CN114082990A - 激光增材制造基体温度动态调控方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光增材制造基体温度动态调控方法与装置，该装置的工作台上放置有紫铜块和红外热成像仪，紫铜块内部设置有通水管路，通水管路与冷水机及循环装置连接，紫铜块上表面中心处设置有凹槽，凹槽内用于放置基体，凹槽尺寸与基体匹配，基体上方为激光送粉头；凹槽两侧设置有压块，压块外周圈设置有轨道，轨道上滑动连接有电机小车，电机小车上设置有风冷管，风冷管与氩气罐连接；红外热成像仪对准基体，红外热成像仪连接有温度记录仪；电机小车、温度记录仪、氩气罐气流量调节阀与冷水机的水流量调节阀均与控制器连接。控制方法中配用水冷、风冷设备闭环调控基体动态温度，本发明解决熔覆层组织性能较差及易产生裂纹的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属零件激光增材制造领域。具体涉及的是激光增材制造基体温度动态调控方法与装置。
背景技术
激光增材制造技术是基于层层叠加制造的快速原型原理，通过激光对同轴输送的金属粉末材料按照规划的扫描路径实现逐层熔化堆积，直接制造具有三维形状金属功能零件的技术。它具有热输入能量可控、柔性化及无模化制造特点，特别适合于精密、复杂结构的钛合金、高温合金等贵重金属材料零件的直接制造与成形修复，可有效缩短产品开发运维周期、降低开发运维费用，已广泛应用于航空航天、能源化工等领域重大装备关键零部件的直接制造与成形修复。
在激光增材制造过程中若基体为高温合金，首层熔覆基体与熔覆层温度梯度大，无成分过冷，熔覆层组织凝固方式为平面生长；当多层熔覆时，热量不断输入使熔覆层热量累积，基体与熔覆层之间的温度梯度逐渐减小，出现成分过冷区域且程度递增，此时固液面失稳，凝固方式依次转为胞状晶、柱状晶、等轴晶生长。若基体与熔覆层温度梯度减小，不仅使熔覆层冷却速率降低，合金凝固过冷度小，形核少，偏析相在凝固末期析出时相互连接在一起，形成大面积偏析相聚集，影响熔覆层质量；而且会使熔覆层散热不及时，导致熔覆层晶界脆性化合物热应力集中，其存在会使晶体变形，初生的发达枝晶连接形成网状，使得枝晶间的液体封闭，晶体间残存的液体流通不顺造成液态金属凝固收缩时无足够的液体补充，随着温度继续降低，枝晶间易开裂，形成裂纹缺陷。此外，为避免熔覆层热量累积，激光熔覆常选用低功率、快扫描速度，但过低功率与过快扫描速度使粉末吸收的热量不足以使其充分熔化，进而影响沉积道熔高、熔深尺寸，改变稀释率。稀释率过大，导致熔覆层被过分的稀释，影响熔覆层的特殊性能；稀释率过小，则熔覆层与基体的结合力不够，影响其结合强度，导致熔覆层易剥落。故提高熔覆层组织性能及预防裂纹产生成为增材制造技术实现拓展应用亟待解决的关键问题。
目前有研究者采用基体预热方法进行温度梯度干预来防止熔覆层裂纹产生。但基体预热温度不易控制，且只对首层熔覆有较好效果，随着熔覆层叠加热量依然不断累积；此外，为使基体均匀加热达到良好的预热效果，需配备真空炉装置，结构复杂成本高。
发明内容
发明目的：本发明提供一种激光增材制造基体温度动态调控方法与装置，其目的在于解决现有装置及方法得到的熔覆层组织性能较差及易产生裂纹的问题。
技术方案:
一种激光增材制造基体温度动态调控装置，该装置的工作台上放置有紫铜块和红外热成像仪，紫铜块内部设置有通水管路，通水管路与冷水机及循环装置连接，紫铜块上表面中心处设置有凹槽，凹槽内用于放置基体，凹槽尺寸与基体匹配，基体上方为激光送粉头；凹槽两侧设置有压块，压块外周圈设置有轨道，轨道上滑动连接有电机小车，电机小车上设置有风冷管，风冷管与氩气罐连接；红外热成像仪对准基体，红外热成像仪连接有温度记录仪；电机小车、温度记录仪、氩气罐气流量调节阀与冷水机的水流量调节阀均与控制器连接。
