CN112024875A - 一种粉末床同步加热熔化增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种粉末床同步加热熔化增材制造方法，用以实现在真空环境及高粉末床温度条件下的材料增材制造。本方法通过在进行选择性熔化沉积成形零件截面的同时，对非零件截面区域进行同步的电子束加热，保持了非零件截面区域的粉末床温度，避免了粉末床温度的大幅波动，保证了电子束在粉末床不同位置单位面积上停留的时间相等，以使预热区域不同位置接收到电子束的能量密度相等、预热区域不同位置的温度均匀，从而增强了粉末床熔融技术中粉末床温度这一关键工艺参数的稳定性和一致性，进而降低了成形零件的热应力，提高了成形零件性能的一致性，为难熔、难焊、脆性材料增材制造创造条件。

Description

一种粉末床同步加热熔化增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种粉末床同步加热熔化增材制造方法，用以实现在真空环境及高粉末床温度条件下的材料增材制造。

背景技术

零件增材制造中的粉末床熔融技术在复杂结构零件的成形和特殊材料的成形方面有很大的优势。该工艺通常采用高能电子束或者激光束作为热源，逐层烧结或熔化材料，使材料逐层堆积成形。典型的工艺有激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)和电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)。

其中，激光选区熔化技术制件的精度较高、表面粗糙度较小。但由于激光选区熔化技术通常无预热过程，且材料对激光的吸收率较低，成形区域的温度较低。导致成形过程中工件的热应力较高，容易产生变形和热应力积累，难以应用于对应力敏感的脆性材料和难焊材料的增材制造。

而当前的电子束选区熔化技术中虽然有预热过程，但对粉末床的预热和熔化成形通常采用同一个电子束聚焦扫描发射装置。由于预热扫描过程需要大功率散焦状态下的电子束流，而成形扫描过程需要中小功率聚焦状态下的电子束流，因此对粉末床的电子束预热和熔化沉积都是独立进行的，即当粉末床被大功率散焦状态下的电子束预热到一定温度时，电子枪切换到中小功率聚焦状态进行熔化沉积成形；待新的粉末层铺好后，电子枪再切换到大功率散焦状态进行预热扫描，熔池反复致使完成零件的成形。可见，现有技术在熔化成形零件时没有对粉末床的预热或预热，由于总输入能量和扫描区域的减小，粉末床不可避免地会出现降温，温度出现波动，进而引起制件的热应力，同时也迫使提高粉末床的预热温度，以保证粉末床的温度始终高于设定的最低成形温度。这对于一些应力敏感材料的成形，无形中延长了预热过程的时间，降低了成形效率。

当前已有专利提出了在熔化成形时同时进行预热或加热的方法，如美国专利US2017/0173883 A1公开了一种利用在成形区域上偏置一定角度的两个激光扫描装置，对成形区域进行预热和熔化扫描。但由于材料对激光能量吸收率一般都较低，其公开的预热与熔化扫描的同步方法主要是跟随方法，即用于预热的较大光斑始终保持在用于熔化的较小光斑的前方或后方一定距离，或用于熔化的小光斑始终处于用于预热的大光斑内。这种方法只能在熔化材料的前后一段时间内加热粉末床，由于预热和熔化都处于扫描过程中，一方面不能保证粉末熔化区域附近的温度精确控制；另一方面当熔化位置移开后，原先预热/熔化区域的温度又会迅速下降，无法避免热应力的产生。

中国专利(申请号：201780033910.1，申请公布号CN 109311227 A)公开了一种基于粉末床熔融的选择型射束层叠造型方法及装置。该方法也是一种预热与熔化扫描同步跟随的方法，其指定的加热用射束为圆形或者矩形且比熔化用射束低，只是局部与造型射束移动加热，因此难以达到整体粉末床高温预热效果，实验验证需要大电流散焦高功率电子束在真空下预热才能达到高温预热效果，预热束流功率应高于成形束流，方可应用于难熔、难焊、脆性材料等的成形。

欧洲专利(EP 3 498 401 A1)公布了一种利用激光预热的制造方法，该方法利用一束激光预热，另一束激光熔化成形，并基于对第一束预热激光加热温度的测量，调整第二束激光的功率以保证充分熔化粉末。实质上也是一种跟随预热、熔化的方法，只考虑了熔化附近的温度，而没有考虑整体的粉末床温度。因此，难以避免成形过程中出现较大的热应力。另外，由于材料对激光能量的吸收率较低且不稳定，不同材料对激光能量的吸收率不尽相同，因此利用激光加热粉末床的效率较低，特别是对反射能力较强的材料，难以获得有效的预热效果。

