CN117139645A - 一种镁合金激光选区熔化制造设备及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种镁合金激光选区熔化制造设备及制造方法，其中设备包括成形腔、气氛保护系统和加压组件，成形腔设有进气口和出气口，气氛保护系统包括储气罐、进气管路和出气管路，加压组件包括增压阀和减压阀，增压阀设在进气管路上，减压阀设在出气管路上；增压阀用于将惰性气体以第一压力输入成形腔，减压阀用于将成形腔内部的气体以第二压力输出，使得成形腔内部的压力保持在预设压力且成形腔内部形成有气流，预设压力大于大气压。本发明通过可调控的增压阀和减压阀将成形腔内的压强提高，能保持成形腔内的高压环境，通过提高成形腔内压力来提高镁的沸点，实现了扩大镁合金可打印参数窗口的目的。

Description

一种镁合金激光选区熔化制造设备及制造方法

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种镁合金激光选区熔化制造设备及制造方法。

背景技术

随着航空航天装备、武器装备制造等重要领域对产品综合性能要求的进一步提升，更加轻量化的零件设计理念，如流道和拓扑等，开始应用于镁合金零件。然而，目前镁合金的成形主要采用传统的铸造和塑性成形等工艺，难以对一体化构件内部进行加工，限制了镁合金发挥轻量化优势和构建精细流道结构或拓扑结构的潜力。近些年来兴起的激光选区熔化技术突破了传统制造技术原理的限制，具有高精度、高设计自由度、高原材料利用率等优势。通过调整工艺参数，可以控制合金的微观结构和性能，最大限度地发挥合金材料的形-性协同设计能力，从而实现传统制造无法实现的复杂结构产品的近净成形。

然而，镁的熔点(649℃)和沸点(1090℃)之间相差只有441℃，导致在激光选区熔化过程中容易出现镁合金的剧烈蒸发，从而引起剧烈粉末飞溅和成形件部分缺失等问题。这使得在激光选区熔化成形镁合金时，只能选择激光能量密度相对较低的参数组合。这些参数组合打印的试样往往容易产生气孔、未熔化孔隙等缺陷，制约了激光选区熔化轻量化、无缺陷和高强度镁合金的发展和应用。

目前，主流的处理方法是在较窄的工艺参数窗口中寻找能够使用较大的激光输入能量，但又不蒸发镁合金的工艺参数，可结合通过合理降低熔融金属的动态粘度的方式，保证熔融金属的充分扩散，减少粉体飞溅，从而改善层间的润湿性，减少构件中的气孔。然而，鉴于镁合金激光选区熔化成形工艺参数窗口较窄的实际情况，注定需要花费大量的时间和材料去寻找合适的工艺参数。因此，突破镁合金激光选区熔化限制的首要问题就是扩大合适的工艺参数窗口，使得使用较大的激光输入能量而不会剧烈蒸发镁合金。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种镁合金激光选区熔化制造设备及制造方法，其目的在于通过增大成形腔室的压力提高镁的沸点，由此解决镁合金激光选区熔化成形过程中打印参数窗口窄、镁剧烈蒸发的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种镁合金激光选区熔化制造设备，包括成形腔、气氛保护系统和加压组件，所述成形腔设有进气口和出气口，所述气氛保护系统包括储气罐、进气管路和出气管路，所述储气罐内存储有惰性气体，所述储气罐通过所述进气管路与所述进气口连通，所述出气口连通所述出气管路，所述加压组件包括增压阀和减压阀，所述增压阀设在所述进气管路上，所述减压阀设在所述出气管路上；

所述成形腔制造工件过程中，所述增压阀用于将惰性气体以第一压力输入所述成形腔，所述减压阀用于将所述成形腔内部的气体以第二压力输出，其中所述第一压力大于所述第二压力，使得所述成形腔内部的压力保持在预设压力且所述成形腔内部从所述进气口至所述出气口形成有气流以带走腔内粉末，其中所述预设压力大于大气压。

根据本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备，所述成形腔设有腔体氧气检测器和多个腔体压力传感器，多个所述腔体压力传感器分布在所述成形腔的不同部位，所述腔体氧气检测器和所述腔体压力传感器分别与信号处理器连接，所述信号处理器与控制组件连接，所述控制组件与所述增压阀和所述减压阀分别连接。

根据本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备，所述出气管路上还设有过滤器和氧气净化器，所述过滤器和所述氧气净化器依次与所述减压阀的出口相连，所述氧气净化器的出口与所述储气罐相连。

根据本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备，所述过滤器的出口处连接有过滤压力传感器和过滤氧气检测器，所述进气管路上设有进气鼓风机，所述出气管路上设有出气鼓风机。

根据本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备，还包括第一支路，所述减压阀和所述过滤器之间设有第一电动阀，所述第一支路的一端连接于所述减压阀和所述第一电动阀之间，所述第一支路的另一端连接于所述过滤器的出口，所述第一支路上设有第二电动阀。

