CN114535621A - 粉床熔化成形方法及其双激光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粉床熔化成形的双激光装置，包括脉冲激光模块、连续激光模块以及可形成分粉末床的成型机构，脉冲激光模块发射脉冲激光作用于粉末床上，连续激光模块发射连续激光作用于粉末床上，成型机构包括用于搁置粉末床的成型平台，成型平台由驱动机构驱使升降以靠近或远离脉冲激光模块的出射端，驱动机构还驱使成型平台升降以靠近或远离连续激光模块的出射端。还提供粉床熔化成形方法，采用上述的粉床熔化成形的双激光装置。本发明的脉冲激光与连续激光的协同使用可以明显改善粉床熔化情况，减少未熔粉的出现，获得平滑的熔覆道，获得残余应力较小、组织均匀、缺陷较少、含氧量低与成形精度较高的成形件。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种粉床熔化成形的双激光装置。
背景技术
粉床熔化技术是增材制造的主流技术之一。激光作用于粉末物质时，粉末吸收的能量转化为热能，促使粉末温度上升，当粉末温度超过熔点时熔化，熔化的粉末相互连接聚集形成熔池。结合铺粉装置，激光作用于第二层粉末时，粉末迅速熔化并与前一层融在一起，如此层层堆积形成三维立体成形件。
随着对微点阵结构材料的不断研究，微纳催化材料的不断应用以及对成形精度要求的不断提升，激光增材制造的成形质量以及精度也需要进一步提升。近期研究表明，采用小层厚、细分与小光斑结合的增材制造方法，可以将连续激光制造精度控制在10μm，即便采用这种方法，连续激光也有其局限性：(1)激光工作时采用单个聚焦镜，难以对光斑尺寸进行动态调节；(2)粉末的粒径不是单一的，通常呈高斯分布，设定的激光功率参数为了熔化平均粒径而难以熔化更大粒径的粉末；(3)粉末表面极易存在氧化层，氧化层具有较高的熔点，会导致粉末熔化不均匀，以及成形件含有一定量的氧元素；(4)激光作用粉末时的冲击令熔池呈现鱼鳞状，同时可能产生的球化现象阻碍了连续熔覆道的形成，形成粗糙的表面；(5)激光作用所导致的快冷快热形成了极大地温度梯度，这使得层与层之间存在热应力，热应力过大或者不均匀将会令成形件开裂失效；并且这会产生枝状晶粒，破坏成形件的力学性能；(6)激光作用下，由于热毛管力、马兰戈尼对流、反冲压力和气体离子体等的复杂相互作用，熔池表面会产生不断波动和坍塌的锁孔，如果锁孔在凝固前被封住，就会形成有害的结构缺陷；(7)连续单层层厚，不能控制单层厚度便不能真正达到高精度。激光的加工精度难以满足对精度要求极高的成形件。尤其是脉冲激光以脉冲形式工作，单个脉冲输出时间称为脉冲宽度，脉冲激光的峰值功率高，热影响区小，加工精度高，脉冲激光的这些性质可以目标位置烧蚀熔融而不影响周边范围，利用脉冲激光可以克服连续激光加工的一些缺点，并且调整好脉冲激光的参数，在仅使用脉冲激光时同样可以获得熔池熔覆道，实现精密加工的目的。激光装置难以实时地改变自身焦距，达到不同的目的。研究脉冲激光与连续激光结合使用，同时与加工装置协同作用对于粉床熔化成形进而改善成形件精度与力学性能有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉床熔化成形的双激光装置，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种粉床熔化成形的双激光装置，包括脉冲激光模块、连续激光模块以及可形成分粉末床的成型机构，所述脉冲激光模块发射脉冲激光作用于所述粉末床上，所述连续激光模块发射连续激光作用于所述粉末床上，所述成型机构包括用于搁置所述粉末床的成型平台，所述成型平台由驱动机构驱使升降以靠近或远离所述脉冲激光模块的出射端，所述驱动机构还驱使所述成型平台升降以靠近或远离所述连续激光模块的出射端。
