CN116117170A - 一种增材制造铝锂合金实时逐级调控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增材制造铝锂合金实时逐级调控系统及方法，包括如下步骤：在激光增材制造过程中，利用红外热成像仪实时监控和反馈熔池中心的温度变化；当检测的实时温度不超过设定阈值T1时，根据实时温度调节激光功率；将实时温度超过设定阈值T1但不超过T2的区域确定为待静压加工区域，对待静压加工区域进行静压力滚压，根据实时温度调节滚压的静压力；将实时温度超过设定阈值T2的区域确定为待超声振动加工区域，对待超声振动加工区域进行超声振动滚压，根据实时温度调节超声振幅。本发明可实时监测成形过程中的熔池温度，分级调控铝锂合金的成形过程，提高零件内部和表面的力学性能，增加激光增材制造装置的实用性。

Description

一种增材制造铝锂合金实时逐级调控系统及方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域或者金属表面处理技术领域，特别涉及一种增材制造铝锂合金实时逐级调控系统及方法。
背景技术
铝锂合金由于具有较低的密度、较高的比强度和较高比刚度，被认为是航空航天领域最具竞争力的的轻质结构材料。但在铝锂合金基础研究与合金生产实践方面，创新能力与技术开发能力较为薄弱且生产能力小，远远不能满足国产大飞机的需求。此外，由于锂元素特有的化学活性高、密度低等物理性质，导致铝锂合金从成分设计、熔铸、塑性成形到热处理，各个环节的加工难度和技术复杂性都远远大于其它铝合金材料。铝锂合金在铸造、轧制等技术逐渐成熟的基础上，先进加工制造技术不断拓宽，超塑成形、旋压、辊锻焊接等新工艺不断创新，并已取得重大的应用成果，然而，由于其自身性能限制，室温成形能力仍较困难。铝锂合金在大型客机中的应用主要以冷成形为主，因此，解决和实现复杂结构件的成形是未来大型客机用铝锂合金使用的关键技术和发展方向，同时在传统工艺基础上不断开发新型技术，提高成形精度、效率和质量。
金属增材制造经过二十多年的发展已经成为先进制造领域发展最快、最具前景的技术之一。它不仅克服了许多传统生产中固有的限制，还显著缩短了设计和制造的时间、减少了生产制造中的材料浪费。通过利用计算机软件控制高能激光束，使之按照预先设定的路径在保护气氛中选择性地熔化粉末床中的金属粉末，实现逐层打印堆积成形。由于激光运动速度很快，熔化后的金属迅速凝固，抑制了晶粒长大和合金元素的析出，再加上马兰戈尼流在熔池中的扰动作用，使得材料的显微组织被大幅细化，因此材料的强度和韧性也相应增加。虽然目前对激光增材制造的工艺展开了大量研究，但是在铝锂合金的成形过程中依然存在许多问题。在成形过程中往往伴随着复杂的物理、化学、冶金等过程，容易产生球化、孔隙、裂纹等缺陷，且随着高能激光束长时间周期性剧烈加热和冷却、移动熔池在池底强约束下的快速凝固收缩及其伴生的短时非平衡循环固态相变，会在零件内部产生极大的内应力，容易导致零件严重变形开裂。因此，有必要进一步优化激光增材制造技术的工艺，克服铝锂合金成形过程中的缺陷，抑制残余拉应力幅值，获得优异的成形质量。
现有技术公开了一种高强度铝锂合金的激光-电弧复合增材制造方法，该方法包括：1)原材料设计，根据铝锂合金的目标组成选取铝合金丝材并设计铝锂合金粉末的名义成分；2)设备安装调试，将专用激光熔化沉积头和MIG焊枪通过可调节夹具固定在机械手末端关节，并调整好激光熔化沉积头和MIG焊枪的位置和角度；3)构件成型，在程序自动控制下按照预设工艺参数，进行铝锂合金构件的增材制造原位成型。但该方法受到激光加工工艺的限制，无法解决激光热效应造成的不利影响。
现有技术公开了超声滚压表面强化激光增材制造共晶高熵合金板材的方法，该方法选择AlCoCrFeNi2.1为研究对象，首先利用气雾化法制备出粉末粒度细小，球形度高、氧含量低的高熵合金粉末；然后选择选区激光熔化技术，制备出组织均匀，力学性能优异，硬度显著高于传统电弧熔炼方式制备所得的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金；最后结合超声滚压表面强化技术，使激光增材制造得到的细小晶粒进一步细化，同时可在滚压过程中加工硬化试样表面，使表面得到纳米细晶层。但该方法仅针对材料表面进行强化，忽略了激光增材制造的内部成形质量，应用场合受限。