因此，中国专利(CN 106564187 B)公布了一种利用与粉末的吸收率相匹配的单一波长的激光束，经均匀化和发散后对粉末床进行预热的方法，来制造三维物体。该方法中可以利用激光包括：波长808nm、940nm或920nm的半导体激光器；波长1000nm的光纤激光器和波长532nm或1064nm的固体激光器。由于目前单一波长的激光种类有限，可选的波长有限；而且即使是较为匹配的短波长(约500nm)，吸收率也只有40％-60％，而且这些波长的激光器功率一般都较小，难以满足高温(大于800℃)粉末床的加热需要，无法满足难熔、难焊、脆性材料的成形需要。

国际专利(WO2019136523A1，PCT/AU20 19/0500 13)公布了一种增加紫外线和红外光照射的电子束增材制造装置。其中紫外激光用于激发在粉末床上激发出电荷，而红外激光则用来加热粉末床。然而如前所述材料对红外激光能量的吸收率普遍较低，因此该方法的加热效率低，无法实现高温粉末床的加热。

为提高加热效率，中国专利(CN 107000321 A)公开了一种在粉末床熔融工艺中利用微波或无线电波阵列对粉末床进行预热的方法。该技术提出在激光或电子束对粉末床进行熔化沉积前、后及同时，利用微波或无线电波及其阵列对粉末床进行预热或加热。但由于微波或无线电波易在粉末颗粒接触处聚集、增强，因此更容易将粉末烧结而不是使粉末温度提高，这非常不利于粉末的回收和再利用。为获得高温粉末床，中国专利(CN 102574204B)提出一种针对陶瓷和玻璃的增材制造方法，利用一个或多个经过散焦和均匀化处理的能量束对成形区域进行持续照射加热(非扫描加热)，并与激光/电子束聚焦扫描结合，逐层熔化或烧结陶瓷粉末制作三维零件。所采用的能量束包括激光束、电子束和微波。但由于激光束的能量吸收率不高，微波则容易产生过渡烧结，而电子(束)照射则无法加热绝缘材料，特别是对于在该专利的权利要求1中列出的各种氧化物或陶瓷，否则会出现电子积累，从而引发粉末颗粒的相互排斥，粉末床溃散的现象。此外，该专利在说明书中提出的通过一个或多个经散焦和均匀化处理的能量束(优选的是激光束)对成形区域中一个或多个区域预加热或加热到需要的温度的方法(对应该专利的权利要求5-8)，由于每个散焦和均匀化后的能量束(激光束)的“有效影响区域”(即能量束的照射区域)的形状为相对固定的圆形或非圆形(方形)形状，难以适应制品复杂形状变化的要求；势必会造成聚焦激光束扫描区域的温度或高(被散焦能量束照射的区域)或低(未被散焦能量束照射的区域)；而在聚焦激光束扫描熔化陶瓷粉末后的冷却和预加热过程中，也会造成成形区域的温度或高(被聚焦激光束扫描过的区域)或低(未被聚焦激光束扫描过的区域)。这些温度的不均匀极易导致陶瓷制品的热应力，最终引起裂缝的产生，甚至开裂。因此该专利提出的能量束加热方法至今无法实施。

由上面的分析可知，在现有的粉末床熔融增材制造技术和共知常识中，尚无对粉末床进行有效加热/预热的技术。现有的方法要么局限在预热、熔化沉积分别进行的串联式方式；要么局限在只对聚焦激光焦点或熔池附近区域进行跟随式加热的方式；再要么就是局限在加热效率较低的激光束或加热效果不确定的微波加热方式，以及简单的加热区域控制方式等。都无法对粉末床整体进行高效、可靠、可控的预热或加热，也没有考虑为确保加热的均匀性，加热能量束(如电子束)的布置对能量束的束斑调制提出的特殊要求，以及过度预热对制件成形质量的影响。