进一步，所述成型机构还包括粉缸和刮粉装置，所述刮粉装置将所述粉缸中的粉末送至所述成型平台以形成所述粉末床。
进一步，所述刮粉装置包括刮刀或圆辊；所述刮粉装置为刮刀时，所述刮刀将所述粉缸中的粉末推送至所述成型平台上，所述刮粉装置为圆辊时，所述圆辊将所述粉缸中的粉末滚送至所述成型平台上；所述粉缸位于所述刮粉装置和所述成型平台之间的路径上。
进一步，还包括用于监控所述成型平台上的状态的熔池监测模块。
进一步，所述成型平台及所述成型平台上的粉末床均置于密封壳体中，还包括向所述密封壳体中通入保护气体的气氛保护模块。
进一步，还包括用于监控所述密封壳体中的氧含量的显示模块。
进一步，所述脉冲激光模块包括沿光路依次设置的脉冲激光激励系统、脉冲激光激光物质、脉冲激光光纤放大器以及脉冲激光扫描振镜，所述连续激光模块包括沿光路依次设置的连续激光激励系统、连续激光激光物质、连续激光光纤放大器以及连续激光扫描振镜。
本发明实施例还提供如下技术方案：一种粉床熔化成形方法，采用上述的粉床熔化成形的双激光装置，通过所述脉冲激光模块和所述连续激光模块的协同作业完成粉末床熔化。
进一步，在所述成形平台上铺设粉末床，脉冲激光模块对粉末加热熔融形成熔池熔覆道，成型平台在所述驱动机构的驱动下回到初始位置，再控制连续激光模块有选择的对粉末层加热熔融形成熔池熔覆道，结合铺粉装置加工第二层以及多层粉末，形成成形件。
进一步，在连续激光对粉末加热之前，利用监控模块判断出图像中偏离平均尺寸较大的大颗粒，并控制脉冲激光模块的脉冲激光光斑移动至大颗粒处，利用成型平台上升令光斑大小增大，进而控制脉冲激光光斑大小；在脉冲激光加工完该目标粉末后，选择下一个大颗粒并重新调整成型平台上升距离，直到加工路径上的过大颗粒清除完毕，接下来采用连续激光模块的连续激光加热以获得完整的熔池熔覆道。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、脉冲激光与连续激光的协同使用可以明显改善粉床熔化情况，减少未熔粉的出现，获得平滑的熔覆道，获得残余应力较小、组织均匀、缺陷较少、含氧量低与成形精度较高的成形件。
2、成型平台可以上升与下降而不是传统成型平台只能下降，可以粉床熔化成形，控制单层厚度，提高成形精度。
3、熔池监测模块可以结合计算机视觉识别，对影响熔池质量的因素进行判断，获得更多有用数据。
4、可以减少粉床熔化增材制造中熔池出现未熔粉，令粉末熔化均匀，减少粉末飞溅，具有平滑的熔覆道，改善热应力、组织结构与锁孔缺陷，改善成形件成形精度，减少成形件氧含量，获得较高的粉床熔化质量，进而获得性能较好的成形件。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种粉床熔化成形的双激光装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种粉床熔化成形的双激光装置的成型平台上升改变光斑大小示意图；
图3为本发明实施例提供的一种粉床熔化成形的双激光装置前后熔池横截面熔化情况对比图；
图4为本发明实施例提供的一种粉床熔化成形的双激光装置前后熔池表面情况对比图；
图5为本发明实施例提供的一种粉床熔化成形的双激光装置前后熔池横截面缺陷情况对比图；
