CN113977074A - 一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法 - Google Patents

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    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

Abstract

本发明公开了一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法；该装置包括超快激光器、超快激光扩束准直器、连续激光器、连续激光扩束准直器、短脉冲激光器、短脉冲激光扩束准直器等。制造的过程中，在完成当前层的主材料区域之后，利用超快激光精确加工出每一成型层中预期添加副材料的区域，利用真空吸附器清除该区域内的主材料粉末与杂质，在该区域内通过超声振动送粉器精确、定量填充副材料粉末后使用连续激光成型放置的副材料，之后对该成型层内和轮廓上可能出现的缺陷进行烧蚀修整，随后通过激光冲击强化修复该成型层的缺陷、改善其残余应力情况、并提升其性能和质量，提高异质材料零件的尺寸精度、材料布局精度和性能。

Description

一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法
技术领域
本发明涉及增材制造异质材料零件的成型与优化，尤其涉及一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法。
背景技术
增材制造技术成为现今研究热点，激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)技术是其中最备受青睐且最具产业化的技术之一。
SLM技术可以成型具有高致密度、复杂结构与出色性能的零部件，因而在航空部件、刀具模具、珠宝首饰及个性化医学生物植入体制造等方面具有广阔的应用前景。
现代社会对产品的功能及性能的要求越来越高，尤其是在航空航天、电力行业、汽车工业、生物医学等领域中，苛刻使役条件要求零件具有功能耦合、多环境适应的能力。单一类型的材料已不能够满足需求，迫切需要具有特殊功能的机械零件，而这些具有特殊功能的机械零件通常包含多种不同性能的材料，意味着这些机械零件是异质材料零件。因此，SLM成型异质材料的技术与设备研究受到广泛关注。
目前，已有异质材料SLM设备被提出，但是碍于SLM自身的成型精度，难以成型兼具细微材料布局与精细结构的异质材料零件。同时，在成型异质材料过程中，因异种材料之间的物性不兼容，而容易累积较大的残余应力，并形成微裂纹、孔隙等缺陷。然而，现有异质材料SLM设备却不具有对这类成型问题进行调控的手段。
因此，需要开发出一种新的异质材料SLM设备，使其不仅可以成型兼具细微材料布局与精细结构的异质材料零件，而且可以对残余应力、微裂纹等成型问题进行调控，以实现材料-性能-结构的一体化成型，满足高新领域对高性能复杂零部件的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法，即是基于超快与连续激光增减材和激光冲击强化复合制造异质材料的装置及其制备方法。本发明不仅可成型兼具细微材料布局与精细结构的异质材料零件，而且可以对残余应力、微裂纹等成型问题进行调控。
上述提及的异质材料是指，包含多种材料的复合材料，并将其成分材料分为主材料和(多种)副材料；本发明是在SLM叠层制造的过程中，在成型完当前层的主材料区域之后，利用超快激光精确加工出每一成型层中预期添加副材料的区域，利用真空吸附器清除该区域内的主材料粉末与杂质，在该区域内通过超声振动送粉器精确、定量填充副材料粉末后使用连续激光成型放置的副材料，之后对该成型层内和轮廓上可能出现的球化、凸起、粉末黏附等缺陷进行烧蚀修整；随后通过激光冲击强化修复该成型层的缺陷、改善其残余应力情况、并提升其性能和质量，提高异质材料零件的尺寸精度、材料布局精度和性能等，实现材料、性能和结构的一体化成型。
本发明通过下述技术方案实现：
一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，包括密封工作腔19、激光器，以及计算机系统10；
所述密封工作腔19内设置有吸附器5、送粉器6、Y轴导轨8、第二X轴导轨9、粉料罐11；
所述第二X轴导轨9安装于密封工作腔19内侧壁，Y轴导轨8与第二X轴导轨9滑动连接，Y轴导轨8沿着第二X轴导轨9轨迹移动；所述吸附器5和送粉器6安装在Y轴导轨8上，并沿着Y轴导轨8轨迹移动；
所述粉料罐11用于给送粉器6供粉。
所述激光器包括：超快激光器12、超快激光扩束准直器13、连续激光器14、连续激光扩束准直器15、X-Y轴扫描振镜组及控制器16、短脉冲激光扩束准直器17和短脉冲激光器18；
所述超快激光器12的光路连接顺序为：超快激光器12发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器13射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的零件加工区域；
