CN114632944A - 一种基于多能场的异种材料增材制造方法 - Google Patents

一种基于多能场的异种材料增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多能场的异种材料增材制造方法，采用熔点高于金属基材的丝材，通过连续激光的热输入使丝材不完全熔化，与金属基材形成液态丝材‑固态丝材‑液态基材的双熔池区域；在丝材端加入超声波振动装置，丝材的振动使双熔池状态失稳，促使异种金属材料之间形成良好的结合界面；利用一束脉冲激光冲击双熔池的丝材熔池区域，使熔池高度减小，宽度增加；利用另一束脉冲激光在加工过程中对基材表面进行实时清洗，去除基材表面氧化层；添加作用于金属基材表面的辅助热源，在双熔池状态形成之前进行预热。本发明适用于复杂零部件的快速和高效成型，能减少材料内部热应力和残余应力，大大降低了形成裂纹、气孔、未熔合等加工缺陷的概率。

Description

一种基于多能场的异种材料增材制造方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种增材制造技术，具体涉及一种基于多能场的异种材料增材制造方法。
背景技术
增材技术是一项先进的零部件快速成型技术，适用于复杂结构、高精度要求的工件的生产。相比传统的铸造、锻造等制造技术，增材技术具有效率高、周期短、可实现复杂结构制造及数字化智能制造等特点。
然而，在增材制造过程中，熔池与周围金属之间存在很大温度和应力梯度，从而在材料内部产生大的热应力和残余应力，容易形成裂纹、气孔、未熔合等加工缺陷，这往往会对加工结果产生负面影响。此外，在增材过程中，金属基板的厚度也会影响增材加工的效果。因此，构建出一种适用性广、加工性能好、效率高的金属增材系统，有利于进一步提升目前智能制造的水平。
本专利涉及异种增材智能制造领域，主要解决异种金属材料经过增材技术加工后产生的界面结合强度不高、内部存在气孔和裂纹缺陷等问题。TiAl合金是近几年来金属间化合物的研究热点之一，由于其密度底、高温强度高、抗高温氧化性能优良等优点，广泛应用于航空航天涡轮叶片与发动机活塞中。本专利采用金属Ti和金属Al为异种增材的实验对象，以验证所述的一种基于多能场的异种材料增材制造方法的有效性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于多能场的异种材料增材制造方法。
不同于现有的增材制造思路，本发明构建由热场、流场和声场的多能场异种材料增材系统。采用熔点高于金属基材的丝材，通过连续激光的热输入使丝材不完全熔化，与金属基材形成液态丝材-固态丝材-液态基材的双熔池区域；在丝材端加入超声波振动装置，丝材的振动使双熔池状态失稳，促使异种金属材料之间形成良好的结合界面；在送丝口附近安装两束脉冲激光，利用一束脉冲激光冲击双熔池的丝材熔池区域，使熔池高度减小，宽度增加，确保熔体更好地填充熔覆层；利用另一束脉冲激光在加工过程中对基材表面进行实时清洗，去除基材表面氧化层；添加作用于金属基材表面的辅助热源，在双熔池状态形成之前进行预热。
异种材料增材制造方法的具体步骤如下：
S1)基材清洗及固定：对基材表面进行除油污、清灰和干燥处理，干燥处理后用夹具固定；
S2)接触设置：采用基于连续激光的增材装置，将送丝口固定在连续激光的激光头的前端，调整激光头的位置和送丝口的角度，使丝材和金属基材表面刚好接触；
S3)超声振动装置设置：在丝材一侧安装超声波振动装置，使丝材产生超声振动；
S4)脉冲激光设置：安装两束脉冲激光器，一束脉冲激光对准丝材上当前的熔池区域，用于对熔池区域进行冲击，使熔池高度减小，宽度增加；另一束脉冲激光对准金属基材下一时刻形成熔池的表面区域，用于基材表面进行实时清洗，去除金属表面的氧化层；
S5)辅助热源设置：调整辅助热源的位置，对准丝材与金属基板下一时刻接触位置，给基板表面提前预热；
S6)在线检测系统搭建：搭建增材装置的增材制造在线检测装置；
S7)参数设置：设置增材装置的工艺参数、脉冲激光参数、超声波发生器的频率和辅助热源的功率；
