一种用于激光增材制造同步辐射原位表征的实验系统技术方案

本发明专利技术通过设计一种超薄金属粉末床、铺粉方法以及改进的配套系统，显著提高了进行同步辐射原位表征时X

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光增材制造同步辐射原位表征的实验系统


[0001]本专利技术涉及激光增材制造
，尤其涉及一种用于激光增材制造同步辐射原位表征的实验系统，以及超薄金属粉末床装置和铺粉方法。

技术介绍

[0002]激光增材制造技术(LAM)是通过激光逐层熔化粉末状样品并快速凝固堆积，直接将三维数字模型转化为具有复杂形状实体零件的近净成形制造技术。与传统的铸造、锻造相比，LAM具有小批量、快速、个性化定制生产等优势，生产的工件也具有更优异的整体机械性能，并且一般无需后续处理。此外，激光热源非常适合加工钛合金、高温合金等高熔点材料，所以LAM已被广泛应用于航空航天、造船、军工医疗等事关国家安全与发展的重点领域，有着十分广阔的发展前景。
[0003]LAM过程具有极高的温度梯度、极快的冷却速率，因此零件极易产生气孔、裂纹、残余应力、球化等缺陷，零件整体的机械性能受到严重的危害，不仅会缩短零件的使用寿命，甚至会因为零件突然性的断裂失效等造成重大的安全事故。这不仅显著提高了生产成本，更限制了激光增材制造零件在安全关键领域的应用与推广，因此，了解并掌握缺陷形成的动态过程，明确缺陷形成机理是减少或者消除缺陷产生的关键。
[0004]然而激光增材制造过程中的非平衡物理冶金和热过程非常复杂，不仅包括激光
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物质相互作用的多相反应，也包括熔池演化、凝固组织转变、缺陷形成等动态变化过程。LAM有着非常显著的时空限制，激光
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物质相互作用时间仅有微秒至毫秒数量级，相互作用空间限制在微米至毫米数量级，并且绝大部分熔池具有光学不透明的特性，难以观察到熔池内部熔体流动状况。传统的非原位表征方法，例如金相表征，不仅对零件有破坏性损坏，并且无法观察熔池的实时凝固过程，难以准确表征熔池尺寸、形状和体积，尤其是熔池内的熔体流动状况。高速红外成像和高速摄影也只能原位捕捉熔池的表面信息，但由于多数熔池的光学不透明特性，无法进一步观察到熔池内部的熔体流动以及缺陷形成过程。
[0005]具有高能量、高通量、高准直性等显著优点的同步辐射技术的出现为LAM过程的原位表征提供了可能。同步辐射原位成像表征的时间分辨率能够达到微秒级，空间分辨率能够达到微米级，非常适合激光增材制造过程中熔池演化动力学的原位表征。
[0006]同步辐射原位表征最关键的问题就是X
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ray方向上样品厚度的限制，X
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ray穿透能力较弱，样品厚度过大会导致X
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ray无法穿透样品，也就无法得到LAM过程的相关信息，因此目前大部分的研究是容易穿透的低密度材料。现有的激光增材制造设备直接用于同步辐射原位表征存在着诸多问题，因此，有必要设计一种用于激光增材制造同步辐射原位表征的超薄金属粉末床装置、铺粉方法以及改进的配套实验系统，以解决上述技术问题。

