基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法与系统，选择不同粉末材料并进行构件成分设计；根据成分设计准备粉末材料，并开始多元材料激光增材制造加工，测量多元材料增材制造加工过程中的等离子体光信号光谱；收集多元材料增材制造加工过程中的光信号，并与标准物质对应等离子体信号光谱进行比对和成分分析，快速调整不同粉末材料送给量和激光加工参数。本发明专利技术通过在线测量激光增材制造加工过程的等离子体光谱信号，监测成分分布，粉末熔化状态及光信号异常状态，快速反馈优化不同粉末材料的送给量和增材制造加工工艺参数，提供一种构件组织、缺陷和性能有效调控的方法。

【技术实现步骤摘要】
基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法与系统
本专利技术涉及激光增材制造领域，更具体的说是涉及一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法与系统。
技术介绍
激光增材制造是一种以高能量密度激光为能量源，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。然而，随着高端制造领域对轻量化、多功能和高性能金属构件的需求越来越高，现有的单材料激光增材制造已难以满足金属构件高复杂形状和高性能兼顾的需求。通过成分设计、粉末配比调节和激光增材制造工艺参数优化，在同一层切片上加工不同类型的材料组分，制造具有复杂材料属性和几何属性零部件的多材料激光增材制造近年来得到广泛关注，有望兼顾精确成形和高性能需求，有效解决复杂形状和高性能金属构件快速制造的技术难题。尽管如此，由于不同材料的物理性质例如密度、热膨胀系数、熔点以及激光的吸收率各不相同，容易导致熔化不均匀现象或者气孔和裂纹等缺陷产生，如何抑制和消除缺陷成为高效和高质量多元材料激光增材制造技术的关键。同时，由于粉末材料的种类、熔点、密度、球形度和尺寸等因素，粉末的行动轨迹与熔化难以控制，多元材料增材制造加工工艺过程控制显得尤为迫切。另一方面，激光辐照材料表面能激发包括等离子体光信号在内的多种光信号，且与辐照对象的材料成分及加工状态直接相关。因此，如何研究出一种利用多元材料激光增材制造过程中产生光信号进行加工状态在线监测和激光增材制造加工参数实时反馈调节的方法与系统，是本领域技术人员亟需解决的问题。r>
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法与系统，基于与元素种类和含量相对应的等离子体光信号测量，提供一种激光增材制造构件的成分和缺陷分布的监测方法，快速反馈不同粉末材料的送给量和增材制造加工工艺参数。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤一，根据激光增材制造构件的需要，选择多种粉末材料并进行多元材料体系成分设计；步骤二，根据成分设计准备粉末材料，并开始多元材料激光增材制造加工，同步测量多元材料增材制造加工过程中所产生的等离子体信号光谱；步骤三，收集多元材料增材制造加工过程中的等离子体光信号，并与标准物质对应等离子体信号光谱进行比对分析，快速调整不同粉末材料送给量和激光加工参数。所述步骤一中的多元材料体系包括钢、铜合金、钛合金和铝合金成分。步骤一的成分设计包括确定材料种类、质量、密度、尺寸、球形度和加工次序。所述的激光增材制造加工方式包括同步送粉和铺粉；所述的激光增材制造加工参数包括激光功率，调整范围为100-10000W，扫描加工速度，调整范围为50mm/s到5000ms/s，激光光斑直径，调整范围为10-1000mm。步骤三中的收集多元材料增材制造加工过程中的等离子体光信号包括采用与加工光路共轴的反向光路或者在侧面采用聚焦透镜收集光信号。步骤三中的比对分析包括比对信号强度、信号波长、信号间比例关系和信噪比，分析相应构件成分分布、粉末熔化状态，缺陷及组织性能。一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测系统，包括高速光谱测量仪、光信号收集装置、数据采集与系统控制装置、粉末材料分配系统和激光增材制造加工系统；所述光信号收集装置、所述高速光谱仪依次与所述数据采集与系统控制装置相连，所述数据采集与系统控制装置分别和所述粉末材料分配系统和激光增材制造加工系统相连。