一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法技术

本发明专利技术涉及一种增材制造构件的方法，特别涉及一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法。本发明专利技术包括：将粉体材料在基板的板面上依次聚结成从下至上逐层堆叠的多片叠片，在此过程中，在每形成一片或多片叠片后，进行步骤S10～S30，步骤S10：在叠片的表面上粘贴不透光的保护膜，在保护膜的表面上涂布液体以在保护膜上形成液体薄膜；步骤S20：采用脉冲激光束射击保护膜以使得增材制造构件内产生压应力；步骤S30：去除保护膜。采用该技术所产生的冲击波形成的压力峰值超过叠片叠层的屈服强度使得叠片叠层内部产生塑性变形和残余压应力，能抵消全部的拉伸应力，有效降低疲劳裂纹扩展，从而提高增材制造构件的疲劳性能。

A method for improving residual compressive stress of laser added material manufacturing components

The invention relates to a method for manufacturing components by adding materials, in particular to a method for improving the residual compressive stress of components by adding materials by laser. The invention comprises: the powder material is successively coalesced on the board surface of the substrate to form a stack of multiple laminates from bottom to top, during which, after forming one or more laminates, a protective film with no light transmission is pasted on the surface of the laminate, and a liquid is coated on the surface of the protective film to coat the liquid in order to A liquid film is formed on the protective film; a pulsed laser beam is used to shoot the protective film so as to cause compressive stress in the component made of augmented materials; and a protective film is removed. The peak pressure generated by the shock wave exceeds the yield strength of the laminated laminates, which results in plastic deformation and residual compressive stress in the laminated laminates. It can counteract all the tensile stresses and effectively reduce the fatigue crack propagation, thus improving the fatigue performance of the components manufactured by augmented materials.

