CN115015316A - 金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统和方法，金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统包括：熔滴获取装置具有熔滴出口，熔滴获取装置用于由熔滴出口输出具有设定温度的待测金属材料的熔滴；基板平台设置于熔滴出口的下方，基板平台的顶部用于放置试验基板；调温装置设置于基板平台的顶部，用于调节试验基板上的温度分布；激光加热装置用于朝向试验基板的上表面发射激光束，以加热落至试验基板上的熔滴；温度场检测装置用于检测试验基板上的温度分布；控制器与熔滴获取装置、调温装置、激光加热装置和温度场检测装置连接。本发明能够实现试验基板温度分布梯度和温度梯度变化对金属材料非平衡凝固成型影响的研究。

Description

金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统和方法

技术领域

本发明涉及焊接和增材制造技术领域，尤其涉及一种金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统和方法。

背景技术

增材制造又称“3D打印”或“快速成型”，是根据零件的三维模型，基于离散、堆积原理，采用材料逐层累加成形来直接制造实体零件的技术。金属材料增材制造和焊接的过程，均是将金属材料熔化后再凝固，以实现金属材料间的结合，进而成形出整个三维零件的过程。

增材制造和焊接过程中金属材料在基板上冷却和凝固成形的过程，对金属材料的成形质量具有极其重要的影响，而金属材料的凝固行为和凝固过程与增材制造和焊接过程中的多种参数相关。

比如在金属材料增材制造和焊接领域，用于熔化新增金属的热源主要有电弧、激光和电子束等，使用不同类型热源熔化后的金属材料的凝固过程和物态演变存在差异。以电弧增材为例，能量集中的电弧使得基板温度分布集中，温度梯度大，能够实现较窄的沉积层，增材制造的精度和材料利用率较高。而随着热积累的逐渐增大，金属材料与基板结合处的温度梯度减小，沉积层逐渐变宽，甚至会出现诸如沉积层塌陷、成形精度低等问题。又比如在增材制造和焊接过程中，基板温度分布梯度和温度梯度变化、以及金属材料的动量和生长方向等，也对金属材料的凝固成形具有极其重要的影响。

因此，测试金属材料的凝固行为和凝固过程显得极为重要。然而，目前尚缺乏测试各种参数对金属材料凝固成形影响的专有实验方法和研究设备。

发明内容

本发明提供一种金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统和方法，用以解决现有技术中缺乏测试各种参数对金属材料凝固成形影响的专有实验方法和研究设备的缺陷。

本发明提供一种金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，包括：

熔滴获取装置，具有熔滴出口，所述熔滴获取装置用于由所述熔滴出口输出具有设定温度的待测金属材料的熔滴；

基板平台，设置于所述熔滴出口的下方，所述基板平台的顶部用于放置试验基板，以使所述熔滴能够下落至所述试验基板上；

调温装置，设置于所述基板平台的顶部，用于紧贴所述试验基板的下表面，并调节所述试验基板上的温度分布；

激光加热装置，设置于所述基板平台的上方，用于朝向所述试验基板的上表面发射激光束，以加热所述试验基板和/或落至所述试验基板上的所述熔滴；

温度场检测装置，设置于所述基板平台的上方，用于检测所述试验基板上的温度分布；

控制器，与所述熔滴获取装置、所述调温装置、所述激光加热装置和所述温度场检测装置连接，用于根据所述设定温度控制所述熔滴获取装置工作、用于获取所述试验基板上的温度分布、以及用于根据所述温度分布控制所述调温装置和所述激光加热装置工作。

根据本发明提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，所述调温装置包括液冷单元，多个所述液冷单元阵列排列且上表面平齐设置，所述液冷单元的上表面用于紧贴所述试验基板的下表面，每一所述液冷单元均具有进液口和出液口，换热介质能够通过所述进液口和所述出液口流经所述液冷单元；

或者，所述调温装置包括半导体制冷器，多个所述半导体制冷器阵列排列且端面平齐设置，所述半导体制冷器的端面用于紧贴所述试验基板的下表面。

根据本发明提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，所述激光加热装置包括多个激光器，多个所述激光器围绕所述熔滴出口布置。

根据本发明提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，所述温度场检测装置包括至少两红外图像采集装置，两所述红外图像采集装置分别设置于所述熔滴出口的相对两侧。

根据本发明提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，还包括高速图像采集装置，所述高速图像采集装置用于采集所述熔滴的下落图像和凝固过程图像。