连续激光器14的光路连接顺序为：连续激光器14发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器15射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的零件加工区域；
短脉冲激光器18的光路连接顺序为：短脉冲激光器18发出的短脉冲激光束，经过短脉冲激光扩束准直器17射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的零件加工区域。
所述密封工作腔19内还设置有：铺粉车1、粉料缸2、落粉槽21、第一X轴导轨20；密封工作腔19外部设有储粉罐4；
所述铺粉车1由第一X轴导轨20搭载，并沿着第一X轴导轨20轨迹移动；
所述落粉槽21通过管道与储粉罐4连接；所述落粉槽21与成型缸3相邻；
所述密封工作腔19的两侧分别通过进/出管路与外部的气体循环过滤装置7连接；
所述粉料缸2与成型缸3相邻，位于密封工作腔19内底面。
所述超快激光器12发出的激光束的波长为1030nm，脉冲宽度为100ns～100fs，频率为1kHz～1MkHz，最大功率为100W，激光聚焦光斑直径为20μm；
所述连续激光器14发出的激光束的波长为1064nm，最大功率为500W，激光聚焦光斑直径为50μm；
所述短脉冲激光器18发出的激光束的波长为1064nm，脉冲宽度为5～20ns，频率为1～10Hz，激光聚焦光斑直径为0.1～3mm。
所述超快激光器12、连续激光器14及短脉冲激光器18之间设有切换开关；该切换开关用于选择性开启或者关闭超快激光器12、连续激光器14或者短脉冲激光器18，使它们各自单独作业。
所述超快激光器12、连续激光器14、短脉冲激光器18和X-Y轴扫描振镜组及控制器16，分别通过电讯连接计算机系统10。
所述吸附器5为真空吸附器；所述送粉器6为超声振动送粉器。
本发明激光强化制备装置包括如下运行模式：
SLM成型运行模式
通过切换开关，使连续激光器14处于开启状态，超快激光器12和短脉冲激光器18处于关闭状态；
连续激光器14发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器15射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的粉末层上，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现了该成型层的金属粉末选择性熔化；
修整运行模式
通过切换开关，使超快激光器12处于开启状态，连续激光器14和短脉冲激光器18处于关闭状态；
超快激光器12发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器13射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内当前成型层，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现对预期成型副材料的区域边界的烧蚀休整，或者成型层轮廓与表面的缺陷进行烧蚀修整；
激光冲击强化运行模式
通过切换开关，使短脉冲激光器18处于开启状态，超快激光器12和连续激光器14处于关闭状态；
短脉冲激光器18发出的短脉冲激光束，经过短脉冲激光扩束准直器17射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内当前层，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现该成型层的激光冲击强化。
一种基于超快与连续激光增减材和激光冲击强化复合制造异质材料的方法，其包括如下步骤：
步骤一：气体循环过滤装置7打开，成型缸3下降一个成型层厚，粉料缸2上升至少一个成型层厚，铺粉车1运动铺粉；
连续激光器14打开；将成型件的模型切片信息导入计算机系统10，计算机系统10根据模型切片数据，将控制信息传输至X-Y轴扫描振镜组及控制器16，连续激光束穿过连续激光扩束准直器15，并通过对X-Y轴扫描振镜组控制，实现连续激光对金属粉末的选择性熔化，完成本成型层主材料区域的成型；关闭连续激光器14；
步骤二：本层主材料区域成型完毕，连续激光器14关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备对步骤一所述成型层进行修整；
计算机系统10，控制吸附器5沿第二X轴导轨9、Y轴导轨8移动至准备成型副材料的区域，并吸取去除该区域未熔化的粉末；打开超快激光器12；计算机系统10将步骤一所述成型层中副材料成型区域的信息转换为超快激光控制信息后，传输给X-Y轴扫描振镜组及控制器16；超快激光束经过超快激光扩束准直器13，在X-Y轴扫描振镜组及控制器16的控制下，对步骤一所述成型层副材料成型区域的边缘进行烧蚀修整；修整完成后关闭超快激光器12；计算机系统10控制吸附器5吸取修整过程中去除的废弃物；
步骤三：对步骤二完成的副材料成型区域边缘修整完毕后，超快激光器12关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备成型步骤二中所述的副材料区域；