附图标记中：1-连续激光光纤放大器，2-连续激光激光物质，3-连续激光激励系统，4-脉冲激光光纤放大器，5-脉冲激光激光物质，6-脉冲激光激励系统，7A-连续激光扫描振镜，7B-脉冲激光扫描振镜，8-熔池监测模块，9-气氛保护模块，10-刮粉装置，11-粉缸，12-成型平台，13-粉末床，14-氧传感器，15-电机，16-颗粒一，17-颗粒二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种粉床熔化成形的双激光装置，包括脉冲激光模块、连续激光模块以及可形成分粉末床13的成型机构，所述脉冲激光模块发射脉冲激光作用于所述粉末床13上，所述连续激光模块发射连续激光作用于所述粉末床13上，所述成型机构包括用于搁置所述粉末床13的成型平台12，所述成型平台12由驱动机构驱使升降以靠近或远离所述脉冲激光模块的出射端，所述驱动机构还驱使所述成型平台12升降以靠近或远离所述连续激光模块的出射端。优选的，所述脉冲激光模块包括沿光路依次设置的脉冲激光激励系统6、脉冲激光激光物质5、脉冲激光光纤放大器4以及脉冲激光扫描振镜7B，所述连续激光模块包括沿光路依次设置的连续激光激励系统3、连续激光激光物质2、连续激光光纤放大器1以及连续激光扫描振镜7A。现有广东汉邦激光科技有限公司(CN207823960U)公开了一种口腔器件的3D打印装置，该装置采用单光路将连续激光与脉冲激光耦合加工，仅能在连续激光加热后再使用脉冲激光，单向的加工平台难以实时有效的对脉冲激光进行调焦，同时加工效率较低，无法应对需要连续激光与脉冲激光同时加热或者协同加热成形件才能获得的较少缺陷、较好性能以及高精度等单光路无法满足的要求。为了满足上述要求，需要单独设计一条新的光路，采用连续激光与脉冲激光独立控制的双光路可以满足上述要求，提高加工效率，并且在本实施例中，脉冲激光与连续激光的协同使用可以明显改善粉床熔化情况，减少未熔粉的出现，获得平滑的熔覆道，获得残余应力较小、组织均匀、缺陷较少、含氧量低与成形精度较高的成形件。成型平台12可以上升与下降而不是传统成型平台12只能下降，可以粉床熔化成形，控制单层厚度，提高成形精度。其中的驱动机构可以采用电机15或气缸。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述成型机构还包括粉缸11和刮粉装置10，所述刮粉装置10将所述粉缸11中的粉末送至所述成型平台12以形成所述粉末床13。优选的，所述刮粉装置10包括刮刀或圆辊；所述刮粉装置10为刮刀时，所述刮刀将所述粉缸11中的粉末推送至所述成型平台12上，所述刮粉装置10为圆辊时，所述圆辊将所述粉缸11中的粉末滚送至所述成型平台12上；所述粉缸11位于所述刮粉装置10和所述成型平台12之间的路径上。在本实施例中，可以采用粉缸11来补充粉末，该粉缸11也可以由驱动机构升降以提供粉末。送粉的方式可以采用刮刀或者是圆辊，图1所示为圆辊的形式，本实施例对此不作限定。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，本装置还包括用于监控所述成型平台12上的状态的熔池监测模块8。在本实施例中，可以采用熔池监测模块8来对工作状态进行监控，一方面可以监控成型平台12上的粉末，另一方面也可以监控光斑。可以利用高清高速相机结合计算机视觉识别系统。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述成型平台12及所述成型平台12上的粉末床13均置于密封壳体中，还包括向所述密封壳体中通入保护气体的气氛保护模块9。还包括用于监控所述密封壳体中的氧含量的显示模块。在本实施例中，可以采用密封结构并配合气氛保护模块9来实现无氧密封的环境，然后可以通过氧传感器14来监测氧含量。