由于电子束的功率大、能量吸收率高，利用电子束对导电材料(如金属)粉末床进行预热或加热是目前最为有效的方法。而当电子束作为加热粉末床的独立高能束源时，只能斜置于一侧，而将用于熔化沉积粉末的成形高能束源置于成形区域的正上方。斜置的电子束则会使电子束照射到粉末床上的束斑和入射角在整个粉末床成形区域出现不可忽略的差异，靠近电子枪一侧的束斑畸变小、入射角大，能量密度大；而远离电子束一侧的束斑畸变大、入射角小，能量密度小。这一现象若不加以修正，就会造成粉末床的加热温度不均匀，存在固有的温度差，进而容易引起制件的热应力和变形。因此，必须对于斜置电子束的扫描方式进行修正，以保证对粉末床加热的一致性，避免出现固有的温度差。

然而，过高的粉末床温度会使截面轮廓熔接过多的粉末，这不但会影响零件的表面光洁度，也会使内孔中的粉末难以清除，造成内孔成形失败。因此需要避免使零件截面内外轮廓附近的粉末床温度过高，特别是在进行熔化沉积零件截面的内外轮廓时，需避免对轮廓附近区域进行预热。

发明内容

本发明的目的是提出一种粉末床同步加热熔化增材制造方法，对已有的加热熔化增材制造方法进行改进，一方面要对粉末床中将要熔化沉积为零件截面的所有成形区域进行预热或加热，以保证成形区域的温度场稳定性和一致性；另一方面要避免使零件截面内外轮廓附近的粉末床温度过高，特别是在进行熔化沉积零件截面的内外轮廓时，避免对轮廓附近区域进行加热导致轮廓温度过高，影响轮廓的光顺性和零件性能的一致性。

本发明提出的粉末床同步加热熔化增材制造方法，包括以下步骤：

(1)搭建一个用于粉末床同步加热熔化增材制造的装置，包括：

真空成形室；

成形工作台装置，用于在成形工作台上铺设粉末床；

粉末供给装置，用于将粉末供给至所述成形工作台，铺设成形粉末床，形成成形区域；

一个能够发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置和一个能够发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置；所述的发射熔化沉积模式电子束的电子束发射聚集扫描装置设置在所述成形区域的正上方，所述的发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置设置在所述成形区域的侧上方；所述加热模式电子束的功率大于1000W、电子束的散焦焦斑直径大于1mm，所述熔化沉积模式电子束的功率小于1000W、电子束的聚焦焦斑直径小于0.6mm；

控制器，用于控制所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置对粉末床预热区域或加热区域进行加热扫描，控制所述发射熔化沉积模式电子束的电子束发射聚集扫描装置对所述零件截面区域内的粉末床进行选择性熔化成形扫描；所述预热区域的轮廓尺寸小于所述成形区域的轮廓尺寸，预热区域包含所有将要成形的零件截面沿成形方向在所述成形区域上的投影；所述预热区域扣除当前层的避溢区域形成所述加热区域，所述避溢区域为由零件当前层截面轮廓的所有内外轮廓向截面外侧配置一定距离形成的包络面积；

(2)用所述粉末供给装置在所述成形区域铺上一层粉末；

(3)用所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置发射加热模式电子束，加热模式电子束对所述预热区域内粉末床进行多遍反复预热扫描，直到将所述预热区域内的粉末床加热到设定的温度；

(4)用所述发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置发射熔化沉积模式电子束，熔化沉积模式电子束对所述当前层零件截面区域内的粉末床进行熔化扫描，将所述当前层的零件截面内的粉末熔化、烧结，沉积形成所述当前层零件截面；与此同时，所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置继续发射加热模式电子束，加热模式电子束同步对所述加热区域内的粉末床进行多遍反复加热扫描，以保持加热区域内的粉末床温度稳定；

(5)当所述当前层零件截面沉积成形结束后，所述发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置停止发射熔化沉积模式电子束，所述成形工作台下降一个层厚的距离；所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置停止发射加热模式电子束；

(6)重复步骤(2)-步骤(5)，直到完成三维零件所有截面的沉积成形。

上述粉末床同步加热熔化增材制造方法中，还可以利用激光束发射聚集扫描装置发射的激光束使当前层的零件截面内的粉末熔化、烧结，沉积形成当前层零件截面，所述的激光束发射聚集扫描装置设置在所述成形区域的正上方。