计算机系统10控制副材料粉末从粉料罐11中落入到送粉器6中，接着控制送粉器6沿第二X轴导轨9、Y轴导轨8移动，将副材料粉末定量、精确地送入准备成型副材料的区域；
打开连续激光器14；计算机系统10根据模型切片数据，将控制信息传输至X-Y轴扫描振镜组及控制器16，连续激光束穿过连续激光扩束准直器15，并在X-Y轴扫描振镜组及控制器16的控制下，实现连续激光对副材料粉末的选择性熔化，完成本成型层副材料区域的成型；关闭连续激光器14；
步骤四：完成步骤三所述成型层的副材料区域成型后，连续激光器14关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备对步骤三中所述成型层进行修整；
打开超快激光器12；将步骤三中成型层的表面和轮廓的缺陷信息输入计算机系统10，计算机系统10将其表面和轮廓缺陷信息转换为超快激光控制信息后，传输至X-Y轴扫描振镜组及控制器16；超快激光束经过超快激光扩束准直器13，在X-Y轴扫描振镜组及控制器16的控制下，对表面与轮廓的缺陷进行烧蚀修整；
步骤五：步骤四成型区域表面与轮廓修整完毕后，超快激光器12关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备对步骤四中所述成型层进行激光冲击强化；
打开短脉冲激光器18；将步骤四完成后的成型区域表面与轮廓信息，输入计算机系统10，计算机系统10将该成型区域表面与轮廓信息转换为短脉冲激光控制信息后，传输给X-Y轴扫描振镜组及控制器16；短脉冲激光束经过短脉冲激光扩束准直器17，在X-Y轴扫描振镜组及控制器16的控制下，对步骤四该成型层进行激光冲击强化；
激光冲击强化完成后关闭短脉冲激光器18，X-Y轴扫描振镜组及控制器16，控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，并打开连续激光器14，以切换下一个成型层的SLM成型作业；
步骤六：重复步骤一至步骤五直至SLM成型件完全成型；
关闭气体循环过滤装置7，取出成型缸3内的SLM成型件，加工完毕。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明在SLM成型过程中，通过粉料缸和铺粉车、粉料罐和超声振动送粉器实现多种材料粉末的分开预置，避免材料的交叉污染，保证成型件中材料布局的准确性；通过超快激光对副材料成型区域边界进行烧蚀修整，并结合超声振动送粉器进行定量、精细的送粉，实现不同材料在成型件中的精细分布，进一步提高成型件与模型设计的一致性。
本发明短脉冲激光对每一成型层进行激光冲击强化，使得成型面内的裂纹、空洞等缺陷得到一定程度的愈合，提高每一成型层的性能，并通过层层叠加以提升SLM成型件的性能和质量。
本发明将连续激光、超快激光和短脉冲激光集成在同一台SLM设备中，提高了生产效率。超快激光在烧蚀修整过程中，激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，伴随着无热能量扩散等现象，实现了冷加工，避免了热加工带来的热变形、应力残留等负面影响。
本发明激光冲击强化利用短脉冲激光在极短时间内发出的冲击波，将材料表面迅速加热到气化温度，导致极高的压应力，使材料表面发生塑性变形，改变材料表面的组织和力学性能，使得成型层中裂纹、孔洞等缺陷得到一定程度的愈合，提高材料表面硬度、抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能。
附图说明
图1为本发明超快与连续激光增减材及激光强化制备装置的结构示意图。
图2为本发明超快与连续激光增减材及激光强化制备工艺流程图。
图3为超快激光束对副材料成型区域轮廓进行烧蚀修整示意图。
图4为连续激光束成型副材料区域示意图。
图3图4中附图标记表示：超快激光束22；未精加工的粗糙表面33；精加工表面44；已成型的主材料区域55；成型层层厚66；连续激光77；已成型的副材料区域88。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1-4所示。本发明公开了一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，包括密封工作腔19、激光器，以及计算机系统10；
所述密封工作腔19内设置有吸附器5、送粉器6、Y轴导轨8、第二X轴导轨9；密封工作腔19外部设有粉料罐11；
所述第二X轴导轨9安装于密封工作腔19内侧壁，Y轴导轨8与第二X轴导轨9滑动连接，Y轴导轨8沿着第二X轴导轨9轨迹移动；所述吸附器5和送粉器6安装在Y轴导轨8上，并沿着Y轴导轨8轨迹移动；
所述粉料罐11用于给送粉器6供粉。
所述激光器包括：超快激光器12、超快激光扩束准直器13、连续激光器14、连续激光扩束准直器15、X-Y轴扫描振镜组及控制器16、短脉冲激光扩束准直器17和短脉冲激光器18；
所述超快激光器12的光路连接顺序为：超快激光器12发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器13射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的零件加工区域；