【技术实现步骤摘要】
一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法
本专利技术涉及一种增材制造构件的方法，特别涉及一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法。
技术介绍
增材制造(AdditiveManufacturing，AM)俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。在增材制造过程中，由于叠加的热输入导致构件内部及表面产生严重的拉应力，进而降低构件的使用寿命，所有很有必要采取措施对增材制造构件的残余拉应力进行控制。目前常用的有三种方法：1、增材制造前，对加工台进行预热。对于此种方法，由于加工台预热温度小于一次热输入构件局部上升的温度，并且构件在制造过程中层层叠加，逐渐远离加工台，构件后加工出的部分与前加工的部分的受热不均匀，构件中的拉应力虽然得到减小，但并不能完全消除。2、增材制造过程中，改变激光增材工艺，如改变增材路径，改变热输入等方法。对于此种方法，虽然能改善构件内的拉应力，但毕竟在制造过程中对每一次材料的叠加还是需要对材料进行一次热输入，也不能完全消除构件中的拉应力。3、增材制造后，对构件进行热处理。对于此种方法，在一定条件下能减少构件内的70％的残余拉应力，但也无法完全消除构件内的拉应力。上述三种方法均能控制增材制造构件内部与表面的拉应力，但并不完全消除构件内的拉应力，而且也无法对材料表面及内部产生压应力。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题为如何消除增材制造构件中的拉应力，并在增材制造构件表面及内部产生压应力。针对上述技术问题，本专利技术提出了一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法，其包括：将粉体材料在基板的板面上依次聚结成从下至上逐层堆叠的多片叠片，在此过程中，在每形成一片或多片叠片后，进行步骤S10～S30，步骤S10：在叠片的表面上粘贴不透光的保护膜，再将叠片垂直放置，在保护膜的表面上涂布液体以在保护膜上形成液体薄膜；步骤S20：采用脉冲激光束射击保护膜以使得增材制造构件内产生压应力，脉冲激光束的参数范围：激光能量为3～15J，波长为1064nm，脉宽为8～12ns，脉冲激光束在保护膜上形成的光斑的直径为2～5mm；步骤S30：去除保护膜，再进行下一叠片的增材制造。在步骤S10中，在保护膜的表面涂布液体的步骤为：将基板竖直放置后，对保护膜进行喷淋使得保护膜上形成液体薄膜。所述液体薄膜为去离子水膜。所述液体膜的厚度为1.5～2.5mm。所述保护膜为黑胶带。脉冲激光束的单次出射的激光能量为5～10J，波长为1064nm，脉宽为10ns，脉冲激光束在保护膜上形成的光斑的直径为3mm。采用脉冲激光束对保护膜的表面整面进行两轮轰击。所述粉体材料为TC17钛合金粉末或TA15钛合金粉末。制作单片叠片时，先将粉体材料均匀地平铺在基板或上一次制作出的叠片上以形成粉体材料层，采用激光束对粉体材料层进行照射以将粉体材料层聚结为叠片。在每形成一片叠片后，粘贴保护膜前，对叠片进行打磨以除去叠片上的氧化层。本专利技术具有的优点和有益效果，本专利技术采用脉冲激光束轰击保护膜，脉冲激光束束透过液体薄膜在保护膜的表面上产生等离子爆炸。又由于该等离子爆炸被液体薄膜约束，防止爆炸能量向外扩散，保护膜表面产生的激波的压力增大，保护膜将冲击波传递到叠片叠层，冲击波形成的压力峰值超过叠片叠层的屈服强度使得叠片叠层内部产生塑性变形和残余压应力，进而使叠片叠层最终所形成的增材制造构件内具有压应力。每次产生的最大压应力可以达到1～2毫米的深度，能抵消全部的拉伸应力，有效降低疲劳裂纹扩展，从而提高增材制造构件的疲劳性能。另外，在此过程中，由于脉冲激光束不能透过保护膜，脉冲激光束便不能射到叠片上，从而能有效地防止叠片被灼伤。附图说明在下文中将基于实施例并参考附图来对本专利技术进行更详细的描述。其中：图1为本专利技术的一种实施例中的制作叠片的示意图；图2为本专利技术的一种实施例中的对增材制造构件进行激光喷丸加工的示意图。在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，用于增材制造的设备包括机械手臂1，夹具2，基板3，送粉装置6，进气装置7，不透光保护膜9，输液管10，第一激光器(图中未示出)和第二激光器(图中未示出)。夹具2设置在机械手臂1上，用于将基板3固定在机械手臂1上。夹具2可以是将基板3和机械手臂1相互连接的螺栓。机械手臂1能将基板3在水平布置和竖直布置的状态相互切换。送粉装置6用于向基板3上铺设粉体材料。进气装置7用于在送粉装置6铺设粉体材料的同时输入保护气体。保护气体优选为惰性气体，更优选为氩气。第一激光器设置在基板3的上方。第一激光器垂直向下发射激光束5，用于烧结、熔化粉体材料。第二激光器设置在基板3的一侧。第二激光器朝向基板3方向水平发射脉冲激光束8。粉体材料为金属粉末，优选为钛合金粉末。更优选地，粉体材料为TC17钛合金粉末或TA15钛合金粉末。一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法包括以下步骤：将粉体材料在基板3的板面上依次聚结成从下至上逐层堆叠的多片叠片。在制作第一片叠片时，机械手臂1将基板3水平布置。送粉装置6向基板3上铺设第一层粉体材料。进气装置7向设备中充入保护气体。第一激光器向下发出激光束5照射第一层粉体材料。第一层粉体材料在激光束5的照射下烧结、熔融而聚结在一起，形成第一片叠片。在此过程中，保护气体用于防止叠片过度氧化。在制造第二片叠片时，机械手臂1将基板3水平布置。送粉装置6向第一片叠片上铺设第二层粉体材料。进气装置7向设备中充入保护气体。第一激光器向下发出激光束5照射第二层粉体材料。第二层粉体材料在激光束5的照射下烧结、熔融而聚结在一起，形成第二片叠片。同理，在制造第N片叠片时，机械手臂1将基板3水平布置。送粉装置6向第N-1片叠片上铺设第N层粉体材料。进气装置7向设备中充入保护气体。第一激光器向下发出激光束5照射第N层粉体材料。第N层粉体材料在激光束5的照射下烧结、熔融而聚结在一起，形成第N片叠片。在每形成一片或多片叠片后，进行步骤S10～S30，步骤S10：在叠片的表面上粘贴不透光的保护膜9，在保护膜的表面使用输液管10上在保护膜上涂布液体形成液体薄膜；保护膜为不透光的保护膜，优选为黑胶带。采用黑胶带能快速地将黑胶带粘贴到叠片上。在本实施例中，将保护膜粘贴到叠片上后，机械手臂1将基板3竖直布置。采用输液管10的出口对准保护膜的表面进行喷淋，使得液体形成液体薄膜。液体薄膜的厚度为1.5～2.5mm，优选为2mm。该液体薄膜优选为去离子水薄膜。步骤S20：采用脉冲激光束8束轰击保护膜以使得增材制造构件4内产生压应力；第二激光器向基板3方向发射水平脉冲激光束8轰击保护膜，脉冲激光束8束透过液体薄膜在保护膜的表面上产生等离子爆炸。又由于该等离子爆炸被液体薄膜约束，防止爆炸能量向外扩散，保护膜表面产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法，其特征包括：将粉体材料在基板的板面上依次聚结成从下至上逐层堆叠的多片叠片，在此过程中，在每形成一片或多片叠片后，进行步骤S10～S30，步骤S10：在叠片的表面上粘贴不透光的保护膜，再将叠片垂直放置，在保护膜的表面上涂布液体以在保护膜上形成液体薄膜；步骤S20：采用脉冲激光束射击保护膜以使得增材制造构件内产生压应力，脉冲激光束的参数范围：激光能量为3～15J，波长为1064nm，脉宽为8～12ns，脉冲激光束在保护膜上形成的光斑的直径为2～5mm；步骤S30：去除保护膜，再进行下一叠片的增材制造。

【技术特征摘要】
1.一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法，其特征包括：将粉体材料在基板的板面上依次聚结成从下至上逐层堆叠的多片叠片，在此过程中，在每形成一片或多片叠片后，进行步骤S10～S30，步骤S10：在叠片的表面上粘贴不透光的保护膜，再将叠片垂直放置，在保护膜的表面上涂布液体以在保护膜上形成液体薄膜；步骤S20：采用脉冲激光束射击保护膜以使得增材制造构件内产生压应力，脉冲激光束的参数范围：激光能量为3～15J，波长为1064nm，脉宽为8～12ns，脉冲激光束在保护膜上形成的光斑的直径为2～5mm；步骤S30：去除保护膜，再进行下一叠片的增材制造。2.根据权利要求1所述的一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法，其特征在于，在步骤S10中，在保护膜的表面涂布液体的步骤为：将基板竖直放置后，对保护膜进行喷淋使得保护膜上形成液体薄膜。3.根据权利要求1或2所述的一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法，其特征在于，所述液体薄膜为去离子水膜。4.根据权利要求1或2所述的一种用于提高激光增材制造构件残余压应力的方法，其特征在于，所述液体膜的厚度为1.5～2.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄帅，熊华平，陈冰清，郭绍庆，刘伟，李能，秦仁耀，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11