上述粉末床同步加热熔化增材制造方法中，所述预热区域内的粉末床加热到500～1300℃。

本发明提出的粉末床同步加热熔化增材制造方法，其优点是：

本发明的粉末床同步加热熔化增材制造方法，充分发挥了电子束能量吸收率高、加热效率高的优势，通过在进行选择性熔化沉积成形零件截面的同时，对非零件截面区域进行同步的电子束加热，保持了非零件截面区域的粉末床温度，避免了粉末床温度的大幅波动，保证了电子束在粉末床不同位置单位面积上停留的时间相等，以使预热区域不同位置接收到电子束的能量密度相等、预热区域不同位置的温度均匀，从而增强了粉末床熔融技术中粉末床温度这一关键工艺参数的稳定性和一致性，进而降低了成形零件的热应力，提高了成形零件性能的一致性，为难熔、难焊、脆性材料增材制造创造条件。

附图说明

图1是本发明的粉末床同步加热熔化增材制造方法中涉及的制造装置的结构示意图。

图2是本发明方法的工艺流程图。

图3是本发明方法中预热扫描区域的示意图。

图4是本发明方法中熔化沉积扫描和加热扫描区域示意图。

图5是本发明方法涉及的制造装置的另一种结构示意。

图1-图5中，1是发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置，2是发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置，3是激光束发射聚集扫描装置，4是真空成形室，5是粉末供给装置，6是粉末铺设器，7是成形工作台，8是成形缸，81是活塞式升降装置，9是成形粉末床，11是电子束发射聚集扫描装置的阴极，12是栅极，13是阳极，14是聚焦线圈，15是消像散线圈，16是偏转线圈，17是加热模式电子束，18是三维零件，23是散焦预热电子束，31是激光光源，32是激光束发射聚焦扫描装置，33是铅玻璃，34是可关闭开口，35是保护气喷嘴，91是新粉末层预热区域，92是待成形零件截面区域，93是避溢区域，94是非预热区域，99是加热区域。

具体实施方式

本发明提出的粉末床同步加热熔化增材制造方法，该方法包括以下步骤：

(1)搭建一个如图1所示的用于粉末床同步加热熔化增材制造的装置，包括：

真空成形室4；

成形工作台装置，用于在成形工作台7上铺设成形粉末床9；

粉末供给装置，用于将粉末供给至所述成形工作台7，铺设成形粉末床9，形成成形区域；

一个能够发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置2和一个能够发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置1；所述的发射熔化沉积模式电子束的电子束发射聚集扫描装置1设置在所述成形区域的正上方，所述的发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置2设置在所述成形区域的侧上方；所述加热模式电子束的功率大于1000W、电子束的散焦焦斑直径大于1mm，所述熔化沉积模式电子束的功率小于1000W、电子束的聚焦焦斑直径小于0.6mm；

控制器(图中为示出)，用于控制所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置1对成形粉末床9的预热区域或加热区域99进行加热扫描，控制所述发射熔化沉积模式电子束的电子束发射聚集扫描装置对所述零件截面区域92内的粉末床进行选择性熔化成形扫描；所述预热区域91的轮廓尺寸小于所述零件截面区域92的轮廓尺寸，预热区域包含所有将要成形的零件截面沿成形方向在所述成形区域上的投影；所述预热区域扣除当前层的避溢区域93形成所述加热区域99，所述避溢区域93为由零件当前层截面轮廓的所有内外轮廓向截面外侧配置一定距离形成的包络面积；

(2)用所述粉末供给装置5在成形粉末床9铺上一层粉末；

(3)用所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置发射加热模式电子束，加热模式电子束对所述预热区域内的成形粉末床9进行多遍反复预热扫描，直到将预热区域内的粉末床加热到设定的温度；

(4)用发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置发射熔化沉积模式电子束，熔化沉积模式电子束对所述当前层零件截面区域92内的粉末床进行熔化扫描，将所述当前层的零件截面内的粉末熔化、烧结，沉积形成所述当前层零件截面；与此同时，所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置继续发射加热模式电子束，加热模式电子束同步对所述加热区域内的成形粉末床9进行多遍反复加热扫描，以保持加热区域内的成形粉末床9温度稳定；

(5)当所述当前层零件截面沉积成形结束后，所述发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置1停止发射熔化沉积模式电子束，所述成形工作台下降一个层厚的距离；所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置2停止发射加热模式电子束；

