一种激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法技术

本发明专利技术涉及激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法，包括以下步骤：1)建立零件的模型将切片信息导入到增材制造设备中；2)设定激光选区熔化工艺参数和激光冲击强化的工艺参数；3)工作时送粉腔上升一个厚度，成形腔下降一个厚度，通过增材制造设备的水平刮板运动，使送粉腔突出的粉末平铺在成形腔的基板上；4)计算机根据零件的切片信息控制激光束的二维扫描轨迹，使熔融粉末材料形成零件的一个层面；5)动力装置通过导轨滑块机构推动约束层和牺牲层，使其覆盖到在成形腔上面，进行表面激光冲击强化。本发明专利技术添加了牺牲层，可以阻止激光强化过程中激光能量对基体的不良影响，提高基体性能。

A Composite Processing Method for Laser Addition Manufacturing Assisted by Laser Shock Intensification

The invention relates to a laser shock strengthening assisted composite processing method for laser material addition manufacturing, which includes the following steps: 1) establishing a model of parts and introducing slice information into the material addition manufacturing equipment; 2) setting up laser selective melting process parameters and laser shock strengthening process parameters; 3) raising a thickness of powder feeding chamber while working, reducing a thickness of forming chamber, and manufacturing equipment by adding materials. Horizontal scraper movement makes the powder conveying cavity protruding flat on the base plate of the forming cavity; 4) computer controls the two-dimensional scanning trajectory of the laser beam according to the slice information of the part, so that the molten powder material forms a layer of the part; 5) power device pushes the restraint layer and sacrificial layer through the slider mechanism of the guide rail to cover the forming cavity, and carries out surface laser shock strengthening. The invention adds sacrificial layer, which can prevent the adverse effect of laser energy on the matrix during laser strengthening and improve the performance of the matrix.