进一步的，通水管路为多个支路水管并联形成的管路结构。
进一步的，风冷管采用发散型气口。
进一步的，电机小车与基体直线距离7-15cm。
一种激光增材制造基体温度动态调控装置的调控方法，
步骤1：将基体熔覆区域加工处理去掉氧化皮，合理规划设定激光送粉头的扫描路线与工艺参数；
步骤2：将基体放到紫铜块的凹槽内，若基体的体积小于凹槽的容积则用压块进行压紧约束，防止在加工过程中基体因热应力集中而引发的弯曲变形；
步骤3：将红外热成像固定在工作台上，将红外热成像仪镜头对准基体，打开温度记录仪温度记录曲线程序；
步骤4：将PLC控制器与温度记录仪、电机小车、气流量调节阀、水流量调节阀的接收信号端连接；
步骤5：激光熔覆过程中冷却：红外热成像仪检测基体最高温度，温度记录仪设置温度上限值T2、温度下限值T1、冷却时间t；当基体最高温度达到T2时，温度记录仪传递信号给PLC控制器，PLC控制器通过公式
计算冷却速度，再传递信号给气流量调节阀、水流量调节阀，气流量调节阀和水流量调节阀依据计算的冷却速度调节气流、水流；当基体温度到达T1时，PLC控制器直接传递信号给气流量调节阀、水流量调节阀，使之停止工作后，可进行下一层熔覆。
进一步的，温度下限值T1为金属自身属性决定，为已知量；温度上限值T2为根据金属凝固时的组织形态与固—液界面处液相的温度梯度存在的关系模型确定，关系模型为：
式中G为液固界面前沿液相温度梯度；R为界面生长速度；DL为溶质在液相中的扩散系数；ΔT为平衡结晶温度间隔。
本发明具有如下优点：
(1)本发明中选用紫铜块开槽的方法放置基体，凹槽形状尺寸可定制以匹配基体，相比现有基体放置方法减少了装夹工作量并增加散热速率。
(2)本发明中紫铜块凹槽旁设置压块，当在薄板基体上增材制造时实施压紧，与冷却系统共同作用可防止薄板基体因热应力集中发生的弯曲变形。
(3)本发明为达到更高冷却效果，紫铜块内部中空通冷却水管，且表面设计轨道运行电机小车，带动风冷管吹气冷却；冷却气体用高纯氩气，对熔覆区形成惰性气体保护氛围，防止激光熔覆过程中材料的高温氧化。相比现有冷却装置本发明使基体散热因精准而更快，避免了因热量累积引发的裂纹缺陷；同时较大温度梯度长时间维持有利于定向凝固高温合金的柱状晶体生长，进而细化组织，增强硬度摩擦磨损等力学性能。
附图说明
图1为本发明结构示意图-主视图；
图2为本发明结构示意图-俯视图；
图3为压块主视图；
图4为压块俯视图；
图5为紫铜块内水冷管截面图；
图6为温度控制系统结构框图；
图7为温度控制系统实现流程图；
图8为温度梯度对成分过冷的影响图；
图9为凝固时界面移动对温度梯度的影响图；
图10为温度梯度逐渐减小时熔覆层顶部组织图；
图11为温度梯度保持较大时熔覆层顶部组织图；
图12为薄板基体不使用水冷装置、压块压紧时弯曲程度效果图；
图13为薄板基体使用水冷装置、压块压紧时弯曲程度效果图；
图中标注：1、激光同轴送粉头，2、基体，3、压块，3-1、压头，3-2、连杆，3-3、螺纹杆，3-4、螺母，4、红外热成像仪，5、温度记录仪，6、PLC控制器，7、风冷管，8、电机小车，8-1、滑轮，8-2、车身，9、升降杆，10、水冷管进水接口，11、轨道，12、紫铜块，12-1、凹槽，12-2、通水管路，13、工作台，14、气流量调节阀，15、氩气瓶，16、水流量调节阀，17、水冷机。
具体实施方式
以下结合说明书附图更详细的说明本发明。
若在急热骤冷的激光熔覆过程中，采用温度闭环控制系统实现稳定温升、缓冷，以此保持基体与熔覆层之间温度梯度处于恒定的状态，对抑制熔覆层裂纹产生是行之有效的。从热输入和凝固理论角度出发，配用紫铜块水冷底座、水冷、风冷设备闭环调控基体动态温度，使基体与熔覆层之间保持稳定的温度梯度，以此改善熔覆层冷却速率和散热条件，维持稳定的微观组织形成条件，进而预防裂纹产生。
