一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法；该装置包括超快激光器、超快激光扩束准直器、连续激光器、连续激光扩束准直器、短脉冲激光器、短脉冲激光扩束准直器等。制造的过程中，在完成当前层的主材料区域之后，利用超快激光精确加工出每一成型层中预期添加副材料的区域，利用真空吸附器清除该区域内的主材料粉末与杂质，在该区域内通过超声振动送粉器精确、定量填充副材料粉末后使用连续激光成型放置的副材料，之后对该成型层内和轮廓上可能出现的缺陷进行烧蚀修整，随后通过激光冲击强化修复该成型层的缺陷、改善其残余应力情况、并提升其性能和质量，提高异质材料零件的尺寸精度、材料布局精度和性能。材料布局精度和性能。材料布局精度和性能。

【技术实现步骤摘要】
一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法


[0001]本专利技术涉及增材制造异质材料零件的成型与优化，尤其涉及一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法。

技术介绍

[0002]增材制造技术成为现今研究热点，激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)技术是其中最备受青睐且最具产业化的技术之一。
[0003]SLM技术可以成型具有高致密度、复杂结构与出色性能的零部件，因而在航空部件、刀具模具、珠宝首饰及个性化医学生物植入体制造等方面具有广阔的应用前景。
[0004]现代社会对产品的功能及性能的要求越来越高，尤其是在航空航天、电力行业、汽车工业、生物医学等领域中，苛刻使役条件要求零件具有功能耦合、多环境适应的能力。单一类型的材料已不能够满足需求，迫切需要具有特殊功能的机械零件，而这些具有特殊功能的机械零件通常包含多种不同性能的材料，意味着这些机械零件是异质材料零件。因此，SLM成型异质材料的技术与设备研究受到广泛关注。
[0005]目前，已有异质材料SLM设备被提出，但是碍于SLM自身的成型精度，难以成型兼具细微材料布局与精细结构的异质材料零件。同时，在成型异质材料过程中，因异种材料之间的物性不兼容，而容易累积较大的残余应力，并形成微裂纹、孔隙等缺陷。然而，现有异质材料SLM设备却不具有对这类成型问题进行调控的手段。
[0006]因此，需要开发出一种新的异质材料SLM设备，使其不仅可以成型兼具细微材料布局与精细结构的异质材料零件，而且可以对残余应力、微裂纹等成型问题进行调控，以实现材料
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性能
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结构的一体化成型，满足高新领域对高性能复杂零部件的需求。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置与方法，即是基于超快与连续激光增减材和激光冲击强化复合制造异质材料的装置及其制备方法。本专利技术不仅可成型兼具细微材料布局与精细结构的异质材料零件，而且可以对残余应力、微裂纹等成型问题进行调控。
[0008]上述提及的异质材料是指，包含多种材料的复合材料，并将其成分材料分为主材料和(多种)副材料；本专利技术是在SLM叠层制造的过程中，在成型完当前层的主材料区域之后，利用超快激光精确加工出每一成型层中预期添加副材料的区域，利用真空吸附器清除该区域内的主材料粉末与杂质，在该区域内通过超声振动送粉器精确、定量填充副材料粉末后使用连续激光成型放置的副材料，之后对该成型层内和轮廓上可能出现的球化、凸起、粉末黏附等缺陷进行烧蚀修整；随后通过激光冲击强化修复该成型层的缺陷、改善其残余应力情况、并提升其性能和质量，提高异质材料零件的尺寸精度、材料布局精度和性能等，实现材料、性能和结构的一体化成型。
[0009]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0010]一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，包括密封工作腔19、激光器，以及计算机系统10；
[0011]所述密封工作腔19内设置有吸附器5、送粉器6、Y轴导轨8、第二X轴导轨9、粉料罐11；
[0012]所述第二X轴导轨9安装于密封工作腔19内侧壁，Y轴导轨8与第二X轴导轨9滑动连接，Y轴导轨8沿着第二X轴导轨9轨迹移动；所述吸附器5和送粉器6安装在Y轴导轨8上，并沿着Y轴导轨8轨迹移动；
[0013]所述粉料罐11用于给送粉器6供粉。
[0014]所述激光器包括：超快激光器12、超快激光扩束准直器13、连续激光器14、连续激光扩束准直器15、X
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Y轴扫描振镜组及控制器16、短脉冲激光扩束准直器17和短脉冲激光器18；
[0015]所述超快激光器12的光路连接顺序为：超快激光器12发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器13射入X
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Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的零件加工区域；
[0016]连续激光器14的光路连接顺序为：连续激光器14发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器15射入X
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Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的零件加工区域；
[0017]短脉冲激光器18的光路连接顺序为：短脉冲激光器18发出的短脉冲激光束，经过短脉冲激光扩束准直器17射入X
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Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的零件加工区域。
[0018]所述密封工作腔19内还设置有：铺粉车1、粉料缸2、落粉槽21、第一X轴导轨20；密封工作腔19外部设有储粉罐4；
[0019]所述铺粉车1由第一X轴导轨20搭载，并沿着第一X轴导轨20轨迹移动；
[0020]所述落粉槽21通过管道与储粉罐4连接；所述落粉槽21与成型缸3相邻；
[0021]所述密封工作腔19的两侧分别通过进/出管路与外部的气体循环过滤装置7连接；
[0022]所述粉料缸2与成型缸3相邻，位于密封工作腔19内底面。
[0023]所述超快激光器12发出的激光束的波长为1030nm，脉冲宽度为100ns～100fs，频率为1kHz～1MkHz，最大功率为100W，激光聚焦光斑直径为20μm；
[0024]所述连续激光器14发出的激光束的波长为1064nm，最大功率为500W，激光聚焦光斑直径为50μm；
[0025]所述短脉冲激光器18发出的激光束的波长为1064nm，脉冲宽度为5～20ns，频率为1～10Hz，激光聚焦光斑直径为0.1～3mm。
[0026]所述超快激光器12、连续激光器14及短脉冲激光器18之间设有切换开关；该切换开关用于选择性开启或者关闭超快激光器12、连续激光器14或者短脉冲激光器18，使它们各自单独作业。
[0027]所述超快激光器12、连续激光器14、短脉冲激光器18和X
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Y轴扫描振镜组及控制器16，分别通过电讯连接计算机系统10。
[0028]所述吸附器5为真空吸附器；所述送粉器6为超声振动送粉器。
[0029]本专利技术激光强化制备装置包括如下运行模式：