S8)启动增材装置、超声振动装置、两路脉冲激光和辅助热源，根据增材过程执行基于多能场的异种材料激光增材制造过程。
进一步地，步骤S1中，通过挥发性有机溶剂擦洗基材表面继续油污和灰尘清理。
进一步地，步骤S1中，所述挥发性有机溶剂包括酒精和丙酮。
进一步地，步骤S2中，通过送丝口的角度设置，保证丝材的尖端与金属基材的表面紧密接触，使得双熔池增材制造场中固态丝材对其下方的液态基材具有挤压作用。保证固态丝材及基材熔池的浸润，从而形成优异的结合界面。
进一步地，步骤S6中，所述增材制造在线检测装置包括对双熔池区域监测的高速摄像机和光谱仪。
进一步地，步骤S6中，所述增材装置的工艺参数包括激光功率、扫描速度、送丝速度及离焦量。
进一步地，步骤S6中，两束脉冲激光器的脉冲激光参数单独控制，所述脉冲激光参数包括激光功率、脉冲宽。
进一步地，所述丝材比金属丝材的熔点高10-50度。
本发明中，所述双熔池包括丝材熔池及基材熔池，丝材熔池由丝材的部分熔化形成，基材熔池依靠丝材与相对低熔点基材之间的热传导形成。
进一步地，所述辅助热源，包括激光、电子束、等离子或电弧等，主要目的为在丝材与基材间形成双熔池状态之前，采用辅助热源对基材表面进行提前预热，从而确保任意厚度的基材均能产生较好的异种金属增材效果。
需要说明的是，本发明为了实现上述技术方案，还需要一些辅助技术，比如激光功率控制器、用于激光扫描的移动平台、自动送丝机以及用于控制和参数设置的计算机等，均为普通激光增材制造常用设备，采用现有技术即可，其具体实现形式对本发明解决技术问题不构成影响。
需要说明的是，作为一种常识，为了实现增材制造，连续激光器、两个脉冲激光器、高速摄像机、光谱仪、辅助热源及自动送丝机等需要在金属基材表面同步移动，既可以安装在同一个移动平台上进行同步移动，也可以通过多个移动平台进行同步移动，具体移动方式不限。
本发明的有益效果是：
本发明所提出的一种基于多能场的异种材料增材制造方法，以激光作为热输入，通过丝材不完全熔化，与金属基材形成“液态丝材-固态丝材-液态基材”的双熔池。在丝材端安装超声波振动装置，丝材的振动使双熔池状态失稳，促使异种材料之间形成较好的结合界面，并且丝材的振动有利于减少熔池内部气孔的产生。在异种增材系统中安装两束脉冲激光，一束脉冲激光用于冲击双熔池区域，使熔池高度减小，宽度增加，确保熔体更好地填充熔覆层，减少裂纹和内部空洞的产生；另一束脉冲激光对基材表面进行冲击，进行实时的清洗，以去除金属表面的氧化膜。添加辅助热源作用于基材金属表面，在双熔池状态形成之前达到预热的目的，从而减少基材厚度对增材效果的影响。本发明适用于复杂零部件的快速和高效成型，能减少材料内部热应力和残余应力，大大降低了形成裂纹、气孔、未熔合等加工缺陷的概率。
附图说明
图1为本发明一种基于多能场的异种材料增材制造方法的原理示意图。
图2为本发明构建的基于多能场的异种材料增材制造系统原理示意图。
图3为本发明不添加多能场调控作用的异种金属增材实施例中缺陷类型为异种金属界面未熔合的实验结果，其中图3(a)为该种情况下沉积层横截面的金相图，图3(b)为对应增材监测的光谱信息图。
图4为本发明不添加多能场调控作用的异种金属增材实施例中缺陷类型为异种金属之间过渡区域中存在较多孔洞的实验结果，其中图4(a)为该种情况下沉积层横截面的金相图，图4(b)为对应增材监测的光谱信息图。
图5为本发明添加多能场调控作用的异种金属增材实施例中第一种增材效果好的实验结果，其中图5(a)为该种情况下沉积层横截面的金相图，图5(b)为对应增材监测的光谱信息图。
图6为本发明添加多能场调控作用的异种金属增材实施例中第二种增材效果好的实验结果，其中图6(a)为该种情况下沉积层横截面的金相图，图6(b)为对应增材监测的光谱信息图。