请参阅图1，本发明实施例还提供一种粉床熔化成形方法，采用上述的粉床熔化成形的双激光装置，通过所述脉冲激光模块和所述连续激光模块的协同作业完成粉末床13熔化。在本实施例中，连续激光模块用于熔化粉末床13，脉冲激光模块用于对粉末的加工以及对熔池与成形件的修饰。扫描振镜用于将激光聚焦于粉床表面并且按路径移动。受升降电机15控制的成型平台12用于对粉末床13的加工，成形平台有极高的移动精度可以配合铺粉装置铺设极薄的粉末层，铺粉装置用于在成型平台12铺设粉末。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，位于成型平台12上方的熔池检测设备可以实时观察粉末以及熔池的变化情况，熔池检测设备可以结合计算机视觉识别系统，用于控制脉冲激光的开关以及移动。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，减少未熔粉末是利用脉冲激光对偏离粉末平均粒径较多的大颗粒烧蚀熔化。熔池中的未熔粉末会破坏熔池的连续性，对成形件的性能有较大的破坏。在连续激光对粉末加热之前，利用高清高速相机结合计算机视觉识别系统，判断出图像中偏离平均尺寸较大的大颗粒，并控制脉冲激光光斑移动至大颗粒处，利用成型平台12上升可以令光斑大小增大，进而控制脉冲激光光斑大小，成型平台12上升距离z的计算方法为：
其中ω0为设置的光斑大小，λ为激光波长，D为光斑半径扩大倍数。
根据上述计算方法，控制脉冲激光光斑尺寸与颗粒尺寸一致，脉冲激光热影响区小，对目标粉末之外的粉末颗粒影响极小。选择合适的脉冲激光功率对目标粉末烧蚀与熔融，在脉冲激光加工完该目标粉末后，选择下一个大颗粒并重新调整成型平台12上升距离，直到加工路径上的过大颗粒清除完毕，接下来连续激光加热时将会获得完整的熔池熔覆道。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，粉末均匀熔化、减少成形件氧含量和减少粉末飞溅的方法是利用脉冲激光烧蚀粉末表面氧化层。在粉末制备过程中，粉末或多或少的会接触氧气生成氧化层，尤其是极细粉末，其比表面积大，更易与氧气形成氧化层。粉末氧化层的熔点一般高于未被氧化的粉末，连续激光加热粉末时可能不能使粉末完全熔化，同时氧化层中的氧元素最终存在于成形件中，产生难以预料的后果。脉冲激光具有的高瞬时功率可以对粉末表面的氧化层烧蚀，露出未被氧化的粉末，同时产生预烧结的效果，粉末轻微的连接在一起，减少在连续激光冲击下的飞溅。脉冲激光在连续激光之前，两光斑以相同的速度相邻加热，经过脉冲激光烧蚀后，连续激光加热后的熔池熔化情况更好，同时成形件中具有更少的氧含量。
作为本发明实施例的优化方案，该烧蚀粉末氧化层的方法还可用于对被氧化的粉末废料进行二次利用，节约资源。
作为本发明实施例的优化方案，平滑的熔覆道是利用脉冲激光对熔覆道进一步加工实现的。当连续激光加热粉末层时，所形成的熔覆道表面通常呈鱼鳞状，熔覆道横截面呈波浪状，利用脉冲激光可对熔覆道表面进行修整变得平滑。控制脉冲激光光斑半径稍大于熔池宽度，脉冲激光与连续激光以相同的速度、路径以及平均功率进行扫描，脉冲激光位于连续激光之后，通过计算机视觉识别系统根据熔池起伏情况判断是否开启脉冲激光。两激光光斑相差1～2厘米，从而保证连续激光加热形成的熔池已经完全凝固，实现每一条熔覆道表面光滑平整，进而提高成形件整体精度。
作为本发明实施例的优化方案，改善热应力与组织结构是利用连续激光与脉冲激光的协同加工实现的。连续激光加热粉末层后，熔池迅速冷却，极高的温度梯度引起了较大的残余应力；同时晶粒沿热扩散反方向生长，在连续激光加热条件下容易产生枝状晶粒，组织性能呈现各向异性。使用较小功率的脉冲激光在连续激光后加热，降低熔池冷却速度，减小温度梯度进而减小残余应力；并且减小晶粒单方向生长的驱动力，从而生成等轴晶粒，改善成形件各项性能。
作为本发明实施例的优化方案，改善锁孔缺陷同样是利用连续激光与脉冲激光的协同加工实现的。由于连续激光呈高斯分布，中心处能量较高，易在熔池中形成气团，被封在熔池中的气团即为锁孔缺陷。研究表明锁孔的形成需要50μs左右，在锁孔未完全形成前重新加热熔池可以帮助气团从液态熔池中逸出。最终锁孔尺寸约为光斑尺寸的1/10至1/3，故脉冲激光光斑尺寸为连续激光光斑尺寸的1/10至1/3即可，可以小至1μm，对液态熔池产生尽可能小的影响。脉冲激光位于连续激光之后，两光斑相邻加热，减少锁孔的形成。