根据本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备，还包括第二支路，所述氧气净化器的入口处设有第三电动阀，所述氧气净化器的出口处设有第四电动阀，所述第二支路的一端连接于所述第三电动阀的入口处，所述第二支路的另一端连接于所述第四电动阀的出口处，所述第二支路上设有第五电动阀。

根据本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备，所述氧气净化器的出口和所述第四电动阀之间还设有净化氧气检测器以及连接有第一排气管路，所述第一排气管路上设有第六电动阀。

根据本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备，还包括气瓶、第二排气管路、罐体压力传感器和罐体氧气检测器，所述气瓶与所述储气罐相连，所述储气罐连接有所述第二排气管路，所述储气罐上设有所述罐体压力传感器和所述罐体氧气检测器。

按照本发明的另一个方面，提供了一种镁合金激光选区熔化制造方法，基于上述任一项所述的镁合金激光选区熔化制造设备，所述制造方法包括：

所述成形腔制造工件之前，向所述成形腔中通入惰性气体排出所述成形腔内部的空气，并使得所述成形腔内部的气体压强增加到预设压力；

所述成形腔制造工件过程中，通过控制所述增压阀和所述减压阀以控制所述成形腔内部惰性气体的流量，使得所述成形腔内部的压力保持在预设压力且所述成形腔内部从所述进气口至所述出气口形成有气流以带走腔内粉末。

根据本发明提供的镁合金激光选区熔化制造方法，向所述成形腔中通入惰性气体排出所述成形腔内部的空气，具体包括：

向所述储气罐中通入惰性气体排出所述储气罐内部的空气；

通过所述储气罐向所述成形腔中通入惰性气体排出所述成形腔内部的空气。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备及制造方法：

1.在成形腔的进气口装备一个增压阀以及在成形腔出气口装备一个减压阀，通过可调控的增压阀和减压阀将成形腔内的压强提高，能够将成形腔内的氧气浓度控制在较低的水平下，还能保持成形腔内的高压环境，通过提高成形腔内压力来提高镁的沸点，实现了扩大镁合金可打印参数窗口的目的，有利于实现较大激光输入能量进行制造，且有利于避免镁合金的剧烈蒸发；同时设置加压组件不影响成形腔内的气体流动，还有利于气流及时带走腔体粉末，从而保证制造质量；

2.该制造设备及方法结合了气体过滤和除氧过程，通过过滤器吸附吹出气体中的镁蒸气，利用氧气净化器去除吹出气体中的氧气，达到了惰性气体的循环利用，极大的减少了惰性气体资源的浪费；

3.该制造设备中的气氛保护系统设置多个支路，使得气路流向更加多样性，能够更好的适应不同的气流过程，有利于提高制造效率。

附图说明

图1是本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备的示意图；

图2是本发明提供的增压阀的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-气瓶减压阀、2-进气鼓风机、3-增压阀、4-成形腔、5-腔体压力传感器、6-腔体压力传感器、7-腔体氧气检测器、8-信号处理器、9-腔体减压阀、10-第一电动阀、11-第二电动阀、12-活性炭过滤网、13-过滤压力传感器、14-过滤氧气检测器、15-出气鼓风机、16-第五电动阀、17-第三电动阀、18-氧气净化器、19-加热器、20-净化氧气检测器、21-集成式控制单元、22-储气罐、23-进气单向阀、24-回气单向阀、25-罐体压力传感器、26-第四电动阀、27-第六电动阀、28-第一排气口、29-罐体氧气检测器、30-排气单向阀、31-第二排气口、32-调压阀、33-驱动室A、34-驱动室B、35-增压室B、36-增压室A、37-活塞、38-增压进口单向阀、39-换向阀、40-增压进口、41-增压进口单向阀、42-增压出口单向阀、43-增压出口单向阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供一种镁合金激光选区熔化制造设备，该制造设备包括成形腔4、气氛保护系统和加压组件，所述成形腔4设有进气口和出气口，所述气氛保护系统包括储气罐22、进气管路和出气管路，所述储气罐22内存储有惰性气体，所述储气罐22通过所述进气管路与所述进气口连通，所述出气口连通所述出气管路，所述加压组件包括增压阀3和减压阀，所述增压阀3设在所述进气管路上，所述减压阀设在所述出气管路上；

所述成形腔4制造工件过程中，所述增压阀3用于将惰性气体以第一压力输入所述成形腔4，所述减压阀用于将所述成形腔4内部的气体以第二压力输出，其中所述第一压力大于所述第二压力，使得所述成形腔4内部的压力保持在预设压力且所述成形腔4内部从所述进气口至所述出气口形成有气流以带走腔内粉末，其中所述预设压力大于大气压。

成形腔4用于镁合金工件的制造，即镁合金工件在成形腔4中进行激光选区熔化制造。成形腔4腔体上设置一个进气口和一个出气口，分别与气氛保护系统连接，形成惰性气氛循环。气氛保护系统连接惰性气体源和成形腔4，用于保持打印腔室即成形腔4的低氧环境，以防止工件氧化变质而影响制造质量。加压组件包括增压阀3和减压阀即腔体减压阀9，分别控制气氛保护系统进气流量和成形腔4出气流量，加压组件用于给成形腔4腔室加压，在成形腔4内压强保持在设定值时还能保证气体的正常循环。