附图标记：1-连续激光器，2-丝材，3-金属基材，4-丝材熔池，5-匙孔，6-固态丝材，7-基材熔池，8-辅助热源，9-预热区域，10-超声振动装置，11-脉冲激光器A，12-脉冲激光器B，13-高速摄像机，14-自动送丝机，15-计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明构建基于多能场的异种材料增材制造系统，包括连续激光器1、自动送丝机14、辅助热源8、超声振动装置10、脉冲激光器A11、脉冲激光器B12、高速摄像机13、计算机15和用于扫描的移动平台(图中未画出)；连续激光器1对准双熔池区域，为增材制造熔化丝材2的主热源；脉冲激光器A11对准连续激光器1稍微偏后一个位置，用于在通过连续激光器1加热形成双熔池后，冲击丝材熔池4。脉冲激光器B12对准金属基材3下一时刻形成熔池的表面区域，用于基材表面进行实时清洗，去除金属表面的氧化层；高速摄像机13和光谱仪对准双熔池区域，用于进行图像视频监测和光谱监测，超声振动装置10安装在丝材2侧方，与丝材2保持固定距离，位置关系，以能够使得丝材2产生振动为宜；辅助热源8设置对准丝材2与金属基板下一时刻接触位置(即预热区域9)，给基板表面提前预热；连续激光器1、自动送丝机14、辅助热源8、超声振动装置10、脉冲激光器A11、脉冲激光器B12和高速摄像机13搭载在移动平台上，同步移动，计算机15用于控制同步移动的扫描速度，送丝速度，以及各种参数设置，并实时显示高速摄像机13拍摄的双熔池区域图像。
利用上述异种材料增材制造系统进行异种材料增材制造方法的过程为：采用熔点高于金属基材3的丝材2，通过连续激光的热输入使丝材2不完全熔化，与金属基材3形成液态丝材-固态丝材-液态基材的双熔池区域，液态丝材为丝材熔池4，液态基材为基材熔池7；在丝材2端加入超声波振动装置，丝材2的振动使双熔池状态失稳，促使异种金属材料之间形成良好的结合界面；利用一束脉冲激光冲击双熔池的丝材熔池4区域，使熔池高度减小，宽度增加；利用另一束脉冲激光在加工过程中对基材表面进行实时清洗，去除基材表面氧化层；添加作用于金属基材3表面的辅助热源8，在双熔池状态形成之前进行预热。
实施例1：
一种基于多能场的异种材料增材制造方法，包括如下步骤：
S1)基材清洗及固定：本实施例中，金属基材3选用厚度为5mm的6061铝合金板，采用酒精和丙酮去除金属基材3表面的油污和灰尘，利用吹风机干燥处理后固定在增材实验台上；
S2)接触设置：将自动送丝机14的送丝头沿扫描方向固定在连续激光头的前端，本实施例中，丝材2选用直径为1mm的钛合金丝，送丝头的角度为斜向下60°，调整金属基材3的位置使金属基材3的上表面和钛合金丝的下端刚好接触；
S3)超声振动装置10设置：本实施例中，在丝材2一侧且沿水平方向安装超声振动装置10，超声振子的工作参数为50w/40kHz，超声振子和丝材2刚好接触，确保丝材2能够产生超声振动；
S4)脉冲激光设置：本实施例中，利用脉冲激光器A11对熔池区域进行实时冲击以辅助增材过程，设置激光波长为532nm，激光能量为1000mJ-1500mJ，脉冲频率为10Hz；本实施例中，利用脉冲激光器B12对基材表面进行实时清洗以去除表面氧化层，设置激光波长为532nm，激光能量为2000mJ，脉冲频率为10Hz；
S5)辅助热源8设置：本实施例中，选用激光作为辅助热源8，设置激光功率为400W，对下一时刻增材位置的表面提前预热；
S6)在线检测系统搭建：本实施例中，增材制造在线检测装置包括高速摄像机13和光谱仪，高速摄像机13，设置高速摄像机13的帧速率为1800帧/秒，分辨率为1280×1024，设置光谱仪的采样频率为100ms，波长范围设置为100nm-400nm；
S7)参数设置：本实施例中，采用连续激光器1产生的连续激光作为热输入，连续激光器1的功率设置为400W-900W，扫描速度为9mm/s，送丝速度为50mm/s，离焦量为1mm；
S8)启动增材装置、超声振动装置10、两路脉冲激光和辅助热源8，执行基于多能场的异种材料激光增材制造过程。
为了证明本发明提出的基于多能场的异种材料增材制造方法的必要性，按上述步骤进行异种金属材料增材实验。此外，在不添加多能场的调控作用下进行异种金属的增材实验以做对照。对不同条件下制备的Al/Ti异种金属材料增材试样进行界面切割并磨抛处理，利用光学显微镜观察试样截面的宏观几何形貌，分析异种金属增材试样的内部缺陷和结合性能。基于异种金属增材在线监测的数据，分析本发明所构建的多能场对异种金属增材过程的调控作用。
