一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备技术

本发明专利技术公开了一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法及设备，该设备的成形组件增设有测温模块与温控模块。利用该设备进行高能束增材制造时，可利用测温模块所测得的成形区域边界温度实时计算出熔池内部的温度梯度区间，并通过温控模块对成形区域施加合适的热流条件以实现对熔池及成形区域温度梯度区间的控制，使熔池始终满足定向凝固条件，进而完成不同尺寸、结构的高精度、高性能定向凝固金属构件与单晶金属构件的高效制造。本发明专利技术不但可使成形区域的温度梯度始终满足定向凝固条件，还可根据实际加工需要，灵活改变成形过程各阶段的温度梯度分布，以制造出各种类型的功能/结构梯度构件。

【技术实现步骤摘要】
一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备
本专利技术属于高能束增材制造
，具体涉及一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备，尤其适用于大尺寸、高性能、高精度、复杂结构定向凝固金属构件与单晶金属构件的高效率成形。
技术介绍
高能束选区熔化技术是一种新兴的基于粉末床铺设的增材制造技术，其过程可概括如下：首先用三维软件设计出待成形零部件的3D模型并转换成STL格式；再由切片软件进行切片处理生成二维高能束扫描轨迹；然后在基板表面预置一层具有一定厚度的粉末，并根据预设轨迹控制高能束(激光束或电子束)对粉末床进行选区熔化，进而冷却、凝固形成沉积层；扫描完成后将基板下降一个与预置粉末层厚度相当的距离；不断重复上述铺粉、扫描与基板下降的过程，直至完成整个零部件的成形。由于高能束选区熔化技术采用聚焦束斑极小(通常为0.1～0.5mm)的高能束在厚度仅为0.02～0.2mm的粉层上快速扫描，高能束辐照所形成的熔池尺寸通常为微米级。此时，熔池下方的基板或零部件已凝固部分可作为有效的散热体，令熔池内部产生极高的温度梯度，使熔池的定向凝固成为可能。此外，高能束选区熔化技术可以成形常规方法难以加工的复杂、精细结构件。因此，有望利用高能束选区熔化技术制造在航空航天等领域具有重要意义的高性能、复杂结构定向凝固金属构件与单晶金属构件。目前，国内外已有部分研究者开展了利用高能束选区熔化技术成形定向凝固金属构件与单晶金属构件的研究。在国内文献【选区激光熔化成形SRR99镍基单晶的基础研究】(华中科技大学硕士学位论文，2013年)中，研究者利用激光选区熔化技术获得了高度为2mm的SRR99镍基单晶实体。在国外文献【TexturesformedinaCoCrMoalloybyselectivelasermelting】(DOI：http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.096)中，研究者同样通过激光选区熔化技术制造出边长为10mm的单晶CoCrMo立方体。在国外文献【Sitespecificcontrolofcrystallographicgrainorientationthroughelectronbeamadditivemanufacturing】(DOI：10.1179/1743284714Y.0000000734)中，研究者则利用电子束选区熔化技术实现了体积为25.4×25.4×12.7mm3的Inconel718镍基高温合金构件的定向凝固成形。然而，现有高能束选区熔化技术所成功制造的定向凝固产品或单晶产品的尺寸仅为毫米级，无法在真正意义上实现高性能、大尺寸、复杂结构定向凝固金属构件与单晶金属构件的高效、近净成形。
技术实现思路