如图1-2所示，一种激光增材制造基体温度动态调控装置，该装置的工作台13上放置有紫铜块12和红外热成像仪4，紫铜块12内部设置有通水管路12-2，通水管路12-2通过水冷管进水接口10与冷水机17及循环装置连接，紫铜块12上表面中心处设置有加工凹槽12-1，加工凹槽12-1内放置有基体2，加工凹槽尺寸与基体匹配，基体2上方为激光送粉头1；
如图3-4所示，加工凹槽12-1两侧设置有压块3，压块3包括压头3-1、连杆3-2、螺纹杆3-3、螺母3-4。压头3-1通过连杆3-2与螺纹杆3-3连接，螺纹杆3-3通过螺纹孔固定在紫铜块12上，可调节螺母3-4高度对加工过程中基体2稳定压紧；
压块3外周圈设置有轨道11，轨道11上滑动连接有电机小车8，结构包括滑轮8-1、车身8-2。滑轮8-1与车身8-2通过升降杆9连接并调节车身位置，升降杆9底端固定在滑轮8-1上，升降杆9顶端通过万向轴连接车身8-2。电机小车车身8-2上设置有风冷管7，风冷管7与氩气罐16连接；红外热成像仪4对准基体2检测最高温度点，红外热成像仪4连接有温度记录仪5，温度记录仪5记录红外热成像仪4测量的基体温度，形成温度曲线；可预设检测温度上限值、下限值、冷却时间并传递信号给PLC控制器6；电机小车8、温度记录仪5、氩气罐16气流量调节阀14与冷水机16的水流量调节阀17均与控制器6连接。控制器6为PLC控制器。
如图5所示，通水管路12-2为多个支路水管并联形成的管路结构。冷水机16提供冷却水，循环于紫铜块12水冷底座体内。冷水机16的水流量调节阀17在PLC控制器6反馈下实现流量调节。
风冷管7采用发散型气口。风冷管7的进气端与氩气罐16连接，管体自上而下引入工作舱室避免圆周运动出现管道打结现象，出气端固定在电机小车8上随之移动，且采用发散型气口，可加大冷却面积。
红外热成像仪4与配套温度记录仪5自动调焦检测、记录基体2实时最高温度；温度记录仪5可设置检测温度上限值T2、温度下限值T1、冷却时间t。当温度到达T2时，通过PLC控制器6先传递信号给电机小车8，电机小车8接收温度记录仪5传递的温度信号后带动风冷管7出气端在轨道11上运动到温度最高点对应位置后，回传信号给PLC控制器6。PLC控制器6再同时传递信号给气流量调节阀14与水流量调节阀17，风冷、水冷设备打开，带走基体2吸收的的热量，使基体2温度快速冷却至T1，减少基体2热量累积并维持基体2与熔覆层的温度梯度。当基体2温度到达T1时，PLC控制器6直接传递信号给气流量调节阀14与水流量调节阀17，风冷、水冷设备关闭。
电机小车8与基体2直线距离7-15cm。当距离小于7cm时，电机小车8会影响激光送粉头1的轨迹运行；当距离大于15cm时，则会削弱风冷效果。
一种激光增材制造基体温度动态调控装置的调控方法，如图6-7所示，
步骤1：将基体2熔覆区域加工处理去掉氧化皮，合理规划设定激光送粉头1的扫描路线与工艺参数；
步骤2：当基体2尺寸：长×宽×高大于30×30×3mm时，选择凹槽与之匹配的紫铜块；当基体2尺寸：长×宽×高小于30×30×3mm时，选择凹槽与基体2匹配的紫铜块。并使用压块3压紧基体，压紧度通过螺纹杆与螺母配合调节，防止在加工过程中基体2因热应力集中而引发的弯曲变形；
步骤3：将红外热成像仪4固定在工作台13上，将红外热成像仪4镜头对准基体2，打开温度记录仪5温度记录曲线程序；
步骤4：将PLC控制器6与温度记录仪5、电机小车8、气流量调节阀14、水流量调节阀17的接收信号端连接；
将风冷管7的出气端固定在电机小车8上，将风冷管7的进气端与氩气瓶15上的气流量调节阀14连接；
将电机小车8安装在轨道11上，并用手轻轻推动电机小车滑轮8-1，确保能正常滑动。调节升降杆9的高度校正好风冷管7出气端位置，对准基体2。