连续激光器14的光路连接顺序为：连续激光器14发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器15射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的零件加工区域；
短脉冲激光器18的光路连接顺序为：短脉冲激光器18发出的短脉冲激光束，经过短脉冲激光扩束准直器17射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的零件加工区域。
所述密封工作腔19内还设置有：铺粉车1、粉料缸2、落粉槽21、第一X轴导轨20；
所述密封工作腔(19)外部设有储粉罐(4)；
所述铺粉车1由第一X轴导轨20搭载，并沿着第一X轴导轨20轨迹移动；
所述落粉槽21通过管道与储粉罐4连接；所述落粉槽21与成型缸3相邻；
所述密封工作腔19的两侧分别通过进/出管路与外部的气体循环过滤装置7连接；
所述粉料缸2与成型缸3相邻，位于密封工作腔19内底面。
所述超快激光器12发出的激光束的波长为1030nm，脉冲宽度为100ns～100fs，频率为1kHz～1MkHz，最大功率为100W，激光聚焦光斑直径为20μm；
所述连续激光器14发出的激光束的波长为1064nm，最大功率为500W，激光聚焦光斑直径为50μm；
所述短脉冲激光器18发出的激光束的波长为1064nm，脉冲宽度为5～20ns，频率为1～10Hz，激光聚焦光斑直径为0.1～3mm。
所述超快激光器12、连续激光器14及短脉冲激光器18之间设有切换开关；该切换开关用于选择性开启或者关闭超快激光器12、连续激光器14或者短脉冲激光器18，使它们各自单独作业。
所述超快激光器12、连续激光器14、短脉冲激光器18和X-Y轴扫描振镜组及控制器16，分别通过电讯连接计算机系统10。
所述吸附器5为真空吸附器；所述送粉器6为超声振动送粉器。
本发明粉料罐11的数量不局限于1个，由异质材料的成分材料种类数量所决定，粉料罐11的数量等于副材料的种类数量。
超快激光器12、连续激光器14和短脉冲激光器18在实际选型时应确定各自波长等属性，这对光学元件的选型有一定的要求。
超快激光扩束准直器13、连续激光扩束准直器15和短脉冲激光扩束准直器17作用均为实现激光束的扩束准直，选型时应考虑所选激光束的属性参数；
X-Y轴扫描振镜包括光学元件反射镜与机械电机装置；为满足扫描振镜对超快激光束、连续激光束和短脉冲激光束在本发明内使用上的通用性，反射镜选型时同时应考虑三种激光的波长等参数的要求；与一般X-Y轴扫描振镜相比，为实现振镜系统为三种激光束分时共用，本发明所用扫描振镜中X轴振镜的电机装置，在保证定位精度的基础上拥有更大的旋转角度。
金属在超快激光的烧蚀作用下，主要以气化物质和离子的形式被SLM设备的气体循环装置消除，产生的固体杂物通过真空吸附器进行清除；通过超快激光对副材料成型区域边界的修整，实现不同材料在成型件中的精细分布，进一步提高成型件与模型设计的一致性；通过对每一成型层轮廓与表面的球化、凸起等缺陷进行超快激光修整实现最终成型件表面粗糙度等性能的提升，改善成型件的尺寸精度；由于SLM技术中所应用的粉末粒径一般为15～53μm，球化等缺陷直径为毫米级别，均大于超快激光的一般加工尺寸，故超快激光满足缺陷修整的要求，超快激光加工误差不超过10μm，表面粗糙度可达1μm；
激光冲击强化利用短脉冲激光在极短时间内发出的冲击波，将材料表面迅速加热到气化温度，导致极高的压应力，使材料表面发生塑性变形，改变材料表面的组织和力学性能，使得成型层中裂纹、孔洞等缺陷得到一定程度的愈合，提高材料表面硬度、抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能。
本发明激光强化制备装置包括如下运行模式：
SLM成型运行模式
通过切换开关，使连续激光器14处于开启状态，超快激光器12和短脉冲激光器18处于关闭状态；
连续激光器14发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器15射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的粉末层上，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现了该成型层的金属粉末选择性熔化；
修整运行模式
通过切换开关，使超快激光器12处于开启状态，连续激光器14和短脉冲激光器18处于关闭状态；
超快激光器12发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器13射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内当前成型层，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现对预期成型副材料的区域边界的烧蚀休整，或者成型层轮廓与表面的缺陷进行烧蚀修整；
激光冲击强化运行模式
通过切换开关，使短脉冲激光器18处于开启状态，超快激光器12和连续激光器14处于关闭状态；