现有技术公开了一种层间激光改性的激光选区熔化成型梯度材料的方法，该方法将激光表面改性工艺与激光选区熔化工艺进行整合，通过每激光选区熔化成型一定层数后激光束重新扫描已成型零件进行激光改性的方式，来改变零件不同区域的微观组织和性能，从而获得具有不同性能梯度的高性能零件；同时经过激光束的重新扫描，可以消除层内的空洞、微裂纹、表面凸起等缺陷，提高成型件的致密度和表面质量。零件组织和性能的变化可以通过调整设定的层数、激光重扫描功率、激光束扫描速度和激光束扫描间距的方式实现。但该方法对层间的强化效果非常有限，容易造成晶粒粗大等缺点，且工艺耗时久。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种增材制造铝锂合金实时逐级调控系统及方法，可实时监测成形过程中的熔池温度，分级调控铝锂合金的成形过程，提高零件内部和表面的力学性能，增加激光增材制造装置的实用性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
在激光增材制造过程中，利用红外热成像仪监控和反馈熔池中心的温度变化；
当检测的实时温度不超过设定阈值T1时，根据实时温度调节激光功率P，用于控制粉末熔化与凝固温度的区间；
将当前增材层中实时温度超过设定阈值T1但不超过T2的区域确定为待静压加工区域，待当前层增材完毕后对待静压加工区域进行静压力滚压，根据实时温度调节滚压的静压力F，用于消除层间组织和应力缺陷；
将当前增材层中实时温度超过设定阈值T2的区域确定为待超声振动加工区域，待当前层增材完毕后对待超声振动加工区域进行超声振动滚压，根据实时温度调节超声振幅A，用于防止增材构件变形与开裂。
进一步，所述设定阈值T1为锂元素沸点温度，一般为1342℃；所述设定阈值T2为铝元素沸点温度，一般为2407℃。
进一步，当检测的实时温度T不超过设定阈值T1时，根据实时温度T调节激光功率P，所述激光功率P＝P0-k1(T-T0)；式中P0为初始激光功率300W，T0为初始峰值温度1100℃，k1为第一比例系数取0.5W/℃。
进一步，当检测的实时温度T超过设定阈值T1但不超过T2时，记录当前温度和激光扫描路径，根据记录温度T调节滚压的静压力F，所述静压力F＝F0+k2(T-T1)；式中F0为初始静压力200N，k2为第二比例系数取0.6N/℃。
进一步，当检测的幅值温度T超过设定阈值T2时，记录当前温度和激光扫描路径，根据记录温度T调节超声振幅A，所述超声振幅A＝A0+k3(T-T2)；式中A0为初始振幅1μm，k3为第三比例系数0.003μm/℃。
进一步，第一比例系数k1或第二比例系数k2或第三比例系数k3分别由升温速度决定且与升温速度成正相关。
一种增材制造铝锂合金实时逐级调控方法的系统，在激光增材制造装置中的成形腔内安装测温装置、超声滚压集成装置和控制系统；
所述测温装置用于检测熔池中心的最高温度；所述超声滚压集成装置用于选择性的产生无超声的静滚压压力和超声振动滚压力；所述控制系统根据熔池中心的最高温度，选择性的控制超声滚压集成装置对增材层表面进行静压力滚压或超声振动滚压。
进一步，所述超声滚压集成装置包括超声波发生器、工具头和机械臂；所述机械臂位于成形腔内，所述工具头与超声波发生器连接，所述工具头安装在机械臂上；所述控制系统控制超声波发生器和机械臂。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，针对铝锂合金成形过程中面临的锂元素蒸发和冶金缺陷等问题，根据熔池表面温度的不同变化，采用分级调控实时调节，利用静压力滚压的形变强化作用和超声振动滚压的塑性流动效应，消除层间冶金缺陷、诱导残余压应力和提高界面结合强度，有效控制层间的成形质量，实现铝锂合金的高性能增材制造。
2.本发明所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，超声振动滚压不仅可以获得较高残余压应力，还可以打碎熔池柱状晶形成超细等轴晶，实现残余压应力/晶粒细化协同强韧化，有效提高成形构件的力学性能。
3.本发明所述的用于增材制造铝锂合金实时逐级调控方法的装置，包括激光增材制造装置、测温装置、静压力滚压装置和超声振动滚压装置，由控制系统自动化控制，实现了增材制造强化手段的智能一体化。
4.本发明所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法的装置，整体流程全自动化操作，减少了人力的浪费，提高了工作效率，保障了使用者的自身安全，提高了增材制造成形构件的整体力学性能，整体经济性、安全性、工作效率、精准性以及实用性较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，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，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的激光增材制造逐级调控方法示意图。
图2为本发明所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法的装置示意图。
图3为本发明各实施例成形铝锂合金致密度对比图。
图4为本发明各实施例成形铝锂合金抗拉强度对比图。
图中：