本发明提供的镁合金激光选区熔化制造设备，在成形腔4的进气口装备一个增压阀3以及在成形腔4出气口装备一个减压阀，通过可调控的增压阀3和减压阀将成形腔4内的压强提高，能够将成形腔4内的氧气浓度控制在较低的水平下，还能保持成形腔4内的高压环境，通过提高成形腔4内压力来提高镁的沸点，实现了扩大镁合金可打印参数窗口的目的，有利于实现较大激光输入能量进行制造，且有利于避免镁合金的剧烈蒸发；同时设置加压组件不影响成形腔4内的气体流动，还有利于气流及时带走腔体粉末，从而保证制造质量。

进一步地，所述成形腔4设有腔体氧气检测器7和多个腔体压力传感器5，多个所述腔体压力传感器5分布在所述成形腔4的不同部位，所述腔体氧气检测器7和所述腔体压力传感器5分别与信号处理器8连接，所述信号处理器8与控制组件连接，所述控制组件与所述增压阀3和所述减压阀分别连接。

参考图1，本实施例中成形腔4内可设有一个腔体氧气检测器7和两个腔体压力传感器即腔体压力传感器5和腔体压力传感器6，腔体压力传感器5和腔体压力传感器6可分布在成形腔4腔体两侧，例如一个靠近进气口设置，另一个靠近出气口设置；腔体氧气检测器7用于实时检测腔内氧气浓度，以保证腔内氧气浓度在预设浓度以下。腔体压力传感器5用于实时检测腔内压力，以保证腔内压力保持在预设压力。各传感器可将检测信号发送给信号处理器8，信号处理器8将检测信号与预设值进行比较判断，然后将判断结果发送给控制组件，控制组件根据判断结果生成控制指令，以相应控制增压阀3和减压阀工作。

进一步地，在设置多个腔体压力传感器5时，可取多个腔体压力传感器5的平均值作为成形腔4内的实时压力值。腔体压力传感器5的具体设置数量以及设置部位不做限定。

具体地，参考图2，增压阀3内置可由压力传感器控制的调压阀32，该调压阀32可控制输出端压力；增压阀3包括一个调压阀32，一个换向阀39，两个驱动室和两个增压室，增压阀3设于储气罐22与成形腔4进气口之间的管路上，成形腔4内的腔体压力传感器5可将成形腔4内的实时压强反馈给增压阀3中的调压阀32，调压阀32可以控制实时压入的气体压强，减压阀设于成形腔4出气口连接的管路上，可以保证腔内气体顺畅的流动。

设定该成形腔4内的预设压力值，当腔体压力传感器5反馈气压低于预设压力值时，增压阀3工作，将储气罐22内的气体压入成形腔4，一旦达到设定值立马停止工作，成形腔4出气口处装备的减压阀则将腔内的高压气体降低为合适压强气体均匀的排出，两者相结合达到成形腔4加压到设定压强值且惰性气体循环顺畅的目的。

进一步地，所述出气管路上还设有过滤器和氧气净化器18，所述过滤器和所述氧气净化器18依次与所述减压阀的出口相连，所述氧气净化器18的出口与所述储气罐22相连。设置过滤器和氧气净化器18，同时可吸附成形腔4内被吹出气体中的镁蒸气和净化气体中的氧气，使气体能重新进入气体循环，能极大地减少惰性气体的消耗。

进一步地，气氛保护系统至少包括一个过滤器、氧气净化器18和一个储气罐22，过滤器入口与成形腔4出口连接，中间顺序连接有减压阀，减压阀入口连接成形腔4出口，减压阀出口连接过滤器，过滤器出口与氧气净化器18连接，储气罐22接在氧气净化器18出口，储气罐22用于将压缩惰性气体例如氩气储存到该系统中，供加压组件给腔室加压使用；同时可将气氛保护系统净化过的气体储存在该系统中，使得气体能够重新进入气体循环，起到相当于“蓄水池”和“缓冲罐”的功能。

可选地，过滤器可包括活性炭过滤网12；控制组件可为集成式控制单元21。成形腔4的进气口与出气口可相对设于粉床上方，进气口的气体能将镁蒸气吹到出气口一侧，使其顺着管道吹出成形腔4，进入过滤网。

进一步地，所述过滤器的出口处连接有过滤压力传感器13和过滤氧气检测器14，所述进气管路上设有进气鼓风机2，所述出气管路上设有出气鼓风机15。

在过滤器后装有过滤氧气检测器14和过滤压力传感器13，监测过滤后的气体的氧浓度和压力值。过滤压力传感器13和过滤氧气检测器14可分别连接于信号处理器8。进气鼓风机2和出气鼓风机15可分别与控制组件连接。在镁合金工件制造过程中，可先开启一个鼓风机，例如先开启进气鼓风机2，用于驱动气体流动。当压力检测值过低时会将信号反馈至信号处理器8，信号处理器8处理后发送指令给集成式控制单元21，控制单元对设备进行紧急暂停，与此同时发出报警，提示过滤器滤网堵塞；如果压强过高，处理器下指令给控制单元，另一个鼓风机例如出气鼓风机15便开始工作，以加速气流速度。