作为本发明实施例的优化方案，改善热应力、组织结构与锁孔缺陷可以利用连续激光与脉冲激光的协同同时实现。在相同的扫描速度下，脉冲激光位于连续激光之后，脉冲激光功率小于连续激光功率可以改善热应力与组织结构；两光斑距离相差1/10至1/3连续激光光斑尺寸可以改善锁孔缺陷。
作为本发明实施例的优化方案，改善成形件精度是利用脉冲激光对成形件表面进一步精加工完成的。在连续激光加工成形完成后，成形件的表面、角以及边缘部分存在较为粗糙的部分。脉冲激光的热影响区小，可以仅在光斑尺寸范围内加热。脉冲激光光斑半径调整为较小尺寸，利用高清高速相机对表面进行观察，根据表面的粗糙情况，利用成型平台12的上升控制脉冲激光光斑对表面进行加工，选择适当的功率对表面粗糙部分进行清除。存在大片粗糙的地方采用大光斑大功率，少量粗糙的地方采用小光斑小功率，从而省去了对成形件进一步打磨的过程。
以下为具体实施方式：
实施例一：
连续激光激励系统3与连续激光激光物质2相连接，根据激光物质的不同，可以获得不同波长的激光。脉冲激光激励系统6与脉冲激光激光物质5相连接，根据激光物质的不同，同样可以获得不同波长的激光。光纤放大器1和4分别用于对所述激光物质2和5输出的激光进行放大处理，从而控制激光光斑直径。扫描振镜A和B分别与光纤放大器1和4相连接，可以对连续激光与脉冲激光分别或者同时控制。常用的激光波长为375nm到1650nm，可以根据不同的需求选择合适的波长。连续激光功率根据不同的需求最高可达5000W，利用光纤放大器，通常连续激光的光斑直径可以从10μm到1cm。对于脉冲激光，其峰值功率可以达到109W，脉冲激光的脉宽可以为毫秒(ms，10-3s)、微秒(μs，10-6s)级的长脉冲激光；纳秒(ns，10-9s)级的短脉冲激光；皮秒(ps，10-12s)、飞秒(fs，10-15s)和阿秒(as，10-18s)级的超短脉冲激光，脉冲激光的光斑直径可以小至2μm。
成型平台12在电机15的推动下，与传统成型平台不同，不仅可以向下移动，也可以向上移动高出初始位置。成型平台可为不同的形状，以及采用不同的材料。粉末从粉缸11中推出，刮刀或圆辊10推动粉末至成型平台12，形成粉末床13，当加工完第一层后，成型平台12下降需铺设粉末床的厚度，由铺粉装置按照上述步骤重新铺粉，需要铺设更多层粉末时，方法与之相同。为了防止激光加热粉末时粉末被氧化甚至起火燃烧，该装置为无氧密闭结构，气氛保护模块9可根据需求通入不同的保护气体，直至氧传感器14显示模块内的氧含量＜100ppm。
本实施例中，激光物质为钇铝石榴石晶体，激光波长为1.064μm，脉冲激光能量为10μJ，脉宽为10ps，重复频率500KHz，设定光斑半径为9μm。粉末为In625，平均粒径为12μm，铺粉厚度100μm。通入氩气作为保护气体，待氧传感器显示模块内的氧含量＜100ppm开始加工粉末。
设定好熔池监测模块8的初始位置，结合计算机视觉识别系统，将脉冲激光模块移动至大于粉末平均粒径50％的颗粒处，如图2所示，成型平台可以向上移动至虚线位置，此时的激光光斑面积将会随之扩大，需要注意的是图中激光包络线仅为一种可能的情况，并且由于粉末极细微，图中的颗粒一16与2做了放大处理。颗粒一16半径为11.5μm，颗粒半径与脉冲激光半径之比D1为1.28，利用z轴平台电机15，根据抬升距离z的计算方法：
其中ω0为设置的光斑大小，λ为激光波长，D为光斑半径扩大倍数。
抬升工作平台12至21.14μm处，对颗粒一16烧蚀熔融。颗粒二17半径为14.4μm，颗粒半径与脉冲激光半径之比D2为1.6，利用z轴平台电机15，抬升工作平台12至33.0μm处，由于上一步已经抬升21.14μm，只需再抬升11.86μm，对颗粒二17烧蚀熔融，其余大颗粒采用同种方法烧蚀熔融。在加工路径上的大粉末烧蚀熔融完成后，熔池监测模块8回到初始位置。