1-振镜激光器；2-工具头；3-红外热成像仪；4-成形腔；5-成型缸；6-超声波发生器；7-机械臂；8-控制系统。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，通过捕捉激光热效应获得熔池温度，根据温度幅值分级调控激光功率、滚压静压力和超声振幅，实现激光增材制造铝锂合金的实时控制，包括如下步骤：
对零件模型进行分层切片处理，铺设铝锂合金粉末，持续通入氩气降低氧含量至500ppm，然后开启激光器进行增材制造，利用红外热成像仪3监控和反馈熔池中心的温度变化；
当红外热成像仪3检测的实时温度不超过设定阈值T1时，根据实时温度T调节激光功率P，即所述激光功率P＝P0-k1(T-T0)，用于控制粉末熔化与凝固温度的区间；所述设定阈值T1为锂元素沸点温度1342℃；所述关系式是根据实验结果和经验建立的简单线性关系，用于调控参数区间和数值大小，式中P0为初始激光功率300W，T0为初始峰值温度1100℃，k1为第一比例系数取0.5W/℃。
当红外热成像仪3检测的实时温度超过设定阈值T1但不超过T2时，记录当前温度和激光扫描路径，即得出待静压加工区域，待当前层增材完毕后对待静压加工区域进行静压力滚压，根据记录温度调节滚压的静压力F，即静压力F＝F0+k2(T-T1)，用于消除层间组织和应力缺陷；所述设定阈值T2为铝元素沸点温度2407℃；式中F0为初始静压力200N，k2为第二比例系数取0.6N/℃。
当红外热成像仪3检测的幅值温度超过设定阈值T2时，记录当前温度和激光扫描路径，即得出待超声振动加工区域，待当前层增材完毕后对待超声振动加工区域进行超声振动滚压，根据记录温度调节超声振幅A，即所述超声振幅A＝A0+k3(T-T2)，用于防止增材构件变形与开裂。式中A0为初始振幅1μm，k3为第三比例系数0.003μm/℃。
直至构件成形完毕，关闭激光器和滚压设备，取出构件。
本发明所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，是针对轻质铝锂合金构件成形制造易形成锂元素蒸发、气孔和裂纹等问题，采用静压力滚压和超声振动滚压辅助激光增材制造复合成形，基于滚压的微塑性变形和高精度表面，实现交互增材制造的“可控性”，有效地降低孔隙率、获得有益的残余应力场和机械性能。此外，融合了增材成形与动态滚压两大技术优势，根据熔池峰值温度实时分级调控增材过程，提高了铝锂合金增材制造的成形性，发展了面向轻质合金复杂构件的高性能成形制造新技术。
如图2所示，本发明所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法的系统，在激光增材制造装置中的成形腔4内安装红外热成像仪3、超声滚压集成装置和控制系统8；所述激光增材制造装置通过铺粉和激光烧结用于成型零件，包括振镜激光器1、成形腔4、刮刀、粉料缸、成型缸5和回收缸，所述振镜激光器1集成于成形腔4上方，所述粉料缸、成型缸5和回收缸位于成形腔4下方，通过刮刀将粉末从粉料缸铺设到成形缸5并将多余粉末收集到回收缸8中；振镜激光器1用于激光增材的加工。
所述红外热成像仪3用于检测熔池中心的最高温度；所述超声滚压集成装置用于选择性的产生无超声的静滚压压力和超声振动滚压力；所述控制系统8根据熔池中心的最高温度，选择性的控制超声滚压集成装置2对增材层表面进行静压力滚压或超声振动滚压。所述超声滚压集成装置包括超声波发生器6、工具头2和机械臂7；所述机械臂7位于成形腔4内，所述工具头2与超声波发生器6连接，所述工具头2安装在机械臂7上；所述控制系统8控制超声波发生器6和机械臂7。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和两个具体实施例对本发明进行详细的描述。
实施例一：
建立待加工零件的三维模型，通过切片软件对待加工零件CAD三维模型进行预处理，铺设铝锂合金粉末，持续通入氩气降低氧含量至500ppm，然后开启激光器进行增材制造，采用300W的激光能量、700mm/s的扫描速度、30μm的层厚和80μm的扫描间距逐层打印。
在打印过程中利用红外热成像仪3实时监测熔池温度并反馈给计算机控制系统，当熔池峰值温度不超过设定阈值1342℃时即T1＝1342℃，根据温度幅值实时调节激光功率P＝P0-k1(T-T0)；k1取0.5W/℃。
当峰值温度超过1342℃但不超过2407℃时，控制静压力滚压装置5在当前增材层表面进行静压力滚压，根据温度幅值实时调节静压力F＝F0+k2(T-T1)；即T2＝2407℃，F0取200N，k2取0.6N/℃。
当峰值温度超过设定阈值2407℃时，开启超声波发生器，进行随动超声滚压，根据温度幅值实时调节超声振幅A＝A0+k3(T-T2)；A0取1μm，k3取0.003μm/℃。