当过滤氧气检测器14检测的氧浓度检测值达标时，即低于预设浓度值时，可选择关闭氧气净化器18，过滤后的气体可直接流入储气罐22；当氧浓度检测值不达标时，即高于预设浓度值时，可选择开启氧气净化器18，将氧气净化吸收后再排入储气罐22。

可选地，设有两个鼓风机，两个鼓风机都受集成式控制单元21控制；过滤器内的过滤网是多层结构，能将镁蒸气吸附在过滤网上；氧气净化器18包括加热器19和多层铜网，加热器19可呈环形分布，铜网具有多层，相互平行且置于环形加热器19内，铜网之间均匀分布，其中，所述铜网目数为200-300目；通过加热器19的加热可使得铜网温度升高，可快速与氧气反应以吸除氧气。加热器19用于加热铜网，加热器19和铜网的具体设置形状以及位置关系也可为其他，以能更好的加热铜网为目的，具体不做限定。

进一步地，镁合金激光选区熔化制造设备还包括第一支路，所述减压阀和所述过滤器之间设有第一电动阀10，所述第一支路的一端连接于所述减压阀和所述第一电动阀10之间，所述第一支路的另一端连接于所述过滤器的出口，所述第一支路上设有第二电动阀11。第一电动阀10和第二电动阀11可分别连接于控制组件。可通过控制第一电动阀10和第二电动阀11的启闭，来控制第一支路的通断，使得出气口的气流能够选择性经过过滤器。

进一步地，镁合金激光选区熔化制造设备还包括第二支路，所述氧气净化器18的入口处设有第三电动阀17，所述氧气净化器18的出口处设有第四电动阀26，所述第二支路的一端连接于所述第三电动阀17的入口处，所述第二支路的另一端连接于所述第四电动阀26的出口处，所述第二支路上设有第五电动阀16。第三电动阀17、第四电动阀26和第五电动阀16可分别连接于控制组件。可通过控制第三电动阀17、第四电动阀26和第五电动阀16的启闭，来控制第二支路的通断，使得出气口的气流能够选择性经过氧气净化器18。

设置第一支路和第二支路使得气氛保护系统的气路流向更加多样性，能够更好的适应不同的气流过程，有利于提高制造效率。

进一步地，所述氧气净化器18的出口和所述第四电动阀26之间还设有净化氧气检测器20以及连接有第一排气管路，所述第一排气管路上设有第六电动阀27。设置第一排气管路和净化氧气检测器20，在净化氧气检测器20检测的氧气浓度值不达标时，可打开第一排气管路，将出气口流出的气体排出。还可在工件制造前，排出成形腔4内氧气时，打开第一排气管路，将出气口流出的气体排出。

进一步地，镁合金激光选区熔化制造设备还包括气瓶、第二排气管路、罐体压力传感器25和罐体氧气检测器29，所述气瓶与所述储气罐22相连，所述储气罐22连接有所述第二排气管路，所述储气罐22上设有所述罐体压力传感器25和所述罐体氧气检测器29。在工件制造前，排出储气罐22内氧气时，可关闭成形腔4，打开第二排气管路，将储气罐22内的空气直接排出。

气瓶为高压储气瓶，气瓶可通过气瓶减压阀1与储气罐22连通，用于为储气罐22供气。储气罐22内配有罐体压力传感器25和罐体氧气检测器29，罐体压力传感器25和罐体氧气检测器29分别与信号处理器8连接；当罐体压力传感器25检测的气压达到设定值时提示关闭气瓶。

进一步地，所述进气管路上还设有进气单向阀23；所述氧气净化器18和所述储气罐22之间的管路上还设有回气单向阀24；所述第二排气管路上还设有排气单向阀30。储气罐22出口与入口均配有单向阀，使得气体只能单向流动。

进一步地，一种镁合金激光选区熔化制造设备还包括激光成形系统，激光成形系统包括激光、振镜、成形腔4、基板等，该激光成形系统的具体设置以及作用过程对本领域技术人员来说是公知的，不再赘述。

进一步地，本发明还提供一种镁合金激光选区熔化制造方法，基于上述任一项实施例所述的镁合金激光选区熔化制造设备，所述制造方法包括：

所述成形腔4制造工件之前，向所述成形腔4中通入惰性气体排出所述成形腔4内部的空气，并使得所述成形腔4内部的气体压强增加到预设压力；

所述成形腔4制造工件过程中，通过控制所述增压阀3和所述减压阀以控制所述成形腔4内部惰性气体的流量，使得所述成形腔4内部的压力保持在预设压力且所述成形腔4内部从所述进气口至所述出气口形成有气流以带走腔内粉末。