(6)重复步骤(2)-步骤(5)，直到完成三维零件所有截面的沉积成形。

上述粉末床同步加热熔化增材制造方法中，利用激光束发射聚集扫描装置发射的激光束使当前层的零件截面内的粉末熔化、烧结，沉积形成当前层零件截面，所述的激光束发射聚集扫描装置设置3在所述成形区域的正上方，如图5中所示。

上述粉末床同步加热熔化增材制造方法中，将所述预热区域内的粉末床加热到500～1300℃。

以下结合附图，详细介绍本发明粉末床同步加热熔化增材制造方法：

粉末床同步加热熔化工艺与装置，其工艺特征在于：

在粉末床内，设置预热区域91，和非预热区域94，如图3中所示。所述预热区域91的轮廓尺寸小于所述成形区域9的轮廓尺寸，并包含所有将要成形的零件92沿成形方向在成形区域上的投影。

在零件逐层熔化沉积的增材制造过程中，将当前层零件截面92的所有内外轮廓向截面外侧偏置一定距离D后形成的包络面积设置为避溢区域93。距离D从0.01mm到50mm，优选地从1mm到20mm。

在零件逐层熔化沉积的增材制造过程中，在预热区域91内扣除当前层的所述避溢区域93后形成当前层的加热区域99。

所述电子束发射聚焦扫描装置设有加热和熔化沉积两种工作模式。电子束加热模式的特点在于电子束在成形区域内扫描时的光斑是散焦的，光斑最小直径大于1mm，加热模式电子束可对预热区域91和加热区域99的粉末床进行加热扫描，提高或维持粉末床温度；熔化沉积模式的电子束，其特点在于电子束在成形区域内扫描时的光斑是聚焦的，光斑最大直径小于0.6mm，所述熔化沉积模式电子束可对待成形零件截面区域92内的粉末床进行熔化沉积扫描，成形零件截面。

在三维零件18增材制造的每一层零件截面92的成形过程中，用粉末供给装置在成形区域9铺上一层粉末。利用第一台电子束发射聚焦扫描装置2发射加热模式电子束23对预热区域91内粉末床进行多遍反复预热扫描，直到将所述预热区域内的粉末床加热到设定的温度后，发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置1立刻发射所述熔化沉积模式电子束17或激光器3立刻发射聚焦激光束37对所述当前层零件截面区域92内的粉末床进行熔化扫描，将所述当前层的零件截面内的粉末熔化、烧结，沉积形成当前层零件截面92；与此同时发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置2不间断地继续发射所述加热模式电子束17对所述加热区域99内的粉末床进行多遍反复加热扫描，以保持所述加热区域内的粉末床温度稳定。当所述当前层的零件截面沉积成形结束后，发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置1停止发射所述熔化沉积模式电子束或激光束发射聚集扫描装置3停止发射激光束，工作台下降一个层厚的距离，发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置2停止发射所述加热模式电子束，待所述粉末供给装置在所述成形区域9铺上一层新的粉末层后，所述第一台电子束发射聚焦扫描装置2重新开始发射所述加热模式电子束17，对所述预热区域91内的粉末床进行预热扫描。如此循环，直到完成所述三维零件所有截面的沉积成形。

本发明提出的粉末床同步加热熔化增材制造方法所涉及的装置包括：

真空成形室，所述的真空成形室内至少包括所述成形工作台装置和所述粉末供给装置；成形工作台装置，所述成形工作台用于在其上铺设粉末床；粉末供给装置，所述粉末供给装置用于将粉末供给至所述成形工作台，铺设成形粉末床；至少一个能够发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置，和一个能够发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置或一个能够发射聚焦激光束的激光束发射聚集扫描装置；所述发射熔化沉积模式电子束的电子束发射聚集扫描装置或所述发射聚焦激光束的激光束发射聚集扫描装置被设置在所述成形区域的正上方。控制器，所述控制器控制所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置对粉末床预热区域或加热区域进行多遍反复加热扫描，还同时控制所述发射熔化沉积模式电子束的电子束发射聚集扫描装置或发射聚焦激光束的激光束发射聚集扫描装置对所述零件截面区域内的粉末床进行选择性熔化成形扫描。