技术实现思路

[0007]针对现有激光增材制造设备与同步辐射X
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ray原位表征不相匹配的问题，专利技术人根据同步辐射X
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ray原位表征的要求设计了特制的超薄金属粉末床、铺粉方法以及改进的
配套系统，超薄金属粉末床使得X
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ray更易穿透，显著改善了表征效果，提高了数据质量，并显著扩大了可用于原位表征的材料的范围，使得密度较大、X
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ray穿透能力较差材料的原位表征成为可能，配套实验系统的改进也提高了实验设备搭建的灵活性，降低了激光、实验空间等外在条件对于实验的限制，从而完成本专利技术。
[0008]因此，本专利技术提供一种用于激光增材制造同步辐射原位表征的实验系统，所述系统包括激光调节系统模块、超薄金属粉末床装置模块、真空密封腔体模块、位移系统模块，所述激光调节系统模块位于所述真空密封腔体模块上方，所述超薄金属粉末床装置模块连接于真空密封腔体内的底部，所述位移系统模块连接在真空密封腔体外的底部。
[0009]进一步地，所述激光调节系统模块包括按顺序通过光学器件夹持装置和支撑杆安装的激光扩束镜、激光反射镜、激光聚焦镜。
[0010]进一步地，所述超薄金属粉末床装置包括粉末床、粉末床固定装置以及粉末床支持台，所述粉末床为“氮化硼片
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金属基底
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氮化硼片”的三明治结构，所述粉末床固定装置有一与所述粉末床尺寸匹配的开槽并用于稳定所述粉末床，所述粉末床支持台有一与所述粉末床固定装置尺寸匹配的开槽并用于进一步稳定所述粉末床。
[0011]进一步地，所述真空密封腔体模块包括腔体、真空装置、保护气装置、冷却水装置以及金属粉末床实时监测设备，在所述腔体的顶部以及侧面的对称位置开有若干个窗口，顶部窗口为激光垂直入射窗口，侧面窗口为X
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ray通过窗口和金属粉末床实时监测设备观察窗口。
[0012]进一步地，若采用CO2激光，则顶部窗口安装硒化锌玻璃；若采用光纤激光，则顶部窗口安装石英玻璃。
[0013]进一步地，侧面用于X
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ray通过的两个对称窗口安装康普顿膜，侧面其余窗口安装石英玻璃。
[0014]进一步地，所述位移系统模块与所述真空密封腔体模块的腔体底部连接，并包括可相互独立运动的水平数控位移台和竖直数控位移台。
[0015]在第二个方面，本专利技术提供了金属粉末的超薄铺粉方法，所述方法包括：
[0016]步骤1、利用粘性胶将合适尺寸的金属基底固定在一个氮化硼片的壁上；
[0017]步骤2、将固定有金属基底的氮化硼片黏附在粉末床固定装置的开槽侧壁上；
[0018]步骤3、将整个固定装置水平侧放，将露出的氮化硼片与挡块紧密贴合，未安装氮化硼的一侧垂直向上；
[0019]步骤4、通过外部加料装置垂直向铺粉区域送料，最后从侧面完整插入第二片氮化硼，使用刮板清理多余粉末完成超薄铺粉。
[0020]进一步地，步骤4中，利用额外的夹持零件夹持在粉末床顶部进一步固定粉末床。
[0021]进一步地，步骤4中，若在清理粉末床表面后，粉末床某些位置出现粉末不足，可以在粉末床表面添加少量粉末，利用刮板刮平粉末床表面进行填充。
[0022]进一步地，在激光加热完成后利用少许酒精对氮化硼片的壁表面进行清洁，除去已经碳化的粘性胶，重复使用氮化硼片；对于难以清除的杂质和污垢，利用砂纸打磨。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的积极效果为：
[0024]本专利技术实现了超薄金属粉末床的流程化制备，显著提升了同步辐射原位表征效果，提高了表征数据质量，扩大了可表征材料的范围；优化了同步辐射原位表征的配套实验
系统，激光调节系统提高了激光参数设置的灵活性，相对简单的设备装置简化了设备搭建过程，对实验环境空间的要求较小，尤其适合在同步辐射光源进行设备搭建。
附图说明
[0025]图1是本专利技术改进的激光增材制造同步辐射原位表征实验系统示意图；
[0026]图2是超薄金属粉末床铺粉方法原理图；
[0027]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于激光增材制造同步辐射原位表征的实验系统，所述系统包括激光调节系统模块、超薄金属粉末床装置模块、真空密封腔体模块、位移系统模块，所述激光调节系统模块位于所述真空密封腔体模块上方，所述超薄金属粉末床装置模块连接于真空密封腔体内的底部，所述位移系统模块连接在真空密封腔体外的底部。2.根据权利要求1所述的实验系统，其中，所述激光调节系统模块包括按顺序通过光学器件夹持装置和支撑杆安装的激光扩束镜、激光反射镜、激光聚焦镜。3.根据权利要求1所述的实验系统，其中，所述超薄金属粉末床装置模块包括粉末床、粉末床固定装置以及粉末床支持台，所述粉末床为“氮化硼片
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金属基底
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氮化硼片”的三明治结构，所述粉末床固定装置有一与所述粉末床尺寸匹配的开槽并用于稳定所述粉末床，所述粉末床支持台有一与所述粉末床固定装置尺寸匹配的开槽并用于进一步稳定所述粉末床。4.根据权利要求1所述的实验系统，其中，所述真空密封腔体模块包括腔体、真空装置、保护气装置、冷却水装置以及金属粉末床实时监测设备，在所述腔体的顶部以及侧面的对称位置开有若干个窗口，顶部窗口为激光垂直入射窗口，侧面窗口为X
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ray通过窗口和金属粉末床实时监测设...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢温泉，赵亮，苏准，胡侨丹，李建国，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：