金属增材制造熔池底部外延生长控制方法技术

本申请涉及激光先进增材制造领域的一种金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，包括以下步骤：利用增材制造激光束使基板的表面和输送的合金粉末融化、形成熔池；利用脉冲激光束调控熔池的凝固条件以控制熔池内的凝固组织形貌而实现连续外延生长或抑制外延生长。本申请增强了对增材制造金属材料凝固组织形貌的控制，提高了增材制造构件的性能。提高了增材制造构件的性能。提高了增材制造构件的性能。

【技术实现步骤摘要】
金属增材制造熔池底部外延生长控制方法


[0001]本申请涉及激光先进增材制造领域，尤其是涉及一种金属增材制造熔池底部外延生长控制方法。

技术介绍

[0002]激光增材制造技术即快速成型技术，利用“离散+堆积+叠层”的原理，在零件CAD三维实体模型切片数据的基础上，通过计算机编程控制高功率激光熔化同步输送的金属粉末，并且在基材表面熔化部分材料，两者混合形成熔池，激光束扫过后熔池发生快速凝固，从而沉积在已凝固基材上，逐层堆积，最终得到三维零件。该技术能实现大型复杂结构致密金属零件的快速、无模具近净成形。
[0003]目前在激光增材制造合金的过程中，受到增材制造工艺参数及晶粒外延生长的影响，熔池在经过多层沉积之后，在相邻两道沉积层搭接区的中间区域形成贯穿多层外延生长的柱状晶，且柱状晶较为粗大，而熔池四周更是较难形成晶粒定向性较好的组织，熔池顶部由于发生柱状晶/等轴晶转变(CET)，往往形成较高厚度的等轴晶区，最终极易出现柱等交替的组织，导致杂晶产生概率高，影响增材制造构件的性能。

技术实现思路

[0004]为了增强对增材制造金属材料凝固组织形貌的控制，提高增材制造构件的性能，本申请提供一种金属增材制造熔池底部外延生长控制方法。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供一种金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，包括以下步骤：利用增材制造激光束使基板的表面和输送的合金粉末融化、形成熔池；利用脉冲激光束调控熔池的凝固条件以控制熔池内的凝固组织形貌而实现连续外延生长或抑制外延生长。
[0006]通过使用本技术方案中的金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，由增材制造激光束使基板的表面和输送的合金粉末融化、形成熔池，再使用脉冲激光束调控熔池的凝固条件，从而达到控制熔池内的凝固组织形貌的目的，进而实现连续外延生长或抑制外延生长；即熔池内只有柱状晶、近似全部等轴晶或者柱状晶与等轴晶的高度按一定比例生长，且表面平整度较高，无杂晶，从而提高了增材制造构件的性能。
[0007]另外，根据本申请的金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，还可具有如下附加的技术特征：
[0008]在本专利技术的一些实施方式中，所述的连续外延生长过程中或抑制外延生长过程中，所述增材制造激光束和所述脉冲激光束按预定的轨迹先后对基材表面进行扫描。
[0009]在本专利技术的一些实施方式中，所述的连续外延生长过程中，所述脉冲激光束的光斑大小不小于所述增材制造激光束的光斑大小，所述脉冲激光束的扫描速度与所述增材制造激光束的扫描速度保持一致。
[0010]在本专利技术的一些实施方式中，所述脉冲激光束的功率在一个周期内会逐渐降低，
降低冷却速率，抑制表面凝固，促进柱状晶由熔池底部生长到顶部。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中，所述的抑制外延生长过程中，所述脉冲激光束的扫描速度与所述增材制造激光束的扫描速度保持一致，所述脉冲激光束的光斑大小大于所述增材制造激光束的光斑大小，所述脉冲激光束的峰值功率小于所述的连续外延生长过程中的脉冲激光束的峰值功率。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，所述脉冲激光束的功率在一个周期内保持不变。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，至少使用超声波、高频机械振动和电磁场中的一种由外加能量场的方式作用于未完全凝固的熔池。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，所述增材制造激光束和所述脉冲激光束的先后扫描的时间间隔，在连续外延生长过程中长于在抑制外延生长过程中。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，选用的所述合金粉末的粒径在抑制外延生长过程中大于在连续外延生长过程中的，且在抑制外延生长过程中选用的合金粉末为非球形的不规则形状。
附图说明
[0016]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0017]图1熔化边界上温度梯度G和生长速率R的分布；
[0018]图2是本申请金属增材制造设备部分结构示意图；
[0019]图3是本申请实现连续外延生长的设备部分结构示意图，脉冲激光采用正弦脉冲波工作方式；
[0020]图4是本申请抑制外延生长的设备部分结构示意图，脉冲激光采用矩形脉冲波工作方式；
[0021]图5是体现轧辊作用于熔池的结构示意图；
[0022]图6是体现超声波作用于熔池的结构示意图；
[0023]图7是本申请实施例一增材制造的金相显微组织结构图；
[0024]图8是本申请实施例二增材制造的金相显微组织结构图；
[0025]图9是本申请实施例三增材制造的金相显微组织结构图；
[0026]图10是本申请对比例一增材制造的金相显微组织结构图；
[0027]图11是本申请对比例二增材制造的金相显微组织结构图。
[0028]附图中各标号表示如下：1、基板；2、增材区；3、脉冲激光束；4、增材制造激光束；5、保护气；6、柱状晶；7、等轴晶；8、轧辊；9、超声波发射器。
具体实施方式
[0029]应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
[0030]下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似
的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0031]在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0032]为了方便理解本申请实施例提供的金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，首先说明一下其应用场景，本申请实施例提供的金属增材制造熔池底部外延生长控制方法用于钛合金、高温合金等合金构件的增材制造；激光增材制造技术即快速成型技术，该技术能实现大型复杂结构致密金属零件的快速、无模具近净成形；外延生长是指在平面生长阶段，熔化边界处的母材晶粒作为形核所需的基体，与熔池中的液态金属直接接触，液态金属与母材晶粒完全润湿，因此在液态金属中晶胞就很容易在母材晶粒上形核，在无填充金属的情况下，形核就是液体金属原子排列在原有的母材晶粒上，而不改变它们原有的晶粒择优取向。
[0033]增材制造金属材料凝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，其特征在于，包括以下步骤：利用增材制造激光束使基板的表面和输送的合金粉末融化、形成熔池；利用脉冲激光束调控熔池的凝固条件以控制熔池内的凝固组织形貌而实现连续外延生长或抑制外延生长。2.根据权利要求1所述的金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，其特征在于，所述的连续外延生长过程中或抑制外延生长过程中，所述增材制造激光束和所述脉冲激光束按预定的轨迹先后对基材表面进行扫描。3.根据权利要求2所述的金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，其特征在于，所述的连续外延生长过程中，所述脉冲激光束的光斑大小不小于所述增材制造激光束的光斑大小，所述脉冲激光束的扫描速度与所述增材制造激光束的扫描速度保持一致。4.根据权利要求3所述的金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，其特征在于，所述脉冲激光束的功率在一个周期内会逐渐降低，降低冷却速率，抑制表面凝固，促进柱状晶由熔池底部生长到顶部。5.根据权利要求2所述的金属增材制造熔池底部外延生长控制方法，其特征在于，所述的抑制外延生长过程中，所述脉冲激光束的扫描速度与所述增材制造激光束的扫描速度保持一致，所述脉冲激光束的光斑大小大...

【专利技术属性】
技术研发人员：何蓓，冉先喆，程序，李卓，高旭，聂翔宇，邵文鹏，李正超，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：