不添加多能场调控作用的异种金属增材实施例如图3和图4所示，其中图3(a)、4(a)和图3(b)、4(b)分别表示沉积层横截面的金相图及增材监测的光谱信息。从图3和图4可以看出，由于异种金属增材过程中缺失多能场的调控作用，两种材料结合的过渡区内出现较多的孔洞和裂纹等内部缺陷，无法实现Al/Ti异种金属的优异结合。本发明基于多能场的异种金属增材的实施例如图5和图6所示，其中图5(a)、图6(a)和图5(b)、图6(b)分别表示沉积层横截面的金相图及增材监测的光谱信息。从图5和图6中的沉积层横截面的金相图可以看出，基于多能场的异种金属增材可以保证熔池形成的连续性及结合界面的稳定性，很大程度上减少了过渡区域中孔洞、未熔合和裂纹等内部缺陷的形成。从上述两对比实施例可以看出，本发明提出的基于多能场的调控方法对于异种材料增材制造的有效性和可行性。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于多能场的异种材料增材制造方法，其特征在于：增材过程为：采用熔点高于金属基材的丝材，通过连续激光的热输入使丝材不完全熔化，与金属基材形成液态丝材-固态丝材-液态基材的双熔池区域；在丝材端加入超声波振动装置，丝材的振动使双熔池状态失稳，促使异种金属材料之间形成良好的结合界面；利用一束脉冲激光冲击双熔池的丝材熔池区域，使熔池高度减小，宽度增加；利用另一束脉冲激光在加工过程中对基材表面进行实时清洗，去除基材表面氧化层；添加作用于金属基材表面的辅助热源，在双熔池状态形成之前进行预热。
2.根据权利要求1所述的异种材料增材制造方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1)基材清洗及固定：对基材表面进行除油污、清灰和干燥处理，干燥处理后用夹具固定；
S2)接触设置：采用基于连续激光的增材装置，将送丝口固定在连续激光的激光头的前端，调整激光头的位置和送丝口的角度，使丝材和金属基材表面刚好接触；
S3)超声振动装置设置：在丝材一侧安装超声波振动装置，使丝材产生超声振动；
S4)脉冲激光设置：安装两束脉冲激光器，一束脉冲激光对准丝材上当前的熔池区域，用于对熔池区域进行冲击，使熔池高度减小，宽度增加；另一束脉冲激光对准金属基材下一时刻形成熔池的表面区域，用于基材表面进行实时清洗，去除金属表面的氧化层；
S5)辅助热源设置：调整辅助热源的位置，对准丝材与金属基板下一时刻接触位置，给基板表面提前预热；
S6)在线检测系统搭建：搭建增材装置的增材制造在线检测装置；
S7)参数设置：设置增材装置的工艺参数、脉冲激光参数、超声波发生器的频率和辅助热源的功率；
S8)启动增材装置、超声振动装置、两路脉冲激光和辅助热源，根据增材过程执行基于多能场的异种材料激光增材制造过程。
3.根据权利要求2所述的异种材料增材制造方法，其特征在于：步骤S1中，通过挥发性有机溶剂擦洗基材表面继续油污和灰尘清理。
4.根据权利要求2所述的异种材料增材制造方法，其特征在于：步骤S2中，通过送丝口的角度设置，保证丝材的尖端与金属基材的表面紧密接触，使得双熔池增材制造场中固态丝材对其下方的液态基材具有挤压作用。
5.根据权利要求2所述的异种材料增材制造方法，其特征在于：步骤S6中，所述增材制造在线检测装置包括对双熔池区域监测的高速摄像机和光谱仪。
6.根据权利要求2所述的异种材料增材制造方法，其特征在于：步骤S6中，所述增材装置的工艺参数包括激光功率、扫描速度、送丝速度及离焦量。
7.根据权利要求2所述的异种材料增材制造方法，其特征在于：步骤S6中，两束脉冲激光器的脉冲激光参数单独控制，所述脉冲激光参数包括激光功率、脉冲宽。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的异种材料增材制造方法，其特征在于：所述丝材比金属丝材的熔点高10-50度。
9.根据权利要求1-7任意一项所述的异种材料增材制造方法，其特征在于：所述辅助热源包括激光、电子束、等离子或电弧。
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