本发明提出的粉末床同步加热熔化增材制造中的电子束发射聚焦扫描装置1和2的结构如图1所示，包括阴极11、栅极12、阳极13、聚焦线圈14、消像散线圈15和偏转线圈16，产生的散焦预热电子束23用于扫描预热区域粉末。所述的阴极11、栅极12、阳极13、聚焦线圈14、消像散线圈15和偏转线圈16由上而下同轴安装在壳体内，壳体设在所述真空成形室外，其中的消像散线圈用于产生非对称磁场。在进行所述预热扫描时，利用消像散线圈15对所发射的散焦预热电子束23的光斑形状进行调整，保证散焦预热电子束以不同倾角入射粉床后，所述光斑在所述预热区域的不同位置都能够保持相同直径的圆形束斑，以使预热区域内不同位置接收到所述电子束的功率密度相等；同时控制散焦预热电子束23在不同倾角预热扫描时的电子束扫描速度，保证所述电子束在粉末床不同位置单位面积上停留的时间相等，以使所述预热区域不同位置接收到所述电子束的能量密度相等、所述预热区域不同位置的温度均匀。

本发明提出的粉末床同步加热熔化增材制造中的激光束发射聚集扫描装置3，其结构如图5中所示，包括产生激光束的激光光源31和与激光光源31相连的聚焦扫描组件，聚焦扫描组件引导激光束穿过具有防止射线辐射功能的铅玻璃33进入真空成形室4。在铅玻璃33的下方是防蒸镀装置，防蒸镀装置36内设有保护气喷嘴35，下方设有可关闭的开口34。在激光束发射聚焦扫描装置不进行熔化扫描时，所述防蒸镀装置关闭开口34，保护气喷嘴35喷出保护气对所述铅玻璃33进行清理，保持和保证所述铅玻璃对激光束具有良好的通光率。

本发明提出的粉末床同步加热熔化增材制造方法中的粉末，包括金属或合金粉末或其他可用于增材制造粉末。其中，工作台装置的结构如图1中所示，包括：成形工作平台7，所述成形粉末床9铺设在成形工作平台7上，形成成形区域；活塞式成形缸8设置在所述工作平台之下，并包括成形缸和活塞式升降装置81，所述成形缸8的上边缘与所述工作平台相齐平，所述活塞式升降装置81在所述成形缸内可升降。粉末供给装置包括：粉末供给装置6，所述粉末供给器将所述粉末供给工作平台的上表面上；粉末铺设器6设置在成形工作平台7上，且可将粉末推送至成形缸8内，并铺平成成形粉末床9。

实施例1

如图1所示的粉末床同步加热熔化工艺与装置。包括：真空成形室4，工作平台7，成形缸8，活塞式升降装置81，粉末供给器5，粉末铺设器6，发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置2，发射熔化沉积模式电子束的电子束发射聚集扫描装置1以及作为控制器的控制计算机(未示出)。

电子束发射聚集扫描装置2包括产生电子束23的阴极11，栅极12，阳极13，聚焦线圈14，消像散线圈15，偏转线圈16。电子束发射聚焦扫描装置2发射加热模式电子束23用于对预热区域和加热区域的粉末床进行预热和加热扫描，电子束发射聚焦扫描装置1发射熔化沉积模式电子束17对零件截面区域的粉末床进行熔化扫描。

真空成形室4为选区熔化工艺提供真空环境，中间水平设置工作平台7。粉末供给器5设在工作平台7上方，用于储存粉末和定量供应粉末51。粉末铺设器6可以在工作平台7上往复移动，将粉末推送并铺平在工作台上，并铺平成粉末床。成形缸8设在工作平台7之下，成形缸8中有活塞式升降装置81。活塞式升降装置81与成形缸8组成的高度可变化的容纳腔内盛有粉末床9和已经成形的零件92。

粉末床同步加热熔化工艺过程如图2所示，粉末铺设器6在成形缸8上铺平一层新粉末层后，电子束发射聚集扫描装置2发射加热模式电子束23对新粉末层预热区域91进行多遍反复预热扫描如图3所示；达到设定温度后，电子束发射聚焦扫描装置1发射熔化沉积模式电子束17对新粉末层成形截面零件区域92进行熔化扫描，烧结/熔化零件截面内的粉末，电子束发射聚集扫描装置2继续发射加热模式电子束23对粉末层加热区域99进行多遍反复加热扫描，以保持粉末床设定温度。当当前层的零件截面沉积成形结束后，电子束发射聚焦扫描装置1停止发射熔化沉积模式电子束，工作台下降一个层厚的距离，电子束发射聚焦扫描装置2停止发射加热模式电子束，待粉末供给装置在成形区域9铺上一层新的粉末层后，电子束发射聚焦扫描装置2重新开始发射加热模式电子束，对预热区域91内的粉末床进行预热扫描。如此循环，直到完成所有三维零件所有截面的沉积成形。