进一步地，向所述成形腔4中通入惰性气体排出所述成形腔4内部的空气，具体包括：

向所述储气罐22中通入惰性气体排出所述储气罐22内部的空气；

通过所述储气罐22向所述成形腔4中通入惰性气体排出所述成形腔4内部的空气。

向所述储气罐22中通入惰性气体排出所述储气罐22内部的空气，具体包括：

关闭成形腔4使成形腔4称为密闭空间，打开第二排气管路，向储气罐22中通入惰性气体；

在罐体氧气检测器29检测的氧浓度达标时，关闭第二排气管路；

在罐体压力传感器25检测的压力值达标时，停止向储气罐22中通入惰性气体。

通过所述储气罐22向所述成形腔4中通入惰性气体排出所述成形腔4内部的空气，具体包括：

打开进气管路、出气管路上的第一支路、第一排气管路以及关闭氧气净化器18，通过出气罐向所述成形腔4中通入惰性气体排出所述成形腔4内部的空气。

使得所述成形腔4内部的气体压强增加到预设压力，具体包括：

在腔体氧气检测器7检测的氧浓度达标时，关闭成形腔4的出气口，打开进气管路，向成形腔4通入惰性气体；

直至腔体压力传感器5检测的压力值达到预设压力。

成形腔4内部的气体压强增加到预设压力之后开始在成形腔4中进行工件的制造。

具体地，参照图1，为本发明增材制造系统成形腔4加压示意图，成形腔4加压流程主要分为两步，首先通入惰性气体将成形腔4内的空气置换出，降低腔室内的氧气浓度；其次设定腔室压强，通过增压阀3对成形腔4加压，加压完毕后进行激光打印。

第一步流程如下：首先做好前期准备，然后关闭成形腔4使成形腔4成为密闭空间，随后关闭进气单向阀23、回气单向阀24，打开排气单向阀30，接着打开压缩氩气瓶，将氩气充入储气罐22内，排出储气罐22内的空气。待储气罐22内氧含量降低至一定值时，关闭排气单向阀30，打开进气单向阀23，关闭第一电动阀10、第五电动阀16以及第四电动阀26，打开第二电动阀11、第三电动阀17和第六电动阀27以及进气鼓风机2，此时氩气经由鼓风机快速的流入成形腔4内，快速的置换成形腔4的空气，排出腔体的流动气体会顺着管道流动，可不开启氧气净化器18，气体不需经过过滤器和氧气净化器18处理，直接通过第一排气口28排出。

通氩气一段时间后，当成形腔4内的腔体氧气检测器7监测到氧浓度低于设计的可打印腔内氧浓度时，关闭第二电动阀11、第三电动阀17、第六电动阀27，打开第一电动阀10、第五电动阀16和回气单向阀24，此时氩气经过回气单向阀24流入储气罐22内，开始进入气体内循环，储气罐22内的罐体压力传感器25和罐体氧气检测器29实时反馈储气罐22内的气体状态，从而将信息传递给信号处理器8来控制压缩氩气进入储气罐22内的流量，实现氩气有序的循环。

第二流程：设置成形腔4内的气体压强即预设压力，打开增压阀3，关闭成形腔4后的减压阀。此时成形腔4内两个腔体压力传感器5开始向信号处理器8反馈成形腔4内的实时气压，信号处理器8将该信号传送递给集成式控制单元21，该控制单元便开始控制增压阀3中的调压阀32和进气鼓风机2，大量的氩气被进气鼓风机2送到增压阀3处。参考图2，进气鼓风机2输入的氩气经增压进口40进入调压阀32，然后分两路，一路打开增压进口单向阀38和增压进口单向阀41充入小气缸的增压室A36和增压室B35，另一路经调压阀32及换向阀39输向大气缸的驱动室B34，与此同时驱动室A33排气，大活塞37左移，带动小活塞37也左移，小气缸B室增压，打开增压出口单向阀43从出口送出高压气体。小活塞37走到头，使换向阀39切换，则驱动室A33进气，驱动室B34排气，大活塞37反向运动，增压室A36增压，打开增压出口单向阀42，继续从输出口送出高压气体；可以使出口压力自动保持在某一值。

增压阀3能得到在增压比范围内的任意设定出口压力。若增压阀3出口反馈压力与调压阀32的弹簧力相平衡，增压阀3就停止运转，不再输出流量。可设置增压阀3出口压力值与成形腔4的预设压力相同，当成形腔4内压强达到预设压力时，增压阀3停止工作。成形腔4内部的预设压力可大于等于10个大气压。

当成形腔4内压强达到预设压力时，激光成形系统开始工作打印试样，与此同时打开腔体减压阀9，关闭第五电动阀16、打开第四电动阀26、打开第三电动阀17、打开氧气净化器18内的加热器19，此时成形腔4内的高压气体被吹出，同时带走打印时蒸发的镁蒸气，随后流动的气体经由过滤网时镁蒸气被吸附在活性碳过滤网上。净化器内的加热器19在开始打印时就已经开始工作，环形的加热器19可将多层细薄铜网均匀加热至400℃以上，气体流经氧气净化器18时，加热的细薄铜网可以增大与气体的接触面积，同时高达400℃的高温使得细薄铜网迅速与氩气中的氧气发生反应，达到除去氩气中微量氧气的目的。除氧后的氩气经过单向阀流入储气罐22内，重新进入惰性气体循环。