针对现有高能束选区熔化技术的不足，本专利技术提出了一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备，旨在实现大尺寸、高性能、高精度、复杂结构定向凝固金属构件与单晶金属构件的高效率成形。本专利技术提供的一种高能束选区熔化方法，该方法为高能束选区熔化制造过程预设特征温度梯度区间[G1,G2]，G1为使熔池实现定向凝固的最小温度梯度，G2为避免成形件残余应力超出其屈服强度而为熔池所设置的最大温度梯度；在定向凝固金属构件与单晶金属构件的高能束选区熔化制造过程中，以成形区域的稳定温度作为边界条件实时计算熔池内部温度梯度区间，并通过对成形区域施加合适的热流条件实现对成形区域及所述熔池内部温度梯度区间的实时调控，使所述熔池内部温度梯度区间尽量保持在所述特征温度梯度区间内，直至获得所需尺寸、性能、精度和显微结构的金属构件。本专利技术提供的一种高能束选区熔化设备，包括成形组件，其特征在于，所述成形组件中设置有测温模块和温控模块；测温模块包括一个粉末床测温子模块以及N个成形缸测温子模块，N≥1；所述粉末床测温子模块位于成形缸体上方，用于测量零部件成形过程中粉末床表面的温度场分布；所述N个成形缸测温子模块位于成形缸体侧壁外侧并将后者紧密环绕，用于测量成形缸体侧壁的温度场分布；粉末床测温子模块与成形缸测温子模块还用于将其测得的成形区域温度场分布传输至控制系统；温控模块包括一个基板温控子模块以及M个成形缸温控子模块，M≥1(M与N可相等或不等)；所述基板温控子模块与基板相连且位于基板下方，它根据控制系统所发送的控制信号，为基板提供合适的热流条件；所述M个成形缸温控子模块位于成形缸体侧壁外侧并将后者紧密环绕，它们根据控制系统所发送的控制信号，为成型缸侧壁提供合适的热流条件；本专利技术具有以下技术效果：(1)本专利技术可以实时监控高能束选区熔化成形区域的温度梯度，并在必要时对其进行调控，以确保熔池的定向凝固条件，实现大尺寸、高性能、高精度、复杂结构定向凝固金属构件与单晶金属构件的高效成形；(2)本专利技术可根据实际加工需要灵活调整测温模块与温控模块的结构及其所包含子模块的数量，进而在保证完成定向凝固构件与单晶构件成形的前提下降低制造、运行与维护成本；(3)利用本专利技术可灵活改变成形过程各阶段的温度梯度分布，制造功能/结构梯度零部件。附图说明图1为本专利技术所公布的第一种优选的成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化设备的成形组件与高能束输出模块示意图；图2为实施例1所涉及的降温子集成块的构成示意图；图3为本专利技术所公布的第二种优选的成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化设备的成形组件与高能束输出模块示意图；图4为本专利技术所公布的第三种优选的成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化设备的基板温控子模块71示意图；图5为本专利技术所公布的第三种优选的成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化设备的成形缸温控子模块72示意图。具体实施方式申请人通过研究发现：现有高能束选区熔化技术在制造定向凝固金属构件与单晶金属构件时，由于成形区域内不可避免的热积累效应，基板与零部件已凝固部分的温度常随扫描沉积层数的增加而逐渐上升。这一问题致使熔池内部的温度梯度常随加工层数增加而不断下降，难以在整个制造过程中维持熔池的定向凝固条件。因此，必须在高能束选区熔化制造过程中有效控制成形区域的温度梯度，才能制备出大尺寸、高性能、高精度、复杂结构定向凝固金属构件与单晶金属构件。本专利技术实例提供的高能束选区熔化方法，具体包括下述步骤：(1)将基板安装在成形缸体内部并调平；其中，基板的材料应与待加工零件相同，基板的晶体取向亦应与待加工零件所需的晶体取向相同；(2)控制系统根据待加工零件CAD模型生成高能束扫描轨迹；气氛控制模块为成形区域提供惰性气体保护环境或真空环境；(3)利用凝固理论，根据待加工材料与高能束选区熔化参数可以计算出使熔池实现定向凝固的最小温度梯度其中，V为高能束扫描速度；K、g为与待加工材料相关的常数，可通过材料学、冶金学相关数据库查得；(4)为避免成形件残余应力超出其屈服强度，须为熔池设置最大温度梯度G2(