一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置和方法，包括计算机、可编程信号发生器、激光器、送粉器、可调变焦熔覆头、机械臂和工作台，可调变焦熔覆头设置在工作台的上方，可调变焦熔覆头与机械臂连接，可编程信号发生器与激光器连接，可编程信号发生器与可调变焦熔覆头连接，计算机与机械臂连接，送粉器内储存有待制造金属粉材，送粉器与可调变焦熔覆头连接，送粉器与计算机连接。本发明专利技术通过可编程信号发生器调制激光器的输出参数以及熔覆头的离焦量，精准控制激光金属沉积增材制造熔池的凝固条件，从而调控微观组织的形貌，并实现定制制造，实现了微观组织的精准调控和定制化制造。准调控和定制化制造。准调控和定制化制造。

【技术实现步骤摘要】
一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置和方法


[0001]本专利技术涉及激光增材制造
，尤其是涉及一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置和方法。

技术介绍

[0002]近年来，航空航天、能源化工、海洋工程和高端机械装备等工业领域正在快速发展，对高性能功能梯度构件的需求日益增加。以航空发动机整体涡轮叶盘为例，构件工作温度和受力情况随径向位置改变，盘心
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盘缘及叶片的理想微观组织依次为细小等轴晶，径向晶和定向晶。此类功能梯度构件采用传统制造方法存在工序复杂、加工困难、制造成本高和生产周期长等问题。利用激光金属直接沉积技术对此类功能梯度构件的微观组织进行调控，继而以逐层堆积的方式获得组织呈梯度分布的功能构件。
[0003]激光金属直接沉积技术作为当前增材制造研究及应用的热点之一，以激光为热源在基材10局部熔化形成熔池，同步将金属材料送入熔池进行原位冶金与快速凝固而实现增材。随后在数控系统的控制下，按照预设路径逐线扫描、逐层沉积，从而近净成形致密三维实体零件。该技术具有无需模具、高度柔性化和快速响应等优点，被誉为一种变革性的绿色数字化制造技术。然而，激光金属直接沉积是一个多物理场耦合的微熔池快速冶金过程。激光增材制造微观组织呈现空间位置不确定性。如何实现激光金属沉积增材制造微观组织的有效调控，是高性能功能梯度构件增材制造面临的关键核心问题。
[0004]激光金属沉积增材制造微观组织的形貌主要取决于微熔池固液界面上的凝固条件，比如温度梯度G和凝固速度V。单纯基于G和V过冷度理论的工艺参数调控手段，在一定程度上可以调整微观组织的形貌，并改善冶金裂纹和有害脆性相的析出。但是移动熔池中液态金属的冶金动力学行为及晶体形核与长大对激光增材制造工艺参数及过程状态具有高敏感性及复杂多变性，导致连续激光增材制造凝固组织通常存在等轴晶和柱状晶空间交替复杂的层带结构特征。激光金属沉积增材制造微观组织精准调控依然面临着巨大的挑战。因此，有必要提出一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置和方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置和方法，通过信号发生器调制激光器3的输出参数以及熔覆头的离焦量，精准控制激光金属沉积增材制造熔池的凝固条件，从而调控微观组织的形貌，并实现定制制造。
[0006]根据本专利技术的一个目的，本专利技术提供一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置，包括计算机、可编程信号发生器、激光器、送粉器、可调变焦熔覆头、机械臂和工作台，所述可调变焦熔覆头设置在所述工作台的上方，所述可调变焦熔覆头与所述机械臂连接，所述可编程信号发生器与所述激光器连接，所述可编程信号发生器与所述可调变焦熔覆头连接，所述计算机与所述机械臂连接，所述送粉器内储存有待制造金属粉材，所述送粉器与所述可调变焦熔覆头连接，所述送粉器与所述计算机连接。
[0007]进一步地，所述工作台上设有用于装夹基材的夹具。
[0008]进一步地，所述可调变焦熔覆头包括激光熔覆头6和变焦伺服电机7，所述变焦伺服电机7与所述激光熔覆头6连接。
[0009]进一步地，所述可编程信号发生器与所述变焦伺服电机7连接。
[0010]进一步地，所述可编程信号发生器通过所述激光器的外置信号接口与所述激光器连接。
[0011]进一步地，所述送粉器还连接有氩气瓶。
[0012]进一步地，所述计算机还分别与所述可编程信号发生器和所述激光器连接。
[0013]根据本专利技术的另一个目的，本专利技术提供一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的方法，包括如下步骤：
[0014]S1，准备好待制造金属粉材，其粒度范围为75微米
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150微米，平均粒度为94微米；将待制造金属粉材在真空环境箱内120℃保温2小时，去除粉材表面粘附的水汽等杂质，增加粉体流动性；
[0015]S2，开始激光金属沉积增材制造前，将待加工的基材表面进行磨削，砂纸打磨，超声清洗，并用酒精、丙酮等有机溶剂清洗，表面晾干；将待加工基材放置在加所述工作台上，并用装夹夹具紧固好；调整所述可调变焦熔覆头的姿态，让其保持竖直向下；检查激光光斑和粉斑同轴度，保证激光束和粉流能够同轴共焦地汇聚在待加工基材表面；
[0016]S3，开始激光金属沉积增材制造时，在所述计算机控制下，所述机械臂带动可调变焦熔覆头按照预设制造路径开始移动，移动速度为0
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10mm/s；
[0017]S4，所述送粉器的送粉速率为1g/min