根据本发明提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，所述基板平台包括三维运动机构，所述三维运动机构能够带动所述基板平台相对于所述熔滴获取装置运动，以调节所述试验基板与所述熔滴出口之间的距离，以及调节所述试验基板的姿态。

根据本发明提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，所述熔滴获取装置包括容器、加热组件和测温组件，所述容器用于容置所述待测金属材料，所述容器设置所述熔滴出口；所述加热组件设置于所述容器，用于将所述待测金属材料加热熔化成液态金属；所述测温组件设置于所述容器，用于检测所述液态金属的温度。

根据本发明提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，所述熔滴获取装置还包括气体驱动组件，所述气体驱动组件与所述容器连通，所述气体驱动组件能够向所述容器内充入惰性气体，驱动所述液态金属挤出所述熔滴出口，以生成所述熔滴。

根据本发明提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，还包括保护壳，所述保护壳内形成密闭的容置空间，所述保护壳的底部设置有进气口、顶部设置有出气口，所述进气口用于向所述容置空间内充入保护气体，所述出气口用于排出空气；所述基板平台、所述调温装置、所述激光加热装置、所述温度场检测装置和至少所述熔滴出口设置于所述容置空间内。

本发明还提供一种金属材料非平衡凝固过程模拟测试方法，包括：

调整试验基板与熔滴获取装置的熔滴出口的距离至预设距离，调整试验基板的水平角度至预设角度，确定试验基板上的熔滴落点附近区域；

调整激光加热装置、温度场检测装置和高速图像采集装置对焦至所述熔滴落点附近区域；

控制熔滴获取装置将待测金属材料加热至设定温度，得到待测金属材料的液态金属；

实时获取所述熔滴落点附近区域的温度分布，控制调温装置调控试验基板上的温度分布至第一设定温度分布；

控制激光加热装置按照设定功率，加热试验基板上的设定加热位置，并持续设定时间；

控制熔滴获取装置在设定时间输出设定质量的液态金属，得到待测金属材料的熔滴；

在熔滴下落至试验基板上时，实时获取熔滴的下落图像；

控制调温装置调控试验基板上的熔滴落点处的温度梯度至第一温度梯度，同步控制激光加热装置对熔滴加热；

实时获取试验基板上的熔滴落点区域的温度分布图像，以及熔滴的凝固过程图像。

本发明提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统和方法，通过设置熔滴获取装置、调温装置、激光加热装置以及温度场检测装置，能够模拟多种增材制造和焊接热源作用下熔滴在不同温度和温度梯度的试验基板上凝固成形过程，进而检测不同类型热源作用于特定熔滴在特定试验基板上的凝固过程和物态演变，能够实现试验基板温度分布梯度和温度梯度变化对金属材料非平衡凝固成型影响的研究，进行熔滴凝固行为的表征试验，研究和表征特定熔滴凝固过程，将增材制造和焊接过程中熔滴在试验基板上冷却和凝固成形过程进行物理模拟和监视，对金属增材制造和焊接成形控制及凝固机理研究，具有十分重要的理论意义和实用价值，可为生产实际和学术科研提供可靠的理论依据和技术保障，解决现有技术中缺乏测试各种参数对金属材料凝固成形影响的专有实验方法和研究设备的缺陷，具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的试验基板上围绕熔滴落点设置多个激光加热点覆盖的加热区域的示意图；

图3是本发明实施例提供的热电偶反馈控制电磁感应加热器的控制逻辑示意图。

附图标记：

1：熔滴获取装置；11：容器；12：加热组件；13：测温组件；14：气体驱动组件；101：熔滴出口；141：气体管道；142：电磁阀；

2：基板平台；

3：调温装置；31：进液口；32：出液口；

4：激光加热装置；

5：温度场检测装置；51：红外图像采集装置；

61：背景光源；62：CCD相机；

7：保护壳；71：进气口；72：出气口；

200：熔滴；300：试验基板；400：惰性气体源；500：保护气源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件或参数进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