成形试样的致密度如图3所示，实施例一激光增材制造分级调控成形铝锂合金的致密度为99.3％，相比于现有技术和表面滚压具有较明显提升，成功消除了层间冶金缺陷。成形试样的抗拉强度如图4所示，实施例一的抗拉强度为308.4MPa，相较于现有技术提高了210.3％，极大提高了铝锂合金成形构件的力学性能。
实施例二：
在实施例一的基础上，实施例二中的激光参数设置为：激光能量为300W，扫描速度为500mm/s，层厚为50μm，扫描间距为120μm。实施例二中F0仍取200N、A0取1μm，k1、k2、k3分别取0.5W/℃、0.6N/℃、0.003μm/℃。实施例二制备的铝锂合金构件的致密度和抗拉强度分别为99.8％和340.1MPa，如图3和4所示。由于实施例二优化了激光参数和初始值选取，相较于现有技术、表面滚压和实施例一的致密度和抗拉强度都得到了有效提高。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
在激光增材制造过程中，利用红外热成像仪监控和反馈熔池中心的温度变化；
当检测的实时温度不超过设定阈值T1时，根据实时温度调节激光功率P，用于控制粉末熔化与凝固温度的区间；
将当前增材层中实时温度超过设定阈值T1但不超过T2的区域确定为待静压加工区域，待当前层增材完毕后对待静压加工区域进行静压力滚压，根据实时温度调节滚压的静压力F，用于消除层间组织和应力缺陷；
将当前增材层中实时温度超过设定阈值T2的区域确定为待超声振动加工区域，待当前层增材完毕后对待超声振动加工区域进行超声振动滚压，根据实时温度调节超声振幅A，用于防止增材构件变形与开裂。
2.根据权利要求1所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，其特征在于，所述设定阈值T1为锂元素沸点温度；所述设定阈值T2为铝元素沸点温度。
3.根据权利要求1所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，其特征在于，当传感器检测的实时温度T不超过设定阈值T1时，所述激光功率P＝P0-k1(T-T0)，根据实时温度T调节激光功率P；式中P0为初始激光功率，T0为初始峰值温度，k1为第一比例系数，k1的单位为W/℃。
4.根据权利要求1所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，其特征在于，当传感器检测的实时温度T超过设定阈值T1但不超过T2时，所述静压力F＝F0+k2(T-T1)，根据实时温度T调节滚压的静压力F；式中F0为初始静压力，k2为第二比例系数，k2的单位为N/℃。
5.根据权利要求1所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，其特征在于，当传感器检测的实时温度T超过设定阈值T2时，所述超声振幅A＝A0+k3(T-T2)，根据实时温度T调节超声振幅A，式中A0为初始振幅，k3为第三比例系数，k3的单位为μm/℃。
6.根据权利要求3-5任一项所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法，其特征在于，第一比例系数k1或第二比例系数k2或第三比例系数k3分别由升温速度决定且与升温速度成正相关。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法的系统，其特征在于，在激光增材制造装置中的成形腔(4)内安装测温装置、超声滚压集成装置和控制系统(9)；
所述测温装置用于检测熔池中心的温度；所述超声滚压集成装置用于选择性的产生无超声的静滚压压力和超声振动滚压力；所述控制系统(8)根据熔池中心的温度，选择性的控制超声滚压集成装置(2)对增材层表面进行静压力滚压或超声振动滚压。
8.根据权利要求7所述的增材制造铝锂合金实时逐级调控方法的系统，其特征在于，所述超声振动滚压集成装置包括超声波发生器(6)、工具头(2)和机械臂(7)；所述机械臂(7)位于成形腔(4)内，所述工具头(2)与超声波发生器(6)连接，所述工具头(2)安装在机械臂(7)上；所述控制系统(8)控制超声波发生器(6)和机械臂(7)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117102508A (zh) * 2023-08-30 2023-11-24 江苏大学 一种激光选区熔化缺陷调控装置及方法
CN117435990A (zh) * 2023-10-19 2024-01-23 北华航天工业学院 一种超声滚压加工温度检测分析方法
CN117102508B (zh) * 2023-08-30 2024-05-14 江苏大学 一种激光选区熔化缺陷调控装置及方法

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