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50g/min；所述激光器输出功率为0
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5000W；所述可编程信号发生器的输出信号实时调制激光能量输出方式，激光调制的脉冲输出频率为0
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200Hz，空占比为5％
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100％；所述可编程信号发生器的输出信号实时调制所述可调变焦熔覆头的激光束离焦量，通过离焦量的变化，从而可以改变激光光斑的大小和功率密度，使其在
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5mm
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+12mm范围内实时改变，从而改变激光光斑大小在0.5mm
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5mm范围内改变；
[0018]S5，激光金属沉积增材制造过程中，利用所述可编程信号发生器实时调制所述激光器的输出频率和空占比，以及实时调整所述可调变焦熔覆头的激光束离焦量，从而可以调控激光熔池形貌以及凝固条件，最终实现激光金属沉积增材制造微观组织的调控。
[0019]进一步地，针对镍基IN718合金，当采用激光为5000W，脉冲频率5Hz，空占比为95％，离焦量为+12mm，光斑尺寸为4.8mm的工艺条件时，微观组织形貌为粗大的柱状晶；当采用激光功率2000W，脉冲频率为35Hz，占空比为50％，离焦量为0mm，光斑尺寸为0.8mm的工艺条件下，微观组织形貌为细小的等轴晶组织。
[0020]进一步地，在激光金属沉积增材制造过程中，通过所述可编程信号发生器实时调整制造过程中的激光束的脉冲频率、占空比，波形，以及激光功率和离焦量，从而可以调控激光熔池形貌以及凝固条件，可以在逐线逐层制造过程中对微观组织的分布进行定制，从而获得精准的微观组织定制分布，最终实现激光金属沉积增材制造微观组织的调控和定制制造。
[0021]本专利技术技术方案通过可编程信号发生器调制激光器的输出参数以及熔覆头的离焦量，精准控制激光金属沉积增材制造熔池的凝固条件，从而调控微观组织的形貌，并实现定制制造，实现了微观组织的精准调控和定制化制造，有利于降低人工和实现自动化，鲁棒
性好，可以方便扩展和用于其他合金材料的激光金属沉积增材制造工艺中。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置，其特征在于，包括计算机、可编程信号发生器、激光器、送粉器、可调变焦熔覆头、机械臂和工作台，所述可调变焦熔覆头设置在所述工作台的上方，所述可调变焦熔覆头与所述机械臂连接，所述可编程信号发生器与所述激光器连接，所述可编程信号发生器与所述可调变焦熔覆头连接，所述计算机与所述机械臂连接，所述送粉器内储存有待制造金属粉材，所述送粉器与所述可调变焦熔覆头连接，所述送粉器与所述计算机连接。2.根据权利要求1所述的激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置，其特征在于，所述工作台上设有用于装夹基材的夹具。3.根据权利要求1所述的激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置，其特征在于，所述可调变焦熔覆头包括激光熔覆头6和变焦伺服电机7，所述变焦伺服电机7与所述激光熔覆头6连接。4.根据权利要求3所述的激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置，其特征在于，所述可编程信号发生器与所述变焦伺服电机7连接。5.根据权利要求1所述的激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置，其特征在于，所述可编程信号发生器通过所述激光器的外置信号接口与所述激光器连接。6.根据权利要求1所述的激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置，其特征在于，所述送粉器还连接有氩气瓶。7.根据权利要求1所述的激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置，其特征在于，所述计算机还分别与所述可编程信号发生器和所述激光器连接。8.一种激光金属沉积增材制造微观组织调控的方法，采用权利要求1
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7任一所述的激光金属沉积增材制造微观组织调控的装置，其特征在于，包括如下步骤：S1，准备好待制造金属粉材，其粒度范围为75微米
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150微米，平均粒度为94微米；将待制造金属粉材在真空环境箱内120℃保温2小时，去除粉材表面粘附的水汽杂质，增加粉体流动性；S2，开始激光金属沉积增材制造前，将待加工的基材表面进行磨削，砂纸打磨，超声清洗，并用酒精、丙酮有机溶剂清洗，表面晾干；将待加工基材放置在加所述工作台上；调整所述可调变焦熔覆头的姿态，让其保持竖直向下；检查激光光斑和粉斑同轴度，保证激光束和粉流能...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘朝阳，梁忠伟，邹涛，刘晓初，萧金瑞，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：