下面结合图1-图3描述本发明的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统。

如图1所示，本发明的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，包括熔滴获取装置1、基板平台2、调温装置3、激光加热装置4、温度场检测装置5和控制器；熔滴获取装置1具有熔滴出口101，熔滴获取装置1用于由熔滴出口101输出具有设定温度的待测金属材料的熔滴200；基板平台2设置于熔滴出口101的下方，基板平台2的顶部用于放置试验基板300，以使熔滴200能够下落至试验基板300上；调温装置3设置于基板平台2的顶部，用于紧贴试验基板300的下表面，并调节试验基板300上的温度分布；激光加热装置4设置于基板平台2的上方，用于朝向试验基板300的上表面发射激光束，以加热试验基板300和/或落至试验基板300上的熔滴200；温度场检测装置5设置于基板平台2的上方，用于检测试验基板300上的温度分布；控制器与熔滴获取装置1、调温装置3、激光加热装置4和温度场检测装置5连接，控制器用于根据设定温度控制熔滴获取装置1工作、用于获取试验基板300上的温度分布、以及用于根据试验基板300上的温度分布控制调温装置3和激光加热装置4工作。

在本实施例中，熔滴获取装置1用于提供具有设定温度的待测金属材料的熔滴200，通过改变熔滴200的质量和温度，可以调节熔滴200的热量，能够对多种增材制造和焊接热源(例如激光、等离子弧、电弧等)作用下形成的熔滴200进行模拟。

调温装置3用于主动控制试验基板300上的温度分布和温度梯度分布，试验基板300温度场可控制，可以实现非对称温度分布、非对称温度梯度等特定条件，能够模拟多种状况下基板的温度和温度梯度。

激光加热装置4用于加热试验基板300和熔滴200，试验基板300能够获得较高的温度梯度分布，并且可以通过变焦距变功率实现试验基板300加热点温度峰值的调节；控制加热激光束的加热位置、功率和时间，来控制试验基板300的温度分布和对熔滴200的加热，以此获取不同的试验基板300温度分布和温度梯度分布，可以模拟多种状况下的基板温度和温度梯度。

控制器控制激光加热装置4依照规定的功率和时间加热试验基板300，调节试验基板300的熔滴200落点附近的温度梯度，能够在试验基板300上实现特定温度梯度分布和温度梯度随时间特定变化趋势。

试验过程中试验基板300温度梯度的控制通过调温装置3和激光加热装置4共同实现；熔滴200滴落在试验基板300上后随时间逐渐凝固，从而模拟熔滴200在不同温度和温度梯度的基板上凝固成形的过程。

温度场检测装置5用于获取试验基板300的熔滴200落点附近区域的温度分布，并进而记录和分析液态金属熔滴200在不同温度梯度和位置的温度演变、凝固行为和成型形态。

本发明的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，通过设置熔滴获取装置1、调温装置3、激光加热装置4以及温度场检测装置5，能够模拟多种增材制造和焊接热源作用下熔滴200在不同温度和温度梯度的试验基板300上凝固成形过程，进而检测不同类型热源作用于特定熔滴200在特定试验基板300上的凝固过程和物态演变，能够实现试验基板300温度分布梯度和温度梯度变化对金属材料非平衡凝固成型影响的研究，进行熔滴200凝固行为的表征试验，研究和表征特定熔滴凝固过程，将增材制造和焊接过程中熔滴200在试验基板300上冷却和凝固成形过程进行物理模拟和监视，对金属增材制造和焊接成形控制及凝固机理研究，具有十分重要的理论意义和实用价值，可为生产实际和学术科研提供可靠的理论依据和技术保障，解决现有技术中缺乏测试各种参数对金属材料凝固成形影响的专有实验方法和研究设备的缺陷，具有广泛的应用前景。

在一个实施例中，如图1所示，调温装置3包括液冷单元，多个液冷单元阵列排列且上表面平齐设置，液冷单元的上表面用于紧贴试验基板300的下表面，每一液冷单元均具有进液口31和出液口32，换热介质能够通过进液口31和出液口32流经液冷单元。

在本实施例中，通过换热介质流经液冷单元，而液冷单元与试验基板300紧密接触，试验基板300能够与液冷单元换热，然后进一步与换热介质换热，实现对试验基板300的间接冷却；通过调控流经液冷单元的换热介质的温度、流量和流速，能够调控试验基板300上的温度分布和温度梯度。

例如，换热介质为水，液冷单元为在基板平台2和试验基板300之间固定的水冷铜块。

在另一个实施例中，调温装置3包括半导体制冷器，多个半导体制冷器阵列排列且端面平齐设置，半导体制冷器的端面用于紧贴试验基板300的下表面。

在本实施例中，采用半导体制冷器对试验基板300进行冷却。半导体制冷器具有冷端和热端，半导体制冷器的理论基础为帕尔贴效应，在通上电源后，冷端的热量被转移到热端，导致冷端温度较低，热端温度较高；改变电流方向，半导体制冷器的冷端和热端可以相互切换。