[0030]SLM成型运行模式
[0031]通过切换开关，使连续激光器14处于开启状态，超快激光器12和短脉冲激光器18处于关闭状态；
[0032]连续激光器14发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器15射入X
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Y轴扫描振镜组及控制器16，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸3内的粉末层上，X
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Y轴扫描振镜组及控制器16控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现了该成型层的金属粉末选择性熔化；
[0033]修整运行模式
[0034]通过切换开关，使超快激光器12处于开启状态，连续激光器14和短脉冲激光器18处于关闭状态；
[0035]超快激光器12发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，包括密封工作腔(19)、激光器，以及计算机系统(10)；其特征在于：所述密封工作腔(19)内设置有吸附器(5)、送粉器(6)、Y轴导轨(8)、第二X轴导轨(9)；所述第二X轴导轨(9)安装于密封工作腔(19)内侧壁，Y轴导轨(8)与第二X轴导轨(9)滑动连接，Y轴导轨(8)沿着第二X轴导轨(9)轨迹移动；所述吸附器(5)和送粉器(6)安装在Y轴导轨(8)上，并沿着Y轴导轨(8)轨迹移动。2.根据权利要求1所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于：所述激光器包括：超快激光器(12)、超快激光扩束准直器(13)、连续激光器(14)、连续激光扩束准直器(15)、X
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Y轴扫描振镜组及控制器(16)、短脉冲激光扩束准直器(17)和短脉冲激光器(18)；所述超快激光器(12)的光路连接顺序为：超快激光器(12)发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器(13)射入X
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Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内的零件加工区域；连续激光器(14)的光路连接顺序为：连续激光器(14)发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器(15)射入X
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Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内的零件加工区域；短脉冲激光器(18)的光路连接顺序为：短脉冲激光器(18)发出的短脉冲激光束，经过短脉冲激光扩束准直器(17)射入X
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Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内的零件加工区域。3.根据权利要求2所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述密封工作腔(19)内还设置有：铺粉车(1)、粉料缸(2)、、落粉槽(21)、第一X轴导轨(20)；密封工作腔(19)外部设有储粉罐(4)；所述铺粉车(1)由第一X轴导轨(20)搭载，并沿着第一X轴导轨(20)轨迹移动；所述落粉槽(21)通过管道与储粉罐(4)连接；所述落粉槽(21)与成型缸(3)相邻；所述密封工作腔(19)的两侧分别通过进/出管路与外部的气体循环过滤装置(7)连接；所述粉料缸(2)与成型缸(3)相邻，位于密封工作腔(19)内底面。4.根据权利要求3所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于：所述超快激光器(12)发出的激光束的波长为1030nm，脉冲宽度为100ns～100fs，频率为1kHz～1MkHz，最大功率为100W，激光聚焦光斑直径为20μm；所述连续激光器(14)发出的激光束的波长为1064nm，最大功率为500W，激光聚焦光斑直径为50μm；所述短脉冲激光器(18)发出的激光束的波长为1064nm，脉冲宽度为5～20ns,频率为1～10Hz，激光聚焦光斑直径为0.1～3mm。5.根据权利要求4所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于：所述超快激光器(12)、连续激光器(14)及短脉冲激光器(18)之间设有切换开关；该切换开关用于选择性开启或者关闭超快激光器(12)、连续激光器(14)或者短脉冲激光器(18)，使它们各自单独作业。6.根据权利要求5所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述超快激光器(12)、连续激光器(14)、短脉冲激光器(18)和X
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Y轴扫描振镜组及控制器(16)，
分别通过电讯连接计算机系统(10)。7.根据权利要求6所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述吸附器(5)为真空吸附器。8.根据权利要求7所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述送粉器(6)为超声振动送粉器。9.根据权利要求8所述超快与连续激光增减材及激光强化制备装置，其特征在于，所述激光强化制备装置包括如下运行模式：SLM成型运行模式通过切换开关，使连续激光器(14)处于开启状态，超快激光器(12)和短脉冲激光器(18)处于关闭状态；连续激光器(14)发出的连续激光束，经过连续激光扩束准直器(15)射入X
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Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内的粉末层上，X
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Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现了该成型层的金属粉末选择性熔化；修整运行模式通过切换开关，使超快激光器(12)处于开启状态，连续激光器(14)和短脉冲激光器(18)处于关闭状态；超快激光器(12)发出的超快激光束，经过超快激光扩束准直器(13)射入X
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Y轴扫描振镜组及控制器(16)，在经过振镜组反射后射出作用在成型缸(3)内当前成型层，X
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Y轴扫描振镜组及控制器(16)，控制X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜的转动，实现对预期成型副材料的区域边界的烧蚀休整，或者成型层轮廓与表面的缺陷进行烧蚀修整；激光冲击强化运行模式通过切换开关，使短脉冲激...

【专利技术属性】
技术研发人员：王迪，邓国威，刘振宇，张宝彤，杨永强，卫洋，胡伟南，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：