本发明所构思的加压方案：

该加压方法通过可调控的增压阀3和减压阀将成形腔4内的压强提高，同时不影响成形腔4内的气体流动，其优势在于将氧气浓度控制在较低的水平下的同时还能保持所述成形腔4内的高压环境，实现了扩大镁合金可打印参数窗口的目的；

传统的激光选区熔化设备大多数成形腔4内的压强只能加到2-3个大气压，对镁合金的沸点影响不是很大，本发明可以通过调节增压阀3出口压力来实现更高的成形腔4压强，提供更多的打印参数选择；

本加压方法结合了气体过滤和除氧过程，通过活性炭过滤网12吸附吹出气体中的镁蒸气，利用加热铜网与惰性气体氩气中微量的氧气反应，达到了惰性气体的循环利用，极大的减少了惰性气体资源的浪费。

以下结合具体实例，对本发明进行进一步详细说明。

具体实例1

使用离心雾化Mg-15 Gd-1 Zn-0.4Zr(GZ151K，wt.％)镁合金球形粉末，粉末粒度在15-53um，合金粉末中Gd含量为13.57％、Zn为0.85％、Zr为0.3％，其余都是镁。打印前将镁合金粉末放在烘箱内烘烤30-35分钟(烘箱温度150°)，然后将粉末倒入送粉缸内，并且在成形腔4底板上放置相应的基板，关闭成形腔4腔门，形成密闭空间。接下来加压过程分为两步：第一步是置换整个系统内的空气，将氧含量降至符合打印的氧浓度标准；第二步是通过控制单元下达指令给增压阀3和其它部件，给成形腔4内加压。

进一步地，在气氛保护系统工作流程中，首先打开压缩氩气瓶，通入的氩气将持续置换储气罐22的空气，一旦置换完成后，所述储气罐22将成为置换成形腔4和管道内空气的惰性气体源，置换的空气和氩气通过排气口源源不断排出，直至成形腔4内的氧气浓度降到激光打印系统可工作的范围内。

完整的工作流程如下：开启排气单向阀30，关闭进气单向阀23和回气单向阀24，打开压缩氩气瓶，调好气瓶减压阀1参数，氩气不断地涌入储气罐22内置换空气；当储气罐22内罐体氧气检测器29反馈氧气浓度降低到设定值时，关闭第二排气口31处的排气单向阀30，关闭第一电动阀10、第五电动阀16、第四电动阀26，打开进气单向阀23和进气鼓风机2，打开第二电动阀11、第三电动阀17、第六电动阀27，增压阀3此时不工作，储气罐22内的氩气将被通入成形腔4内，成形腔4内的空气被排出顺着管道一路流动，不需要经过过滤网和氧气净化器18处理，最后经由第一排气口28直接排出，即该阶段气流为气瓶减压阀1—储气罐22—排气单向阀30—第二排气口31和气瓶减压阀1—储气罐22—进气单向阀23—进气鼓风机2—成形腔4—腔体减压阀9—第二电动阀11—第三电动阀17—第六电动阀27—第一排气口28。

成形腔4内氧浓度达到标准后，成形腔4内的腔体氧气检测器7便将信号发送给信号处理器8，信号处理器8下达指令给控制单元，关闭腔体减压阀9，开启增压阀3和进气鼓风机2，对成形腔4进行加压处理；在腔体压力传感器5检测的压力值达到预设压力时，打开腔体减压阀9、第一电动阀10和第四电动阀26，关闭第二电动阀11和第六电动阀27，打开回气单向阀24，此时气氛保护系统和激光成形系统气路连通，气路为气瓶减压阀1—储气罐22—进气单向阀23—进气鼓风机2—成形腔4—腔体减压阀9—第一电动阀10—活性炭过滤网12—第三电动阀17—第四电动阀26—回气单向阀24—储气罐22。

进一步地，在加压工作流程中，按照镁合金材料特性设定成形腔4加压目标值为10个大气压，打开增压阀3、腔体减压阀9和加热器19，并且减压阀出口压力值设置为略微大于一个大气压。进气鼓风机2此时将储气罐22内循环的氩气不断地鼓入增压阀3入口处，输入的氩气分两路，一路打开增压进口单向阀38和增压进口单向阀41充入小气缸的增压室A36和增压室B35，另一路经调压阀32及换向阀39输向大气缸的驱动室B34，与此同时驱动室A33排气，大活塞37左移，带动小活塞37也左移，小气缸B室增压，打开增压出口单向阀43从出口送出高压气体。小活塞37走到头，使换向阀39切换，则驱动室A33进气，驱动室B34排气，大活塞37反向运动，增压室A36增压，打开增压出口单向阀42，继续从输出口送出高压气体；若成形腔4内气压低于10个大气压，增压阀3就一直工作压入气体，可以设置增压阀3出口压力为10个大气压，在成形腔4内气压达到10个大气压时，增压阀3停止工作。

