通过管道与增压阀(30-4)相连，用于往设备腔室(40)输入保护气体以满足正压需求，

-真空泵(30-2)，通过管道与真空泵阀(30-5)相连，用于排出设备腔室(40)内的气体以满足负压需求，

-气压检测件(30-3)，用于检测设备腔室(40)内的气压，并将测量数据传输给实验控制系统(50)，

-增压阀(30-4)，往设备腔室(40)输入保护气体的控制附件，

-真空泵阀(30-5)，排出设备腔室(40)内气体的控制附件，

-气流过滤装置(30-6)，通过管道依次与真空泵(30-2)、真空泵阀(30-5)相连，过滤从设备腔室(40)排出的气体、处理后向空气排出，

设备腔室(40)，能量发射装置(10-1)、扫描装置(10-2)、成型平台(20)以及气压检测件(30-3)封装于设备腔室(40)中；

实验控制系统(50)分别与能量发射装置(10-1)、扫描装置(10-2)、成型平台(20)以及腔室压力调节装置(30)连接；在成型过程中，实验控制系统(50)通过腔室压力调节装置(30)根据成型需要实时调节设备腔室(40)的压力为正压状态或负压状态。

2.根据权利要求1所述的基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备，其特征在于，能量发射装置(10-1)的能量源为单模激光、多模激光、电子束、等离子束或电弧。

3.根据权利要求1所述的基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备，其特征在于，扫描装置(10-2)的核心器件是扫描振镜和动态聚焦透镜，所述扫描振镜对成型基板(20-3)上目标区域的X-Y平面二维扫描，所述动态聚焦透镜使能量束(10-3)形成聚焦光斑作用于成型平台(20)上的成型基板(20-3)上。

4.根据权利要求1所述的基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备，其特征在于，成型平台(20)为粉床铺粉式、同步送粉式或同步送丝式的成型平台。

5.根据权利要求1所述的基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备，其特征在于，根据成型需要，在成型过程中实时调整设备腔室(40)的压力状态，压力范围从极限真空到100个标准大气压。

6.根据权利要求1所述的基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备，其特征在于，根据实验设定数值以及所述气压检测件(30-3)的测量数据，实验控制系统(50)控制所述增压阀(30-4)以及真空泵阀(30-5)的动作，在正压需求时通过压缩瓶装气体(30-1)往所述设备腔室(40)输入适量保护气体，在负压需求时通过真空泵阀(30-5)排出设备腔室(40)内的气体，以调节设备腔室(40)的压力状态。

7.根据权利要求1所述的基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备，其特征在于，增材制造过程中，实验控制系统(50)根据实验所需压力值实时调整设备腔室(40)内气压的实时状态；通过实时调整设备腔室(40)的压力状态,控制原材料中不同元素的蒸发效应，从而控制成型结构的材料成分、性能，制备性能梯度金属结构。

8.根据权利要求1所述的基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造设备，其特征在于，输入的保护气体为氮气、氩气或二氧化碳。

9.一种基于调整环境压力制备性能梯度金属结构的金属熔化增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一，提供如权利要求1-8中任一项所述的金属熔化增材制造设备，并向所述金属原料输送装置添加原料粉末/丝材，封闭设备腔室(40)；

步骤二，启动实验控制系统(50)和腔室压力调节装置(30)，对所述设备腔室(40)根据气压要求通入保护气体或者排出气体以调节设备腔室(40)内的气体压力，达到所需的压力状态；

步骤三，启动能量发射装置(10-1)、扫描装置(10-2)、成型平台(20)；金属原料输送装置将金属原料转移到成型基板(20-3)上，能量束(10-3)照射在金属原料上，金属原料熔化成熔体，能量束(10-3)移开后，所述熔体凝固；

步骤四，根据同一金属结构的不同部位的性能要求，通过实验控制系统(50)实时调整设备腔室的压力状态；

步骤五，重复步骤二、步骤三及步骤四，直至待制造零件制造完成。

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