接下来利用连续激光模块与脉冲激光模块对粉末表面加热，连续激光功率为50W，设定光斑半径为10μm；脉冲激光能量为5μJ，脉宽为500fs，重复频率500KHz，设定光斑半径为20μm。脉冲激光模块与连续激光模块回到初始位置，脉冲激光模块在前对粉末预烧结以及去除粉末氧化层，连续激光模块在后加热粉末形成熔池熔覆道，两激光光斑之间的距离相差2厘米，均以500μm/s的速度进行扫描。需要注意的是，此步骤中连续激光模块与脉冲激光模块也可以不进行协同，即先脉冲激光模块对粉末预烧结以及去除粉末氧化层，然后连续激光模块对粉末进行熔融形成熔池熔覆道。
图3左侧的图为仅采用连续激光加热后形成熔池横截面的扫描电镜图，均匀连片部分为熔池，图中的一些粗糙圆形区域为未熔粉，可以明显看到在熔池中含有大量的未熔粉末，这些未熔粉末破坏了组织的连续性，容易引发粉层的不规则，并且容易引起成形件中的微裂纹，甚至引发成形件的几何变形和不利于成形件的各类性能。图3右侧的图为根据上述方法采用连续激光与脉冲激光协同加热形成的熔池横截面扫描电镜图，与图3左侧的图相比，未熔粉的数量明显减少，熔池内部更加均匀，这对提升成形件的各类性能有重要作用。
实施例二：
本实施例中的加工方法除了激光参数、粉末材料以及连续激光模块与脉冲激光模块的协同方式与实施例一中有所不同，其余实施过程与实施例一一致。
本实施例中连续激光功率为100W，设定光斑半径为16μm；脉冲激光能量为10μJ，脉宽为1ps，重复频率500KHz，光斑半径18μm。粉末材料为TC4粉末，平均粒径20μm。
本实施例中的粉末首先经过实施例一中所述的对大颗粒粉末的烧蚀熔融，其次经过实施例一中所述先利用脉冲激光模块对粉末预烧结以及去除粉末氧化层，在连续激光模块对粉末进行熔融形成熔池熔覆道的同时，调整脉冲激光模块至连续激光模块后方2cm处以相同速度进行扫描，由于两光斑相隔距离较远，液态熔池有足够的时间凝固，因此脉冲激光模块可以对固态熔池表面形貌直接加工。本实施例中脉冲激光模块的开关由结合计算机视觉识别系统的熔池检测设备控制，伴随着扫描振镜的移动，熔池检测设备观察位置与脉冲激光模块光斑所在区域一致。当熔池的高度起伏较大时开启脉冲激光模块，对该位置进行烧蚀；高度起伏较小时，关闭脉冲激光模块，从而获得较为平整的熔覆道。
图4左侧的图为根据上述方法采用连续激光与脉冲激光协同加热形成的熔池表面扫描电镜图，图中具有鱼鳞状结构即为熔池，竖着的一条熔池即为熔覆道，同时根据图片的衬度，白色部分位置较高，黑色部分位置较矮，图片颜色比较均匀，这意味着熔池高低起伏的情况较小，通过此方法可以使成形件具有更高的精度，同时满足一些功能材料的特殊要求。
进一步地，仅使用脉冲激光也可以形成熔覆道，使用平均粒径为8μm的In625粉末，脉冲激光能量1μJ，脉宽为10ps，重复频率500KHz，光斑半径16μm，可以得到图4右侧的图所示的熔覆道效果。熔覆道鱼鳞状结构明显，表面平滑光亮，经过铺粉装置控制10μm的铺粉厚度，可以得到精度极高的成形件。
实施例三：
本实施例中的加工方法除了激光参数、粉末材料以及连续激光模块与脉冲激光模块的协同方式与实施例一中有所不同，其余实施过程与实施例一一致。
本实施例中连续激光功率为65W，设定光斑半径为24μm；脉冲激光能量较低为1μJ，脉宽为500ps，重复频率500KHz，光斑半径为8μm。粉末材料为TC4粉末，平均粒径20μm。