具体地，凝固试验开始前，开启冷却水箱使得冷却水通过进液口31和出液口32流经水冷铜块，间接冷却试验基板300；水冷铜块的上表面要求覆盖试验基板300下表面，用来重置试验基板300的温度梯度分布。试验基板300底部的调温装置3在熔滴200接触试验基板300的同时启动温度梯度控制；通过调节水冷或半导体制冷器实现特定温度梯度分布和温度梯度随时间特定变化趋势。

具体地，激光加热装置4包括多个激光器，多个激光器围绕熔滴出口101布置。

在本实施例中，激光器发出加热激光，激光加热试验基板300获得温度梯度。通过围绕熔滴出口101设置多个激光器，能够围绕熔滴200在试验基板300上的落点设置多个激光加热点覆盖的加热区域，例如，如图2所示，围绕熔滴200落点设置9个激光加热点(M1、M2、……、M9)，通过调节激光光源的功率和位置，实现对熔滴200和试验基板300的加热，进而实现对电弧、激光等热源对熔滴200的加热模拟。

可选地，激光加热装置4具有三维运动控制机构，以满足激光寻点加热时的要求。激光器依照设定的运功轨迹和工作时间加热试验基板300，控制试验基板300的温度和温度梯度。

具体地，温度场检测装置5包括至少两红外图像采集装置51，两红外图像采集装置51分别设置于熔滴出口101的相对两侧。

在本实施例中，采用红外图像采集装置51获取熔滴200和试验基板300的红外图像，实现观测熔滴200温度时空演变和试验基板300温度分布以及熔滴200凝固形态，有利于建立温度梯度分布和凝固成型的联系。通过设置双路红外图像采集装置51分布于熔滴获取装置1的相对两侧，能够从熔滴获取装置1的两侧获取试验基板300上熔滴200落点附近区域的温度分布，消除熔滴获取装置1的限制。

例如，红外图像采集装置51为红外相机或红外热像仪。

在一个具体实施例中，双路红外相机以一定的角度对称分布于熔滴获取装置1的熔滴出口101的相对两侧。

进一步地，金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统还包括高速图像采集装置，高速图像采集装置用于采集熔滴200的下落图像和凝固过程图像。

在本实施例中，高速图像采集装置采集熔滴200的下落图像，能够获取熔滴200接触试验基板300时的速度；高速图像采集装置采集熔滴200的凝固过程图像，能够获取温度分布和熔滴生长、润湿角演变、凝固成形过程，从而能够对熔滴200的动量、生长方向、温度梯度的关系进行实验和研究。

具体地，高速图像采集装置包括背景光源61和CCD(Charge coupled Device，电荷耦合元件)相机62，背景光源61和CCD相机62分别设置于熔滴获取装置1的相对两侧，背景光源61和CCD相机62组成熔滴300尺寸和速度观测系统。CCD相机62配合背景光源61获取熔滴200接触试验基板300的速度。

具体地，如图1所示，基板平台2包括三维运动机构，三维运动机构能够带动基板平台2相对于熔滴获取装置1运动，以调节试验基板300与熔滴出口101之间的距离，以及调节试验基板300的姿态。

在本实施例中，通过调节三维运动机构，试验基板200可以根据需求上下移动和调节水平角度，使熔滴获取装置1的熔滴出口101与试验基板300具有合适的相对位置；调节基板平台2改变试验基板300与熔滴出口101的距离，控制熔滴200的接触试验基板300时的速度。通过改变试验基板300与熔滴出口101的相对高度和角度，可以调节控制熔滴200接触试验基板300时的速度以及熔滴200与试验基板300的成形角度，熔滴200的温度和动量均可以独立调控，实现同时调节熔滴200动量、生长方向、温度梯度的关系进行滴凝固行为的实验和研究，可以模拟并检测不同类型热源作用特定熔滴(温度、质量、速度、动量等)在特定基板(角度、温度分布、温度梯度)上的凝固过程和物态演变，实现非平衡等特定条件、对熔滴特定成形开展试验，适用性更强。