【技术实现步骤摘要】
一种激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法
本专利技术是一种在激光增材制造中添加具有约束层和牺牲层的激光冲击强化的方法及装置，是一种通过结合激光冲击强化，达到调控激光增材制造微观组织和力学性能的目的。本专利技术具有非接触、热影响区小、可控性、残余压应力高等突出优点。
技术介绍
增材制造技术即快速成型是一种基于微积分思维的制造技术，包括选区激光熔化(SLM)和选区激光烧结(SLS)。二者成形原理相似，区别在于SLS技术成形工艺较复杂，由于制造过程是由材料粉末颗粒交界处或覆膜的低熔点黏结剂熔化，使粉末相互黏结，逐步得到各层轮廓并实现逐层黏结的，所以制件表面是粉粒状的，因此SLS技术成形件表面质量不高、致密度无法接近100％并且需要较复杂的后处理及辅助工艺。相比较而言，SLM技术则没有这些不足，因而在金属零件产品制造领域具有独特的优势。SLM技术以高功率或高亮度激光为热源，逐层熔化金属粉末，直接制造出任意复杂形状的零件，其实质就是CAD软件驱动下的激光三维熔覆过程。该技术具有如下独特的优点：(1)制造速度快，节省材料，降低成本；(2)不需采用模具，使得制造成本降低15％～30％，生产周期节省45％～70％；(3)可以生产用传统方法难于生产甚至不能生产的形状复杂的功能金属零件。但是由于成型中不均匀的温度场以及成型后的冷却收缩作用，增材制造零件会存在内应力甚至会产生孔隙、翘曲、裂纹等微观缺陷，影响材料的微观组织、疲劳强度、抗腐蚀性能等参数。激光冲击强化(LSP)是一种常用的表面强化方法，其通过利用功率密度为GW每平方厘米量级、脉冲宽度为ns量级的强激光辐照材料表面产生GPa量级的冲击波来提高金属材料的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性能，在材料表面形成一定的残余压应力，能够有效改善增材制造零件的微观组织和力学性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有约束层和牺牲层的激光冲击强化调控增材制造的方案，并且提出了一种约束层和牺牲层的自动铺设装置。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法，通过移动约束层和牺牲层，实现对零件的激光选区熔化和激光冲击强化，包括以下步骤：1)建立零件的模型，对模型进行切片处理，并将切片信息导入到增材制造设备中；2)根据强化效果和加工需求，设定激光选区熔化工艺参数和激光冲击强化的工艺参数；3)铺粉阶段：工作时送粉腔上升一个厚度，成形腔下降一个厚度，通过增材制造设备的水平刮板运动，使送粉腔突出的粉末平铺在成形腔的基板上；4)激光选区熔化阶段：计算机根据零件的切片信息控制激光束的二维扫描轨迹，使熔融粉末材料形成零件的一个层面；5)激光冲击强化阶段：重复步骤3)-步骤4)，在完成若干层之后，动力装置通过导轨滑块机构推动约束层和牺牲层，使其覆盖到在成形腔上面，进行表面激光冲击强化，之后通过动力装置撤去约束层和牺牲层；6)返回步骤3)，直至零件加工完成。所述切片信息包括厚度、切片方向和二位扫描轨迹。所述约束层和牺牲层上下贴合，通过动力装置控制导轨滑块机构带动其水平方向运动。激光选区熔化的工艺参数包括激光功率100-500w、光斑直径20-200μm、扫描速度50-200mm/s；激光冲击强化的工艺参数包括脉冲频率1-10Hz、脉冲宽度5-20ns、单脉冲能量1-30J，光斑直径0.1-3mm。所述增材制造设备的激光器为两个，分别用于激光选区熔化和激光冲击强化。在所述增材制造设备上加装一个激光器2和分光镜；在激光器1的输出光路上设置分光镜，分光镜上方设置激光器2；激光冲击强化时激光器1输出的激光通过分光镜透射、通过振镜垂直反射至成型腔；激光增材制造时激光器2输出的激光依次经分光镜、振镜反射至成型腔。所述约束层为玻璃或石英。所述牺牲层为黑胶带或铝箔。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术适用于调控选取激光熔化后零件内部的组织和残余应力，有效地抑制疲劳裂纹的萌生，并使材料发生晶粒细化，晶体取向发生偏转，甚至形成纳米晶。冲击部位晶粒得到细化、表层硬度、耐磨损性能提高，可实现激光诱导等离子冲击与激光增材制造的复合加工处理2.本专利技术在激光增材制造的激光冲击强化中添加了约束层，可以提高等离子体的冲击力和持续时间，大大提高冲击效果。添加了牺牲层，可以阻止激光强化过程中激光能量对基体的不良影响，提高基体性能。并设计了约束层和牺牲层自动铺设装置。附图说明图1激光冲击强化原理图。图2加工工艺流程图。图3约束层和牺牲层自动输送装置示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。如图3所示，一种激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法。1、利用三维CAD软件建立代加工零件的模型并将数据导入专用的软件中，对模型进行切片处理、设计加工参数；将处理好的切片信息导入到加工设备中。2、根据强化效果和加工需求，设定激光选区熔化工艺参数和激光冲击强化的工艺参数。根据金属粉末和加工需求，设定激光选区熔化的工艺参数(激光功率100-500w、光斑直径20-200μm、扫描速度50-200mm/s等)。根据强化效果和加工需求，设定激光冲击强化的工艺参数(脉冲频率1-10Hz、脉冲宽度5-20ns、单脉冲能量1-30J，光斑直径0.1-3mm等)。3、铺粉阶段：工作时送粉腔上升一个厚度，成形腔下降一个厚度，由水平刮板运动，使得送粉腔突出的粉末在成形腔的基板上均匀铺上一层，其层厚一般为20～100μm。4、激光选区熔化阶段：计算机根据零件的切片信息数据控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地熔融粉末材料以形成零件的一个层面。5、激光冲击强化阶段：在完成若干层之后(由铺粉厚度和激光强化残余应力层影响深度决定，一般为1-5层)，对零件进行强化，动力装置通过导轨滑块机构推动约束层和牺牲层，使其覆盖到在成形腔上面，进行表面激光冲击强化，之后通过动力装置撤去约束层和牺牲层。6、重复3、4、5步骤直至零件加工完成。本专利技术装置包括动力装置、导轨、滑块、牺牲层、约束层、挡板和相关增材制造设备(3D打印设备)。约束层和牺牲层铺设装置包括动力装置、导轨滑块机构，动力装置通过内部液压机构带动约束层和牺牲层在导轨滑块机构上水平移动。约束层和牺牲层铺设装置可以放置在成形腔水平面上三个方向中任意方向。在增材制造中使用牺牲层和约束层的激光冲击强化，相比于直接激光冲击，添加的约束层，可以提高等离子体的冲击力和持续时间，大大提高冲击效果。添加的牺牲层，可以阻止激光强化过程中激光能量对基体的不良影响，提高基体性能。在现有的增材制造设备上加装一个激光器2和分光镜，在原有激光器1的输出光路上设置分光镜，分光镜起到改变光路方向的作用，45度角，分光镜上方设置激光器2；激光冲击强化时原有激光器1输出的激光通过分光镜透射、通过振镜垂直反射至成型腔；激光增材制造时激光器2输出的激光通过分光镜反射、振镜反射至成型腔。设计加工路径具有建立加工模型、加工轨迹自动规划、仿真模型的导入与生成、参数优化策略的制定等功能。如图1-3所示，一种激光冲击强化辅助的激光增材制造约束层和牺牲层自动铺设装置：包括动力装置、导轨、滑块、牺牲层、约束层、挡板和相关增材制造设备。相关增材制造设备包括激光器、振镜、分光镜、水平刮板、基座、升降台、成形腔和送粉腔等。约束本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法，其特征在于通过移动约束层和牺牲层，实现对零件的激光选区熔化和激光冲击强化，包括以下步骤：1)建立零件的模型，对模型进行切片处理，并将切片信息导入到增材制造设备中；2)根据强化效果和加工需求，设定激光选区熔化工艺参数和激光冲击强化的工艺参数；3)铺粉阶段：工作时送粉腔上升一个厚度，成形腔下降一个厚度，通过增材制造设备的水平刮板运动，使送粉腔突出的粉末平铺在成形腔的基板上；4)激光选区熔化阶段：计算机根据零件的切片信息控制激光束的二维扫描轨迹，使熔融粉末材料形成零件的一个层面；5)激光冲击强化阶段：重复步骤3)‑步骤4)，在完成若干层之后，动力装置通过导轨滑块机构推动约束层和牺牲层，使其覆盖到在成形腔上面，进行表面激光冲击强化，之后通过动力装置撤去约束层和牺牲层；6)返回步骤3)，直至零件加工完成。