本实施例中的粉末首先经过实施例一中所述的对大颗粒粉末的烧蚀熔融，其次经过实施例一中所述先利用脉冲激光模块对粉末预烧结以及去除粉末氧化层，在连续激光模块对粉末进行熔融形成熔池熔覆道的同时，调整脉冲激光模块至连续激光模块后方8μm处以相同速度进行扫描。在脉冲激光加热处，经连续激光加热后的粉末已经形成液态熔池，此时熔池温度迅速下降，产生较大的温度梯度，并且产生的锁孔已经被液态熔池所包覆。当较低能量的脉冲激光加热时，可以减缓熔池温度下降的速度，同时延长液态熔池转换为固态熔池所需要的时间，增加锁孔从液态熔池中逸出的机会。
图5左侧的图为仅采用连续激光加热后形成熔池横截面的扫描电镜图，均匀连片部分为熔池，可以看到在图片中存在一个明显的孔洞，这是由于锁孔模式导致气团未能从熔池中逸出。图5右侧的图为根据上述方法采用连续激光与脉冲激光协同加热形成的熔池横截面扫描电镜图，未见到较大的孔洞存在，改善结构缺陷，防止由于孔洞的存在引起成形件表面产生裂纹、防腐蚀性能变差以及影响精度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种粉床熔化成形的双激光装置，其特征在于：包括脉冲激光模块、连续激光模块以及可形成分粉末床的成型机构，所述脉冲激光模块发射脉冲激光作用于所述粉末床上，所述连续激光模块发射连续激光作用于所述粉末床上，所述成型机构包括用于搁置所述粉末床的成型平台，所述成型平台由驱动机构驱使升降以靠近或远离所述脉冲激光模块的出射端，所述驱动机构还驱使所述成型平台升降以靠近或远离所述连续激光模块的出射端。
2.如权利要求1所述的粉床熔化成形的双激光装置，其特征在于：所述成型机构还包括粉缸和刮粉装置，所述刮粉装置将所述粉缸中的粉末送至所述成型平台以形成所述粉末床。
3.如权利要求2所述的粉床熔化成形的双激光装置，其特征在于：所述刮粉装置包括刮刀或圆辊；所述刮粉装置为刮刀时，所述刮刀将所述粉缸中的粉末推送至所述成型平台上，所述刮粉装置为圆辊时，所述圆辊将所述粉缸中的粉末滚送至所述成型平台上；所述粉缸位于所述刮粉装置和所述成型平台之间的路径上。
4.如权利要求1所述的粉床熔化成形的双激光装置，其特征在于：还包括用于监控所述成型平台上的状态的熔池监测模块。
5.如权利要求1所述的粉床熔化成形的双激光装置，其特征在于：所述成型平台及所述成型平台上的粉末床均置于密封壳体中，还包括向所述密封壳体中通入保护气体的气氛保护模块。
6.如权利要求5所述的粉床熔化成形的双激光装置，其特征在于：还包括用于监控所述密封壳体中的氧含量的显示模块。
7.如权利要求1所述的粉床熔化成形的双激光装置，其特征在于：所述脉冲激光模块包括沿光路依次设置的脉冲激光激励系统、脉冲激光激光物质、脉冲激光光纤放大器以及脉冲激光扫描振镜，所述连续激光模块包括沿光路依次设置的连续激光激励系统、连续激光激光物质、连续激光光纤放大器以及连续激光扫描振镜。
8.一种粉床熔化成形方法，其特征在于：采用如权利要求1-7任一所述的粉床熔化成形的双激光装置，通过所述脉冲激光模块和所述连续激光模块的协同作业完成粉末床熔化。
9.如权利要求8所述的粉床熔化成形方法，其特征在于：在所述成形平台上铺设粉末床，脉冲激光模块对粉末加热熔融形成熔池熔覆道，成型平台在所述驱动机构的驱动下回到初始位置，再控制连续激光模块有选择的对粉末层加热熔融形成熔池熔覆道，结合铺粉装置加工第二层以及多层粉末，形成成形件。
10.如权利要求8所述的粉床熔化成形方法，其特征在于：在连续激光对粉末加热之前，利用监控模块判断出图像中偏离平均尺寸较大的大颗粒，并控制脉冲激光模块的脉冲激光光斑移动至大颗粒处，利用成型平台上升令光斑大小增大，进而控制脉冲激光光斑大小；在脉冲激光加工完该目标粉末后，选择下一个大颗粒并重新调整成型平台上升距离，直到加工路径上的过大颗粒清除完毕，接下来采用连续激光模块的连续激光加热以获得完整的熔池熔覆道。
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