可选地，双路红外相机、背景光源61和CCD相机62、激光器都与试验基板300同时移动，相对静止。双路红外相机固定在基板平台2上，与试验基板300相对静止，实时获取试验基板300上熔滴200落点附近的温度分布。CCD相机62装夹于试验基板300的一侧面，配合试验基板300的相对另一侧面的背景光源61，获取熔滴200的尺寸和下落速度。

具体地，如图1所示，熔滴获取装置1包括容器11、加热组件12和测温组件13，容器11用于容置待测金属材料，容器11设置熔滴出口101；加热组件12设置于容器11，用于将待测金属材料加热熔化成液态金属；测温组件13设置于容器11，用于检测液态金属的温度。

具体地，容器11为不锈钢容器，固体金属粉末和/或丝材置于不锈钢容器内；加热组件12为电磁感应加热器，电磁感应加热器套设于不锈钢容器外部，电磁感应加热器通过调节电流大小控制加热功率，利用电磁加热将固态金属粉末和/或丝材熔化成液态金属；测温组件13为热电偶，热电偶实时检测液态金属温度传递给控制器，如图3所示，控制器根据设定控制逻辑来反馈控制电磁感应加热器的开启和中断，通过热电偶测量可以实现熔滴200温度的控制；热电偶和电磁感应加热形成控温反馈，控制熔滴200的温度更精确。

图3为热电偶反馈控制电磁感应加热器的控制逻辑示意图。设定熔滴200的设定温度为Ts，热电偶实测温度为Ti；控制器实时获取热电偶实测温度Ti，并将Ti与设定温度Ts进行比对，判断条件Ti＞Ts是否成立；若成立为Yes，则停止加热；若不成立为No，则继续电磁加热。

具体地，熔滴获取装置1还包括气体驱动组件14，气体驱动组件14与容器11连通，气体驱动组件14能够向容器11内充入惰性气体，驱动容器11内的液态金属挤出熔滴出口101，以生成熔滴200。

在本实施例中，通过气体驱动组件14可以精确地控制熔滴200的尺寸和滴落时机，可以对多种增材制造和焊接热源的熔滴200进行模拟。

具体地，气体驱动组件14包括气体管道141和电磁阀142，气体管道141用于连通惰性气体源400，例如，惰性气体为氩气；电磁阀142设置于气体管道141上。气体管道141配合电磁阀142可以精确地控制液态金属的过渡，通过调节氩气的出气流量，配合电磁阀142导通关断，可以动态改变容器11内部的气压，在内外压差的作用下将液态金属挤出，从而精确控制熔滴200过渡的尺寸和滴落时机。

进一步地，如图1所示，金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统还包括保护壳7，保护壳7内形成密闭的容置空间，保护壳7的底部设置进气口71、顶部设置出气口72，进气口71用于向容置空间内充入保护气体，出气口72用于排出容置空间内的空气；基板平台2、调温装置3、激光加热装置4和温度场检测装置5和至少熔滴出口101设置于容置空间内。

在本实施例中，熔滴200凝固试验开始前，保护壳7通过进气口71通入足量的保护气体，例如氩气，将空气从顶部的出气口72排出，以在容置空间内形成稳定可靠的试验环境；试验开始时停止通气，以保证试验过程的稳定可靠。

具体地，保护壳7为透明半封闭保护罩，提供保护气氛围。进气口71与保护气源500连通。

基于上述实施例提供的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，本发明的金属材料非平衡凝固过程模拟测试方法，包括以下步骤：

步骤S10，调整试验基板与熔滴获取装置的熔滴出口的距离至预设距离，调整试验基板的水平角度至预设角度，确定试验基板上的熔滴落点附近区域；其中，试验基板上的熔滴落点附近区域，是围绕熔滴出口沿竖直方向在试验基板上的投影的区域；