实施例2

如图5所示的粉末床同步加热熔化工艺与装置，包括：真空成形室4，工作平台7，成形缸8，活塞式升降装置81，粉末供给器5，粉末铺设器6，防蒸镀装置36、电子束发射聚集扫描装置2，激光束发射聚集扫描装置3以及作为控制器的控制计算机(未示出)。

激光束发射聚集扫描装置3包括产生激光的激光光源31和与激光光源31相连的聚焦扫描装置32，产生激光束37穿过铅玻璃33进入真空成形室4，扫描成形零件区域，以烧结和熔化粉末。

真空成形室4为选区熔化工艺提供真空环境，中间水平设置工作平台7。粉末供给器5设在工作平台7上方，用于储存粉末和定量供应粉末51。粉末铺设器6可以在工作平台7上往复移动，将粉末推送并铺平在工作台上，并铺平成粉末床。成形缸8设在工作平台7之下，成形缸8中有活塞式升降装置81。活塞式升降装置81与成形缸8组成的高度可变化的容纳腔内盛有粉末床9和待成形零件92。

真空成形室4内，在铅玻璃33的下方设有防蒸镀装置36，防蒸镀装置内设有保护气喷嘴35，下方设有可关闭的开口34。在激光束发射聚焦扫描装置3不进行熔化扫描时，防蒸镀装置36关闭开口34，保护气喷嘴35喷出保护气对铅玻璃33进行清理，保持和保证铅玻璃对激光束具有良好的通光率。

粉末床同步加热熔化工艺过程如图2所示，粉末铺设器6在成形缸8上铺平一层新粉末层后，电子束发射聚集扫描装置2发射加热模式电子束23对新粉末层预热区域91进行多遍反复预热扫描如图3所示；达到设定温度后，激光束发射聚集扫描装置3发射聚焦激光束37对新粉末层成形截面零件区域92进行熔化扫描，烧结/熔化零件截面内的粉末，电子束发射聚集扫描装置2继续发射加热模式电子束23对粉末层加热区域99进行多遍反复加热扫描，以保持粉末床设定温度。当当前层的零件截面沉积成形结束后，工作台下降一个层的距离，电子束发射聚焦扫描装置停止发射加热模式电子束和加热扫描，待粉末供给装置在成形区域9铺上一层新的粉末层后，电子束发射聚焦扫描装置重新开始发射加热模式电子束，对预热区域91内的粉末床进行预热扫描。如此循环，直到完成所有三维零件所有截面的沉积成形。

在所述粉末床同步加热熔化工艺中，为保证成形零件截面区域92能量稳定和零件外表面粗糙度较低，加热区域99和零件截面区域92不重叠，且有宽度为D的间隔(宽度D在0.01-50mm之间，优选地从1mm到20mm之间)。

所述发射加热模式电子束的电子束发射聚焦扫描装置在进行所述加热扫描时，利用消像散线圈对所发射的加热模式电子束的光斑形状进行调整，保证所述加热模式电子束以不同倾角入射粉床后，所述光斑在所述加热区域的不同位置都能够保持相同直径的圆形束斑，以使所述加热区域内不同位置接收到所述电子束的功率密度相等；同时控制所述电子束不同倾角加热扫描时的电子束扫描速度，保证所述电子束在粉末床不同位置单位面积上停留的时间相等，以使所述加热区域不同位置接收到所述电子束的能量密度相等、所述加热区域不同位置的温度均匀。

Claims (6)

1.一种粉末床同步加热熔化增材制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)搭建一个用于粉末床同步加热熔化增材制造的装置，包括：

真空成形室；

成形工作台装置，用于在成形工作台上铺设粉末床；

粉末供给装置，用于将粉末供给至所述成形工作台，铺设成形粉末床，形成成形区域；

一个能够发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置和一个能够发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置；所述的发射熔化沉积模式电子束的电子束发射聚集扫描装置设置在所述成形区域的正上方，所述的发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置设置在所述成形区域的侧上方；所述加热模式电子束的功率大于1000W、电子束的散焦焦斑直径大于1mm，所述熔化沉积模式电子束的功率小于1000W、电子束的聚焦焦斑直径小于0.6mm；