通水管路12-2进水接口10连接冷水机16的出水口。通水管路12-2出水接口连接冷水机16的进水口。
步骤5：激光熔覆过程中冷却：红外热成像仪4检测基体2最高温度，温度记录仪5设置检测温度上限值T2、温度下限值T1、冷却时间t；当基体2最高温度达到T2时，温度记录仪5传递信号给PLC控制器6，PLC控制器6通过公式
计算冷却速度，再传递信号给气流量调节阀14、水流量调节阀17，气流量调节阀14和水流量调节阀17依据计算的冷却速度调节气流、水流。
当基体2温度到达T1时，PLC控制器6直接传递信号给气流量调节阀14、水流量调节阀17，使之停止工作后，可进行下一层熔覆；基体熔覆过程中形成较大温度梯度，加快散热，熔覆层热量累积减少，以此改善裂纹缺陷与组织性能。
温度下限值T1为金属自身属性决定，为已知量；温度上限值T2为根据金属凝固时的组织形态与固—液界面处液相的温度梯度存在的关系模型确定，关系模型为：
式中，G为液固界面前沿液相温度梯度；R为界面生长速度；DL为溶质在液相中的扩散系数；ΔT为平衡结晶温度间隔。
金属在凝固时，熔融金属距固—液界面的距离不同，温度也不同，因此形成了温度梯度G。金属凝固时的组织形态与固—液界面处液相的温度梯度存在一定关系模型：
式中G为液固界面前沿液相温度梯度；R为界面生长速度；DL为溶质在液相中的扩散系数；ΔT为平衡结晶温度间隔。凝固的组织形态由G/R决定，当固—液界面的G/R≥ΔT/DL时，晶体以平面凝固方式生长；当G/R＜ΔT/DL时，固—液界面将会失稳，凝固生长方式转变。
温度梯度对成分过冷的影响如图8所示，图中G为温度梯度；T0为液相中的凝固温度曲线。温度梯度G0曲线与实际液相曲线相切，无成分过冷，凝固方式为平面生长；当温度梯度降低到G1时，出现成分过冷区域，固—液界面将会失稳。凝固方式由平面生长转变为柱状晶生长；当温度梯度降低至G2时，成分过冷程度增加，等轴晶比柱状晶更容易形核，凝固方式转变为等轴晶。
凝固时固—液界面移动对温度梯度的影响如图9所示。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示界面温度为T0、T1、T2(T0＜T1＜T2)时对应的固—液界面，直线G0、G1、G2(G2＜G1＜G0)代表各界面的前沿温度梯度。随着凝固过程的进行，界面Ⅱ的温度为T1，固—液界面Ⅱ前沿的温度梯度为G1，此时出现了成分过冷区，在界面处以柱状晶形式生长。固—液界面继续移动，界面温度为T2时，温度梯度为G2，成分过冷增大，凝固模式由柱状晶向等轴晶转变，得到等轴晶组织。
采用本发明的温度记录仪5设置检测温度下限值T1(T1值由金属自身属性决定)、温度上限值T2(T2值为实验数据)，当温度到达T1、T2时，界面Ⅱ、Ⅲ会相应发生移动；此时界面Ⅱ、Ⅲ对应的前沿温度梯度G1、G2也发生改变，即成分过冷度改变，即晶体生长方式改变。
所以可通过本发明的冷却装置控制T2到T1的冷却速度，增加温度梯度G1到温度梯度G2的时间，即增加柱状晶生长时间，达到改善熔覆层组织性能目的。
如图10-11所示，定向凝固高温合金在不同的冷却条件下进行激光熔覆，得到熔覆层柱状晶生长占比图。当不采用冷却装置时，随着激光能量不断输入，热量逐渐累积，基体2与熔覆层温度梯度减小，晶体生长方式开始由柱状晶转为等轴晶生长，在光学显微镜下观察熔覆层顶部金相组织，柱状晶占比较小，如图10所示；当冷却装置选用该发明多管路通冷却水外加风冷装置时，基体2与熔覆层一直维持较大温度梯度，柱状晶生长方式不变且生长时间充分，在光学显微镜下观察熔覆层顶部同一位置金相组织，发现柱状晶占比明显增大，如图11所示。由此得出，该发明的水冷、风冷装置可有效改变激光增材制造时基体与熔覆层之间的温度梯度，进而细化熔覆层组织改善力学性能。