步骤S20，调节激光加热装置、温度场检测装置和高速图像采集装置对焦至试验基板上的熔滴落点附近区域；

步骤S30，控制熔滴获取装置，将待测金属材料加热至设定温度，得到待测金属材料的液态金属；

步骤S40，实时获取试验基板上的熔滴落点附近区域的温度分布，控制调温装置调控试验基板上的温度分布至第一设定温度分布；

步骤S50，控制激光加热装置按照设定功率，加热试验基板上的设定加热位置，并持续设定时间，以使试验基板上的温度分布为第二设定温度分布；

步骤S60，控制熔滴获取装置在设定时间输出设定质量的液态金属，得到待测金属材料的熔滴；

步骤S70，熔滴下落至试验基板上，实时获取熔滴的下落图像；

步骤S80，控制调温装置调控试验基板上的熔滴落点处的温度梯度至第一温度梯度，同步控制激光加热装置对熔滴加热；

步骤S90，实时获取试验基板上的熔滴落点区域的温度分布图像，以及熔滴的凝固过程图像。

在本实施例中，根据凝固试验模拟的需要确定模拟参数，包括试验基板与熔滴出口的预设距离、试验基板的预设角度、熔滴的设定温度及设定质量、试验基板初始的第一设定温度分布及第二设定温度分布、第一温度梯度等。

试验开始前，先启动三维运动机构，驱动基板平台2相对于熔滴获取装置1运动，带动放置于基板平台2顶部的试验基板300运动，从而调整试验基板300与熔滴出口101的距离，以及试验基板300的水平角度，试验基板300的水平角度是指试验基板300与水平面的夹角。然后，调节CCD相机62和背景光源61，确保试验过程中CCD相机62的焦距和帧率满足要求，保证CCD相机62的镜头、拍摄物体(即熔滴200)和背景光源62三点一线对齐；调节温度场检测装置5对焦；调节激光加热装置4对焦。在熔滴获取装置1内加入待测金属材料，控制熔滴获取装置1将待测金属材料加热至设定温度，得到待测金属材料的液态金属。之后，开启温度场检测装置5，实时检测熔滴200落点附近区域的温度分布，并根据试验基板300上的温度分布是否满足初始的第一设定温度分布及第二设定温度分布，分别控制调温装置3和激光加热装置4调控试验基板300上的温度分布。温度场检测装置5和高速图像采集装置准备获取信息。

试验开始时，控制熔滴获取装置1精确过渡，具有设定温度和动量的熔滴200下落至试验基板300上，通过背部水冷或半导体调温装置控制基板熔滴落点处的温度梯度，同步控制激光斑点对熔滴的加热，实现对称或非对称温度梯度基板温度下受热熔滴凝固成形过程模拟；同时实时监测温度分布和熔滴生长、润湿角演变、凝固成形过程。

进一步地，一组试验完成后，可拓展研究连续熔滴凝固行为。

进一步地，在试验开始之前，检查金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统内部的各气阀、水路以及激光加热装置的三维运动控制机构，确保安全。

进一步地，在试验开始之前，向试验空间内通入保护气体，以在试验空间内形成稳定可靠的试验环境。

下面以模拟等离子弧增材时的熔滴下落及凝固状态为例，进一步说明本发明的金属材料非平衡凝固过程模拟测试方法，具体包括以下步骤：

步骤一，试验基板300选用5a06铝合金材质，尺寸为300×150×5mm，启动三维运动机构，基板平台2带动试验基板300运动，确定试验基板300与不锈钢容器的熔滴出口101的距离为5mm；检查金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统内部的各气阀、水路以及激光加热装置的三维运动控制机构，确保安全。

步骤二，调节CCD相机62和背景光源61，进行CCD相机62对焦，帧率为5000帧，保证CCD相机62的镜头、拍摄物体和背景光源61三点一线；调节双路热像仪与试验基板300的夹角为15°，关于熔滴下落轨迹呈轴对称分布，并对焦；调节加热激光器的角度为30°，并对焦。

步骤三，调节保护气源500的气流量为20L/min，通气5分钟后关闭保护气源500。

步骤四，不锈钢容器内加入5a06铝合金固态粉末，启动电磁加热装置，保证液态金属温度达到1200℃，等待过渡。

步骤五，开启双路热像仪，实时检测熔滴落点附近区域的温度分布，启动水冷铜块的冷却效果重置试验基板300温度分布；启动CCD相机62和背景光源61，准备获取信息。

步骤六，启动激光器，调节激光器的功率为20W，光斑直径为5mm，依次加热图2中所示的M1、M2、M3点位置各一分钟。

步骤七，开启惰性气体源400，利用电磁阀142控制熔滴200挤出的时机和尺寸。

步骤八，实时监测熔滴200在试验基板300上的凝固行为和温度场变化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，其特征在于，包括：