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，其优点包括：（1）本专利技术可在线监测激光增材制造构件成分、粉末熔化状态和加工状态异常，针对多元材料增材制造构件的成分和缺陷分布相应快速优化和调控粉末材料分配和激光增材制造加工参数；（2）本专利技术方法基于激光增材制造加工过程中产生等离子体光信号进行在线监测，易于实现多元材料激光增材制造加工和监测一体化，简化多元材料激光增材制造加工系统。附图说明图1附图为本专利技术提供的反馈装置的结构示意图；图2附图为本专利技术提供的反馈方法的流程图；图3附图为本专利技术提供的实施例中激光辐照钛合金和不锈钢材料时的背景噪声和等离子体信号光谱。具体实施方式参见图1。一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测系统，包括高速光谱测量仪、光信号收集装置、数据采集与系统控制装置、粉末材料分配系统和激光增材制造加工系统；所述光信号收集装置、所述高速光谱仪依次与所述数据采集与系统控制装置相连，所述数据采集与系统控制装置分别和所述粉末材料分配系统和激光增材制造加工系统相连。参见图2。一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤一，根据激光增材制造构件的需要，选择多种粉末材料并进行多元材料体系成分设计,确定材料种类、质量、密度、尺寸、球形度和加工次序；多元材料体系包括钢、铜合金、钛合金和铝合金成分。步骤二，根据成分设计准备粉末材料，并开始多元材料激光增材制造加工，同步测量多元材料增材制造加工过程中所产生的等离子体信号光谱；步骤三，收集多元材料增材制造加工过程中的等离子体光信号，采用与加工光路共轴的反向光路或者在侧面采用聚焦透镜收集光信号；并与标准物质对应等离子体信号光谱进行比对分析,包括比对信号强度、信号波长、信号间比例关系和信噪比，分析相应构件成分分布、粉末熔化状态，缺陷及组织性能。快速调整不同粉末材料送给量和激光加工参数。所述的激光增材制造加工方式包括同步送粉和铺粉；所述的激光增材制造加工参数包括激光功率，调整范围为100-10000W，扫描加工速度，调整范围为50mm/s到5000ms/s，激光光斑直径，调整范围为10-1000mm。图3附图为激光辐照钛合金和不锈钢材料时的背景噪声和等离子体信号光谱。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：/n步骤一，根据激光增材制造构件的需要，选择多种粉末材料并进行多元材料体系成分设计；/n步骤二，根据成分设计准备粉末材料，并开始多元材料激光增材制造加工，同步测量多元材料增材制造加工过程中所产生的等离子体信号光谱；/n步骤三，收集多元材料增材制造加工过程中的等离子体光信号，并与标准物质对应等离子体信号光谱进行比对分析，快速调整不同粉末材料送给量和激光加工参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，根据激光增材制造构件的需要，选择多种粉末材料并进行多元材料体系成分设计；
步骤二，根据成分设计准备粉末材料，并开始多元材料激光增材制造加工，同步测量多元材料增材制造加工过程中所产生的等离子体信号光谱；
步骤三，收集多元材料增材制造加工过程中的等离子体光信号，并与标准物质对应等离子体信号光谱进行比对分析，快速调整不同粉末材料送给量和激光加工参数。


2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法，其特征在于，所述步骤一中的多元材料体系包括钢、铜合金、钛合金和铝合金成分。


3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法，其特征在于，步骤一的成分设计包括确定材料种类、质量、密度、尺寸、球形度和加工次序。


4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体信号测量的多元材料激光增材制造成分监测方法，其特征在于，所述的激光增材制造加工方式包括同步送粉和铺粉；...

【专利技术属性】
技术研发人员：管迎春，胡国庆，
申请(专利权)人：北京航空航天大学合肥创新研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34