成形腔4出口接腔体减压阀9，使成形腔4高压气体能平缓的流出，成形腔4内的进气口可以将蒸发的镁蒸气吹入出气口，并且通过出气口进入活性炭过滤网12，过滤网可以吸附镁蒸气，净化气体。经过初步净化的气体一路通畅的流入到氧气净化器18，此时加热器19已经将多层200目的铜网加热到400℃以上，流经的气体与200目的铜网接触，瞬间发生反应，将循环气体中的微量氧气反应，达到除氧的目的，再一次净化气体，净化后的气体通过单向阀流入储气罐22内，重新进入气体循环。

通过上述的加压过程，成形腔4内的压强可以提高到材料所需的要求，并且惰性气体可以循环利用，既扩大了镁合金工艺参数窗口，又能节约气体资源，最终，在更大的工艺参数窗口优选出的激光增材制造工艺下，完成镁合金零件的打印。

具体实例2

使用球形气体雾化AZ91 D合金粉末镁合金球形粉末，粉末粒度在53-75um，合金粉末中Al含量为9.08％、Zn为0.65％、Mn为0.23％，其余都是镁。打印前将镁合金粉末放在烘箱内烘烤30-35分钟(烘箱温度150°)，然后将粉末倒入送粉缸内，并且在成形腔4底板上放置相应的基板，关闭成形腔4腔门，形成密闭空间。接下来加压过程分为两步：第一步是置换整个系统内的空气，将氧含量降至符合打印的氧浓度标准；第二步是通过控制单元下达指令给增压阀3和其它部件，给成形腔4内加压。

进一步地，在气氛保护系统工作流程中，首先打开压缩氩气瓶，通入的氩气将持续置换储气罐22的空气，一旦置换完成后，所述储气罐22将成为置换成形腔4和管道内空气的惰性气体源，置换的空气和氩气通过排气口源源不断排出，直至成形腔4内的氧气浓度降到激光打印系统可工作的范围内。

完整的工作流程如下：开启排气单向阀30，关闭进气单向阀23和回气单向阀24，打开压缩氩气瓶，调好气瓶减压阀1参数，氩气不断地涌入储气罐22内置换空气，当储气罐22内罐体氧气检测器29反馈氧气浓度降低到设定值时，关闭第二排气口31处的排气单向阀30，关闭第一电动阀10、第五电动阀16、第四电动阀26，打开进气单向阀23和进气鼓风机2，打开第二电动阀11、第三电动阀17、第六电动阀27，增压阀3此时不工作，储气罐22内的氩气将被通入成形腔4内，成形腔4内的空气被排出顺着管道一路流动，不需要经过过滤网和氧气净化器18处理，最后经由第一排气口28直接排出，即该阶段气流为气瓶减压阀1—储气罐22—排气单向阀30—第二排气口31和气瓶减压阀1—储气罐22—进气单向阀23—进气鼓风机2—成形腔4—腔体减压阀9—第二电动阀11—第三电动阀17—第六电动阀27—第一排气口28。

成形腔4内氧浓度达到标准后，成形腔4内的腔体氧气检测器7便将信号发送给信号处理器8，信号处理器8下达指令给控制单元，关闭腔体减压阀9，开启增压阀3和进气鼓风机2，对成形腔4进行加压处理；在腔体压力传感器5检测的压力值达到预设压力时，打开腔体减压阀9、第一电动阀10和第四电动阀26，关闭第二电动阀11和第六电动阀27，打开回气单向阀24，此时气氛保护系统和激光成形系统气路连通，气路为气瓶减压阀1—储气罐22—进气单向阀23—进气鼓风机2—成形腔4—腔体减压阀9—第一电动阀10—活性炭过滤网12—第三电动阀17—第四电动阀26—回气单向阀24—储气罐22。

进一步地，在加压工作流程中，按照镁合金材料特性设定成形腔4加压目标值为10个大气压，打开增压阀3、腔体减压阀9和加热器19，并且减压阀出口压力值设置为略微大于一个大气压。进气鼓风机2此时将储气罐22内循环的氩气不断地鼓入增压阀3入口处，输入的氩气分两路，一路打开增压进口单向阀38和增压进口单向阀41充入小气缸的增压室A36和增压室B35，另一路经调压阀32及换向阀39输向大气缸的驱动室B34，与此同时驱动室A33排气，大活塞37左移，带动小活塞37也左移，小气缸B室增压，打开增压出口单向阀43从出口送出高压气体。小活塞37走到头，使所述换向阀39切换，则驱动室A33进气，驱动室B34排气，大活塞37反向运动，增压室A36增压，打开增压出口单向阀42，继续从输出口送出高压气体；若成形腔4内气压低于10个大气压，增压阀3就一直工作压入气体，可以设置增压阀3出口压力为10个大气压，在成形腔4内气压达到10个大气压时，增压阀3停止工作。