G2>G1)；G2的具体数值应满足：当熔池内部最大温度梯度达到G2时，成形件不出现变形或裂纹；G1、G2共同组成特征温度梯度区间[G1,G2]；(5)将基板上升至成形缸体的顶部，铺粉器在前者上方预置一层具有一定厚度的粉末并重复第(6)步至第(10)步，直至完成定向凝固金属构件或者单晶金属构件的成形；(6)为成形区域提供合适的热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能束选区熔化方法，该方法为高能束选区熔化制造过程预设特征温度梯度区间[G1,G2]，G1为使熔池实现定向凝固的最小温度梯度，G2为避免成形件残余应力超出其屈服强度而为熔池所设置的最大温度梯度；在定向凝固金属构件与单晶金属构件的高能束选区熔化制造过程中，以成形区域的稳定温度作为边界条件实时计算熔池内部温度梯度区间，并通过对成形区域施加合适的热流条件实现对成形区域及所述熔池内部温度梯度区间的实时调控，使所述熔池内部温度梯度区间尽量保持在所述特征温度梯度区间内，直至获得所需尺寸、性能、精度和显微结构的金属构件。

【技术特征摘要】
1.一种高能束选区熔化方法，该方法为高能束选区熔化制造过程预设特征温度梯度区间[G1,G2]，G1为使熔池实现定向凝固的最小温度梯度，G2为避免成形件残余应力超出其屈服强度而为熔池所设置的最大温度梯度；在定向凝固金属构件与单晶金属构件的高能束选区熔化制造过程中，以成形区域的稳定温度作为边界条件实时计算熔池内部温度梯度区间，并通过对成形区域施加合适的热流条件实现对成形区域及所述熔池内部温度梯度区间的实时调控，使所述熔池内部温度梯度区间保持在所述特征温度梯度区间内，直至获得所需尺寸、性能、精度和显微结构的金属构件。2.根据权利要求1所述的高能束选区熔化方法，其特征在于，该方法具体包括下述步骤：第1步将基板安装在成形缸体内部并调平；其中，基板的材料与待加工零件相同，基板的晶体取向亦与待加工零件所需的晶体取向相同；第2步根据待加工零件CAD模型生成高能束扫描轨迹，并为成形区域提供惰性气体保护环境或真空环境；第3步在基板上预置一层粉末，并重复第4步至第8步，直至完成定向凝固金属构件或者单晶金属构件的成形；第4步为成形区域提供合适的热流条件，并实时测量成形区域的稳定温度，使得以其为边界条件，计算出的熔池内部温度梯度区间[G3,G4]被特征温度梯度区间[G1,G2]所包含，即满足G1＜G3＜G4＜G2；第5步高能束按照已生成的扫描轨迹对粉末层进行选择性熔化，扫描结束后，将基板下降一个与粉层厚度相同的距离，重新铺粉并选择性熔化；第6步下一层粉末的选择性熔化完成后，再次将实时测定的成形区域温度作为边界条件，计算出熔池内部温度梯度区间[G3,G4]；第7步将基板再次下降一个与粉层厚度相同的距离，并在基板上再次预置一层粉末；第8步若满足G1＜G3＜G4＜G2，则重复步骤第5步至第7步；若G3≦G1或G4≧G2，至转入第4步。3.一种实施权利要求1所述方法的高能束选区熔化设备，包括成形组件，其特征在于，所述成形组件中设置有测温模块和温控模块；测温模块包括一个粉末床测温子模块以及N个成形缸测温子模块，N≥1；所述粉末床测温子模块位于成形缸体上方，用于测量零部件成形过程中粉末床表面的温度场分布；所述N个成形缸测温子模块位于成形缸体侧壁外侧并将后者紧密环绕，用于测量成形缸体侧壁与其相接触位置的温度，以获得整个成形缸体侧壁的温度场分布；粉末床测温子模块与成形缸测温子模块还用于将其测得的成形区域温度场分布传输至控制系统；温控模块包括一个基板温控子模块以及M个成形缸温控子模块，M≥1；所述基板温控子模块与基板相连且位于基板下方，它根据控制系统所发送的控制信号，为基板提供合适的热流条件；所述M个成形缸温控子模块位于成形缸体侧壁外侧并将后者紧密环绕，它们根据控制系统所发送的控制信...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，魏恺文，王泽敏，朱海红，张虎，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42