短脉冲激光器18发出的短脉冲激光束，经过短脉冲激光扩束准直器17射入X-Y轴扫描振镜组及控制器16在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内当前层，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现该成型层的激光冲击强化。
一种基于超快与连续激光增减材和激光冲击强化复合制造异质材料的方法，可通过如下步骤实现：
步骤一：气体循环过滤装置7打开，成型缸3下降一个成型层厚，粉料缸2上升至少一个成型层厚，铺粉车1运动铺粉；
连续激光器14打开；将成型件的模型切片信息导入计算机系统10，计算机系统10根据模型切片数据，将控制信息传输至X-Y轴扫描振镜组及控制器16，连续激光束穿过连续激光扩束准直器15，并通过对X-Y轴扫描振镜组控制，实现连续激光对金属粉末的选择性熔化，完成本成型层主材料区域的成型；关闭连续激光器14；
步骤二：本层主材料区域成型完毕，连续激光器14关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备对步骤一所述成型层进行修整；
计算机系统10，控制吸附器5沿第二X轴导轨9、Y轴导轨8移动至准备成型副材料的区域，并吸取去除该区域未熔化的粉末；打开超快激光器12；计算机系统10将步骤一所述成型层中副材料成型区域的信息转换为超快激光控制信息后，传输给X-Y轴扫描振镜组及控制器16；超快激光束经过超快激光扩束准直器13，在X-Y轴扫描振镜组及控制器16的控制下，对步骤一所述成型层副材料成型区域的边缘进行烧蚀修整；修整完成后关闭超快激光器12；计算机系统10控制吸附器5吸取修整过程中去除的废弃物；
步骤三：对步骤二完成的副材料成型区域边缘修整完毕后，超快激光器12关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备成型步骤二中所述的副材料区域；
计算机系统10控制副材料粉末从粉料罐11中落入到送粉器6中，接着控制送粉器6沿第二X轴导轨9、Y轴导轨8移动，将副材料粉末定量、精确地送入准备成型副材料的区域；
打开连续激光器14；计算机系统10根据模型切片数据，将控制信息传输至X-Y轴扫描振镜组及控制器16，连续激光束穿过连续激光扩束准直器15，并在X-Y轴扫描振镜组及控制器16的控制下，实现连续激光对副材料粉末的选择性熔化，完成本成型层副材料区域的成型；关闭连续激光器14；
步骤四：完成步骤三所述成型层的副材料区域成型后，连续激光器14关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备对步骤三中所述成型层进行修整；
打开超快激光器12；将步骤三中成型层的表面和轮廓的缺陷信息输入计算机系统10，计算机系统10将其表面和轮廓缺陷信息转换为超快激光控制信息后，传输至X-Y轴扫描振镜组及控制器16；超快激光束经过超快激光扩束准直器13，在X-Y轴扫描振镜组及控制器16的控制下，对表面与轮廓的缺陷进行烧蚀修整；
步骤五：步骤四成型区域表面与轮廓修整完毕后，超快激光器12关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器16控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备对步骤四中所述成型层进行激光冲击强化；
打开短脉冲激光器18；将步骤四完成后的成型区域表面与轮廓信息，输入计算机系统10，计算机系统10将该成型区域表面与轮廓信息转换为短脉冲激光控制信息后，传输给X-Y轴扫描振镜组及控制器16；短脉冲激光束经过短脉冲激光扩束准直器17，在X-Y轴扫描振镜组及控制器16的控制下，对步骤四该成型层进行激光冲击强化；
激光冲击强化完成后关闭短脉冲激光器18，X-Y轴扫描振镜组及控制器16，控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，并打开连续激光器14，以切换下一个成型层的SLM成型作业；
步骤六：重复步骤一至步骤五直至SLM成型件完全成型；
关闭气体循环过滤装置7，取出成型缸3内的SLM成型件，加工完毕。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，包括密封工作腔(19)、激光器，以及计算机系统(10)；其特征在于：
所述密封工作腔(19)内设置有吸附器(5)、送粉器(6)、Y轴导轨(8)、第二X轴导轨(9)；
所述第二X轴导轨(9)安装于密封工作腔(19)内侧壁，Y轴导轨(8)与第二X轴导轨(9)滑动连接，Y轴导轨(8)沿着第二X轴导轨(9)轨迹移动；所述吸附器(5)和送粉器(6)安装在Y轴导轨(8)上，并沿着Y轴导轨(8)轨迹移动。
2.根据权利要求1所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于：所述激光器包括：超快激光器(12)、超快激光扩束准直器(13)、连续激光器(14)、连续激光扩束准直器(15)、X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)、短脉冲激光扩束准直器(17)和短脉冲激光器(18)；