熔滴获取装置，具有熔滴出口，所述熔滴获取装置用于由所述熔滴出口输出具有设定温度的待测金属材料的熔滴；

基板平台，设置于所述熔滴出口的下方，所述基板平台的顶部用于放置试验基板，以使所述熔滴能够下落至所述试验基板上；

调温装置，设置于所述基板平台的顶部，用于紧贴所述试验基板的下表面，并调节所述试验基板上的温度分布；

激光加热装置，设置于所述基板平台的上方，用于朝向所述试验基板的上表面发射激光束，以加热所述试验基板和/或落至所述试验基板上的所述熔滴；

温度场检测装置，设置于所述基板平台的上方，用于检测所述试验基板上的温度分布；

控制器，与所述熔滴获取装置、所述调温装置、所述激光加热装置和所述温度场检测装置连接，用于根据所述设定温度控制所述熔滴获取装置工作、用于获取所述试验基板上的温度分布、以及用于根据所述温度分布控制所述调温装置和所述激光加热装置工作。

2.根据权利要求1所述的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，其特征在于，所述调温装置包括液冷单元，多个所述液冷单元阵列排列且上表面平齐设置，所述液冷单元的上表面用于紧贴所述试验基板的下表面，每一所述液冷单元均具有进液口和出液口，换热介质能够通过所述进液口和所述出液口流经所述液冷单元；

或者，所述调温装置包括半导体制冷器，多个所述半导体制冷器阵列排列且端面平齐设置，所述半导体制冷器的端面用于紧贴所述试验基板的下表面。

3.根据权利要求1所述的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，其特征在于，所述激光加热装置包括多个激光器，多个所述激光器围绕所述熔滴出口布置。

4.根据权利要求1所述的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，其特征在于，所述温度场检测装置包括至少两红外图像采集装置，两所述红外图像采集装置分别设置于所述熔滴出口的相对两侧。

5.根据权利要求1所述的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，其特征在于，还包括高速图像采集装置，所述高速图像采集装置用于采集所述熔滴的下落图像和凝固过程图像。

6.根据权利要求5所述的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，其特征在于，所述基板平台包括三维运动机构，所述三维运动机构能够带动所述基板平台相对于所述熔滴获取装置运动，以调节所述试验基板与所述熔滴出口之间的距离，以及调节所述试验基板的姿态。

7.根据权利要求1所述的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，其特征在于，所述熔滴获取装置包括容器、加热组件和测温组件，所述容器用于容置所述待测金属材料，所述容器设置所述熔滴出口；所述加热组件设置于所述容器，用于将所述待测金属材料加热熔化成液态金属；所述测温组件设置于所述容器，用于检测所述液态金属的温度。

8.根据权利要求7所述的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，其特征在于，所述熔滴获取装置还包括气体驱动组件，所述气体驱动组件与所述容器连通，所述气体驱动组件能够向所述容器内充入惰性气体，驱动所述液态金属挤出所述熔滴出口，以生成所述熔滴。

9.根据权利要求1至8任一项所述的金属材料非平衡凝固过程模拟测试系统，其特征在于，还包括保护壳，所述保护壳内形成密闭的容置空间，所述保护壳的底部设置有进气口、顶部设置有出气口，所述进气口用于向所述容置空间内充入保护气体，所述出气口用于排出空气；所述基板平台、所述调温装置、所述激光加热装置、所述温度场检测装置和至少所述熔滴出口设置于所述容置空间内。

10.一种金属材料非平衡凝固过程模拟测试方法，其特征在于，包括：

调整试验基板与熔滴获取装置的熔滴出口的距离至预设距离，调整试验基板的水平角度至预设角度，确定试验基板上的熔滴落点附近区域；

调整激光加热装置、温度场检测装置和高速图像采集装置对焦至所述熔滴落点附近区域；

控制熔滴获取装置将待测金属材料加热至设定温度，得到待测金属材料的液态金属；

实时获取所述熔滴落点附近区域的温度分布，控制调温装置调控试验基板上的温度分布至第一设定温度分布；

控制激光加热装置按照设定功率，加热试验基板上的设定加热位置，并持续设定时间；

控制熔滴获取装置在设定时间输出设定质量的液态金属，得到待测金属材料的熔滴；

在熔滴下落至试验基板上时，实时获取熔滴的下落图像；

控制调温装置调控试验基板上的熔滴落点处的温度梯度至第一温度梯度，同步控制激光加热装置对熔滴加热；

实时获取试验基板上的熔滴落点区域的温度分布图像，以及熔滴的凝固过程图像。

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