如图12-13所示，在两块等大(20×10×2mm)的高温合金基体上激光熔覆，所用激光功率、扫描速度、送粉速率、扫描方式等加工工艺参数均相同。当基体2放在该发明紫铜块凹槽12-1内，加工过程不使用压块3压紧与冷却装置，此时热应力、组织应力等多种残余应力集中，致使基体发生弯曲变形，如图12所示；当基体2放在该发明紫铜块凹槽12-1内，加工过程使用压块3压紧与冷却装置，在对基体加快散热与压紧约束情况下，基体几乎不发生弯曲变形，如图13所示。由此得出，在该发明压块3与冷却装置的共同作用下，可有效防止薄板基体在激光增材制造时发生弯曲变形。
Claims (6)
1.一种激光增材制造基体温度动态调控装置，其特征在于：该装置的工作台(13)上放置有紫铜块(12)和红外热成像仪(4)，紫铜块(12)内部设置有通水管路(12-2)，通水管路(12-2)与冷水机(17)及循环装置连接，紫铜块(12)上表面中心处设置有凹槽(12-1)，凹槽(12-1)内用于放置基体(2)，凹槽(12-1)尺寸与基体(2)匹配，基体(2)上方为激光送粉头(1)；凹槽(12-1)两侧设置有压块(3)，压块(3)外周圈设置有轨道(11)，轨道(11)上滑动连接有电机小车(8)，电机小车(8)上设置有风冷管(7)，风冷管(7)与氩气罐(16)连接；红外热成像仪(4)对准基体(2)，红外热成像仪(4)连接有温度记录仪(5)；电机小车(8)、温度记录仪(5)、氩气罐(16)气流量调节阀(14)与冷水机(16)的水流量调节阀(17)均与控制器(6)连接。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造基体温度动态调控装置，其特征在于：通水管路(12-2)为多个支路水管并联形成的管路结构。
3.根据权利要求1所述的激光增材制造基体温度动态调控装置，其特征在于：风冷管(7)采用发散型气口。
4.根据权利要求1所述的激光增材制造基体温度动态调控装置，其特征在于：电机小车(8)与基体(2)直线距离7-15cm。
5.一种如权利要求1所述的激光增材制造基体温度动态调控装置的调控方法，其特征在于：
步骤1：将基体(2)熔覆区域加工处理去掉氧化皮，合理规划设定激光送粉头(1)的扫描路线与工艺参数；
步骤2：将基体(2)放到紫铜块(12)的凹槽(12-1)内，若基体(2)的体积小于凹槽(12-1)的容积则用压块(3)进行压紧约束，防止在加工过程中基体(2)因热应力集中而引发的弯曲变形；
步骤3：将红外热成像(4)固定在工作台(13)上，将红外热成像仪(4)镜头对准基体(2)，打开温度记录仪(5)温度记录曲线程序；
步骤4：将PLC控制器(6)与温度记录仪(5)、电机小车(8)、气流量调节阀(14)、水流量调节阀(17)的接收信号端连接；
步骤5：激光熔覆过程中冷却：红外热成像仪(4)检测基体(2)最高温度，温度记录仪(5)设置温度上限值T2、温度下限值T1、冷却时间t；当基体(2)最高温度达到T2时，温度记录仪(5)传递信号给PLC控制器(6)，PLC控制器(6)通过公式
计算冷却速度，再传递信号给气流量调节阀(14)、水流量调节阀(17)，气流量调节阀(14)和水流量调节阀(17)依据计算的冷却速度调节气流、水流；当基体(2)温度到达T1时，PLC控制器(6)直接传递信号给气流量调节阀(14)、水流量调节阀(17)，使之停止工作后，可进行下一层熔覆。
6.跟权利要求5所述的激光增材制造基体温度动态调控装置的调控方法，其特征在于：温度下限值T1为金属自身属性决定，为已知量；温度上限值T2为根据金属凝固时的组织形态与固—液界面处液相的温度梯度存在的关系模型确定，关系模型为：
式中G为液固界面前沿液相温度梯度；R为界面生长速度；DL为溶质在液相中的扩散系数；ΔT为平衡结晶温度间隔。
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