控制器，用于控制所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置对粉末床预热区域或加热区域进行加热扫描，控制所述发射熔化沉积模式电子束的电子束发射聚集扫描装置对所述零件截面区域内的粉末床进行选择性熔化成形扫描；所述预热区域的轮廓尺寸小于所述成形区域的轮廓尺寸，预热区域包含所有将要成形的零件截面沿成形方向在所述成形区域上的投影；所述预热区域扣除当前层的避溢区域形成所述加热区域，所述避溢区域为由零件当前层截面轮廓的所有内外轮廓向截面外侧配置一定距离形成的包络面积；

(2)用所述粉末供给装置在成形粉末床上铺上一层粉末；

(3)用所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置发射加热模式电子束，加热模式电子束对所述预热区域内粉末床进行多遍反复预热扫描，直到将所述预热区域内的粉末床加热到设定的温度；

(4)用所述发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置发射熔化沉积模式电子束，熔化沉积模式电子束对所述当前层零件截面区域内的粉末床进行熔化扫描，将所述当前层的零件截面内的粉末熔化、烧结，沉积形成所述当前层零件截面；与此同时，所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置继续发射加热模式电子束，加热模式电子束同步对所述加热区域内的粉末床进行多遍反复加热扫描，以保持加热区域内的粉末床温度稳定；

(5)当所述当前层零件截面沉积成形结束后，所述发射熔化沉积模式的电子束发射聚焦扫描装置停止发射熔化沉积模式电子束，所述成形工作台下降一个层厚的距离；所述发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置停止发射加热模式电子束；

(6)重复步骤(2)-步骤(5)，直到完成三维零件所有截面的沉积成形。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的能够发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置，包括阴极、栅极、阳极、聚焦线圈、消像散线圈和偏转线圈，所述的阴极、栅极、阳极、聚焦线圈、消像散线圈和偏转线圈由上而下同轴安装在外壳内，壳体设在所述的真空成形室外；能够发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置产生的加热模式电子束用于对预热区域和加热区域的粉末床进行预热和加热扫描，在进行加热扫描时，利用消像散线圈对加热模式电子束的光斑形状进行调整，保证加热模式电子束以不同倾角入射粉床后，光斑在加热区域的不同位置保持相同直径的圆形束斑，使加热区域内不同位置接收到的电子束的功率密度相等，同时控制加热模式电子束在不同倾角加热扫描时的电子束扫描速度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的能够发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置，包括阴极、栅极、阳极、聚焦线圈、消像散线圈和偏转线圈，所述的阴极、栅极、阳极、聚焦线圈、消像散线圈和偏转线圈由上而下同轴安装在外壳内，壳体设在所述的真空成形室外；能够发射加热模式电子束的电子束发射聚集扫描装置产生的加热模式电子束用于对预热区域和加热区域的粉末床进行预热和加热扫描，在进行加热扫描时，利用偏转线圈控制加热模式电子束在不同倾角加热扫描时的电子束扫描速度，保证加热模式电子束在粉末床不同位置单位面积上停留的时间相等，使加热区域不同位置接收到所述电子束的能量密度相等，加热区域不同位置的温度均匀。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于其中利用激光束发射聚集扫描装置发射的激光束使当前层的零件截面内的粉末熔化、烧结，沉积形成当前层零件截面，所述的激光束发射聚集扫描装置设置在所述成形区域的正上方，激光束发射聚集扫描装置产生的激光束穿过具有防止射线辐射功能的铅玻璃进入真空成形室。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于其中所述的激光束发射聚集扫描装置包括产生激光束的激光光源和与激光光源相连的聚焦扫描组件，聚焦扫描组件引导激光束穿过具有防止射线辐射功能的铅玻璃进入真空成形室，在铅玻璃的下方是防蒸镀装置，防蒸镀装置内设有保护气喷嘴，保护气喷嘴下方设有可关闭的开口；在激光束发射聚焦扫描装置不进行熔化扫描时，防蒸镀装置开口处于关闭状态，保护气喷嘴喷出保护气对铅玻璃进行清理，保持和保证铅玻璃对激光束具有良好的通光率。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于将所述预热区域内的粉末床加热到500～1300℃。

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