所述超快激光器(12)的光路连接顺序为：超快激光器(12)发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器(13)射入X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内的零件加工区域；
连续激光器(14)的光路连接顺序为：连续激光器(14)发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器(15)射入X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内的零件加工区域；
短脉冲激光器(18)的光路连接顺序为：短脉冲激光器(18)发出的短脉冲激光束，经过短脉冲激光扩束准直器(17)射入X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内的零件加工区域。
3.根据权利要求2所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述密封工作腔(19)内还设置有：铺粉车(1)、粉料缸(2)、、落粉槽(21)、第一X轴导轨(20)；密封工作腔(19)外部设有储粉罐(4)；
所述铺粉车(1)由第一X轴导轨(20)搭载，并沿着第一X轴导轨(20)轨迹移动；
所述落粉槽(21)通过管道与储粉罐(4)连接；所述落粉槽(21)与成型缸(3)相邻；
所述密封工作腔(19)的两侧分别通过进/出管路与外部的气体循环过滤装置(7)连接；
所述粉料缸(2)与成型缸(3)相邻，位于密封工作腔(19)内底面。
4.根据权利要求3所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于：所述超快激光器(12)发出的激光束的波长为1030nm，脉冲宽度为100ns～100fs，频率为1kHz～1MkHz，最大功率为100W，激光聚焦光斑直径为20μm；
所述连续激光器(14)发出的激光束的波长为1064nm，最大功率为500W，激光聚焦光斑直径为50μm；
所述短脉冲激光器(18)发出的激光束的波长为1064nm，脉冲宽度为5～20ns,频率为1～10Hz，激光聚焦光斑直径为0.1～3mm。
5.根据权利要求4所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于：所述超快激光器(12)、连续激光器(14)及短脉冲激光器(18)之间设有切换开关；该切换开关用于选择性开启或者关闭超快激光器(12)、连续激光器(14)或者短脉冲激光器(18)，使它们各自单独作业。
6.根据权利要求5所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述超快激光器(12)、连续激光器(14)、短脉冲激光器(18)和X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，分别通过电讯连接计算机系统(10)。
7.根据权利要求6所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述吸附器(5)为真空吸附器。
8.根据权利要求7所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述送粉器(6)为超声振动送粉器。
9.根据权利要求8所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述激光强化制备装置包括如下运行模式：
SLM成型运行模式
通过切换开关，使连续激光器(14)处于开启状态，超快激光器(12)和短脉冲激光器(18)处于关闭状态；
连续激光器(14)发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器(15)射入X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内的粉末层上，X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现了该成型层的金属粉末选择性熔化；
修整运行模式
通过切换开关，使超快激光器(12)处于开启状态，连续激光器(14)和短脉冲激光器(18)处于关闭状态；
超快激光器(12)发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器(13)射入X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内当前成型层，X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现对预期成型副材料的区域边界的烧蚀休整，或者成型层轮廓与表面的缺陷进行烧蚀修整；
激光冲击强化运行模式
通过切换开关，使短脉冲激光器(18)处于开启状态，超快激光器(12)和连续激光器(14)处于关闭状态；