成形腔4出口接腔体减压阀9，使成形腔4高压气体能平缓的流出，成形腔4内的进气口可以将蒸发的镁蒸气吹入出气口，并且通过出气口进入活性炭过滤网12，过滤网可以吸附镁蒸气，净化气体。经过初步净化的气体一路通畅的流入到氧气净化器18，此时加热器19已经将多层200目的铜网加热到400℃以上，流经的气体与200目的铜网接触，瞬间发生反应，将循环气体中的微量氧气反应，达到除氧的目的，再一次净化气体，净化后的气体通过单向阀流入储气罐22内，重新进入气体循环。

通过上述的加压过程，成形腔4内的压强可以提高到材料所需的要求，并且惰性气体可以循环利用，既扩大了镁合金工艺参数窗口，又能节约气体资源，最终，在更大的工艺参数窗口优选出的的激光增材制造工艺下，完成镁合金零件的打印。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镁合金激光选区熔化制造设备，其特征在于，包括成形腔、气氛保护系统和加压组件，所述成形腔设有进气口和出气口，所述气氛保护系统包括储气罐、进气管路和出气管路，所述储气罐内存储有惰性气体，所述储气罐通过所述进气管路与所述进气口连通，所述出气口连通所述出气管路，所述加压组件包括增压阀和减压阀，所述增压阀设在所述进气管路上，所述减压阀设在所述出气管路上；

所述成形腔制造工件过程中，所述增压阀用于将惰性气体以第一压力输入所述成形腔，所述减压阀用于将所述成形腔内部的气体以第二压力输出，其中所述第一压力大于所述第二压力，使得所述成形腔内部的压力保持在预设压力且所述成形腔内部从所述进气口至所述出气口形成有气流以带走腔内粉末，其中所述预设压力大于大气压。

2.如权利要求1所述的镁合金激光选区熔化制造设备，其特征在于，所述成形腔设有腔体氧气检测器和多个腔体压力传感器，多个所述腔体压力传感器分布在所述成形腔的不同部位，所述腔体氧气检测器和所述腔体压力传感器分别与信号处理器连接，所述信号处理器与控制组件连接，所述控制组件与所述增压阀和所述减压阀分别连接。

3.如权利要求1所述的镁合金激光选区熔化制造设备，其特征在于，所述出气管路上还设有过滤器和氧气净化器，所述过滤器和所述氧气净化器依次与所述减压阀的出口相连，所述氧气净化器的出口与所述储气罐相连。

4.如权利要求3所述的镁合金激光选区熔化制造设备，其特征在于，所述过滤器的出口处连接有过滤压力传感器和过滤氧气检测器，所述进气管路上设有进气鼓风机，所述出气管路上设有出气鼓风机。

5.如权利要求3所述的镁合金激光选区熔化制造设备，其特征在于，还包括第一支路，所述减压阀和所述过滤器之间设有第一电动阀，所述第一支路的一端连接于所述减压阀和所述第一电动阀之间，所述第一支路的另一端连接于所述过滤器的出口，所述第一支路上设有第二电动阀。

6.如权利要求3所述的镁合金激光选区熔化制造设备，其特征在于，还包括第二支路，所述氧气净化器的入口处设有第三电动阀，所述氧气净化器的出口处设有第四电动阀，所述第二支路的一端连接于所述第三电动阀的入口处，所述第二支路的另一端连接于所述第四电动阀的出口处，所述第二支路上设有第五电动阀。

7.如权利要求6所述的镁合金激光选区熔化制造设备，其特征在于，所述氧气净化器的出口和所述第四电动阀之间还设有净化氧气检测器以及连接有第一排气管路，所述第一排气管路上设有第六电动阀。

8.如权利要求1所述的镁合金激光选区熔化制造设备，其特征在于，还包括气瓶、第二排气管路、罐体压力传感器和罐体氧气检测器，所述气瓶与所述储气罐相连，所述储气罐连接有所述第二排气管路，所述储气罐上设有所述罐体压力传感器和所述罐体氧气检测器。

9.一种镁合金激光选区熔化制造方法，其特征在于，基于上述权利要求1-8中任一项所述的镁合金激光选区熔化制造设备，所述制造方法包括：

所述成形腔制造工件之前，向所述成形腔中通入惰性气体排出所述成形腔内部的空气，并使得所述成形腔内部的气体压强增加到预设压力；

所述成形腔制造工件过程中，通过控制所述增压阀和所述减压阀以控制所述成形腔内部惰性气体的流量，使得所述成形腔内部的压力保持在预设压力且所述成形腔内部从所述进气口至所述出气口形成有气流以带走腔内粉末。

10.如权利要求9所述的镁合金激光选区熔化制造方法，其特征在于，向所述成形腔中通入惰性气体排出所述成形腔内部的空气，具体包括：

向所述储气罐中通入惰性气体排出所述储气罐内部的空气；

通过所述储气罐向所述成形腔中通入惰性气体排出所述成形腔内部的空气。