【技术特征摘要】
1.激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法，其特征在于通过移动约束层和牺牲层，实现对零件的激光选区熔化和激光冲击强化，包括以下步骤：1)建立零件的模型，对模型进行切片处理，并将切片信息导入到增材制造设备中；2)根据强化效果和加工需求，设定激光选区熔化工艺参数和激光冲击强化的工艺参数；3)铺粉阶段：工作时送粉腔上升一个厚度，成形腔下降一个厚度，通过增材制造设备的水平刮板运动，使送粉腔突出的粉末平铺在成形腔的基板上；4)激光选区熔化阶段：计算机根据零件的切片信息控制激光束的二维扫描轨迹，使熔融粉末材料形成零件的一个层面；5)激光冲击强化阶段：重复步骤3)-步骤4)，在完成若干层之后，动力装置通过导轨滑块机构推动约束层和牺牲层，使其覆盖到在成形腔上面，进行表面激光冲击强化，之后通过动力装置撤去约束层和牺牲层；6)返回步骤3)，直至零件加工完成。2.根据权利要求1所述的激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法，其特征在于所述切片信息包括厚度、切片方向和二位扫描轨迹。3.根据权利要求1所述的激光冲击强化辅助的激光增材制造复合加工方法，其特征在于所述约束层和牺牲层上下贴合，通过动力装置控制导轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙博宇，赵吉宾，乔红超，赵宇辉，陆莹，王志国，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21