短脉冲激光器(18)发出的短脉冲激光束，经过短脉冲激光扩束准直器(17)射入X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内当前层，X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现该成型层的激光冲击强化。
10.一种基于超快与连续激光增减材和激光冲击强化复合制造异质材料的方法，其特征在于采用权利要求1-9中任一项所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置实现，其包括如下步骤：
步骤一：气体循环过滤装置(7)打开，成型缸(3)下降一个成型层厚，粉料缸(2)上升至少一个成型层厚，铺粉车(1)运动铺粉；
连续激光器(14)打开；将成型件的模型切片信息导入计算机系统(10)，计算机系统(10)根据模型切片数据，将控制信息传输至X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，连续激光束穿过连续激光扩束准直器(15)，并通过对X-Y轴扫描振镜组控制，实现连续激光对金属粉末的选择性熔化，完成本成型层主材料区域的成型；关闭连续激光器(14)；
步骤二：本层主材料区域成型完毕，连续激光器(14)关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备对步骤一所述成型层进行修整；
计算机系统(10)，控制吸附器(5)沿第二X轴导轨(9)、Y轴导轨(8)移动至准备成型副材料的区域，并吸取去除该区域未熔化的粉末；打开超快激光器(12)；计算机系统(10)将步骤一所述成型层中副材料成型区域的信息转换为超快激光控制信息后，传输给X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)；超快激光束经过超快激光扩束准直器(13)，在X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)的控制下，对步骤一所述成型层副材料成型区域的边缘进行烧蚀修整；修整完成后关闭超快激光器(12)；计算机系统(10)控制吸附器(5)吸取修整过程中去除的废弃物；
步骤三：对步骤二完成的副材料成型区域边缘修整完毕后，超快激光器(12)关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备成型步骤二中所述的副材料区域；
计算机系统(10)控制副材料粉末从粉料罐(11)中落入到送粉器(6)中，接着控制送粉器(6)沿第二X轴导轨(9)、Y轴导轨(8)移动，将副材料粉末送入准备成型副材料的区域；
打开连续激光器(14)；计算机系统(10)根据模型切片数据，将控制信息传输至X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，连续激光束穿过连续激光扩束准直器(15)，并在X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)的控制下，实现连续激光对副材料粉末的选择性熔化，完成本成型层副材料区域的成型；关闭连续激光器(14)；
步骤四：完成步骤三所述成型层的副材料区域成型后，连续激光器(14)关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备对步骤三中所述成型层进行修整；
打开超快激光器(12)；将步骤三中成型层的表面和轮廓的缺陷信息输入计算机系统(10)，计算机系统(10)将其表面和轮廓缺陷信息转换为超快激光控制信息后，传输至X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)；超快激光束经过超快激光扩束准直器(13)，在X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)的控制下，对表面与轮廓的缺陷进行烧蚀修整；
步骤五：步骤四成型区域表面与轮廓修整完毕后，超快激光器(12)关闭，X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，准备对步骤四中所述成型层进行激光冲击强化；
打开短脉冲激光器(18)；将步骤四完成后的成型区域表面与轮廓信息，输入计算机系统(10)，计算机系统(10)将该成型区域表面与轮廓信息转换为短脉冲激光控制信息后，传输给X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)；短脉冲激光束经过短脉冲激光扩束准直器(17)，在X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)的控制下，对步骤四该成型层进行激光冲击强化；
激光冲击强化完成后关闭短脉冲激光器(18)，X-Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X-Y轴扫描振镜组转动到初始位置，并打开连续激光器(14)，以切换下一个成型层的SLM成型作业；
步骤六：重复步骤一至步骤五直至SLM成型件完全成型；
关闭气体循环过滤装置(7)，取出成型缸(3)内的SLM成型件，加工完毕。
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