一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法，属增材制造技术领域，包括成型腔体；成型腔体底部固定安装有成形缸和粉料缸；粉料缸内存储有金属粉末；成型腔体内设置有刮板，刮板用于将金属粉末输送至成形缸内；成形缸内安装有基板；基板与脉冲电流发生器电性连接；基板上放置有成形零件；成型腔体内还设置有光学系统；光学系统和脉冲电流发生器均与控制中心电性连接

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法


[0001]本专利技术属增材制造
，尤其涉及一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法
。

技术介绍

[0002]增材制造
(Additive Manufacturing,AM)
作为一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法快速加工制造技术，它具有生产周期短，材料利用率高，不需要模具就可直接加工成形等优点，近年来一直备受关注
。
利用增材制造技术进行金属零件的直接制造已经扩展到航空航天
、
医学医疗
、
汽车制造等领域
。
根据加工材料和成形原理的差异，增材制造可以分为多种技术，主要包括光固化成形
(SLA)、
熔融沉积成形
(FDM)、
电子束熔融
(EBM)、
激光选区烧结
(SLS)
和激光选区熔化
(SLM)
等技术
。
激光粉末床增材制造作为增材制造的一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法实施方式，使用建模软件建立模型后，通过专用软件对模型进行切片，并设置具体的工艺参数，之后将切片数据及具体工艺输入操作设备，采用高能密度激光束将均匀铺平在金属基板上的金属粉末逐点
、
逐线
、
逐层熔化直接制造出功能零件，从而优于锻造工件性能的金属工件，这使得它近年来成为国内外研究的热点
。
[0003]但目前市场上激光粉末床增材制造技术，无论是激光选区烧结工艺还是激光选区熔化工艺，其成形是快速熔化与凝固的过程，加工过程中会产生许多不可控的影响因素，如激光快速作用在粉末上会产生球化
、
裂纹
、
过烧
、
成形尺寸精度低等现象，存在一定的工艺缺陷
。
另一方面，连续激光作用下产生的飞溅出会阻碍熔化层之间的粘接，影响成形零件的力学性能
。
由于此类缺陷的存在使得增材制造成形零件的质量稳定性较差，从而限制了增材制造的发展以及在实际中的应用
。
[0004]为了解决上述缺陷，不少研究者开始采用脉冲激光代替连续激光成形零件
。
与连续激光相比脉冲激光能量便于控制，在激光光斑直径不变的情况下，连续激光只能通过改变扫描速率和激光功率改变输入能量，而脉冲激光可以通过脉冲峰值功率，脉冲作用时间
、
点距离
、
脉冲重复频率等参数控制能量的输入
。
脉冲激光作用的时间相对较短，且脉冲激光烧结较小的热扩散深度使得其热影响区相对较小，而较小的热影响区导致在激光烧结过程中熔池周边的粘粉减小，最终带来更高的加工精度，尤其是侧面加工精度，进而获得更加精细和均匀的微观结构
。
但由于脉冲激光峰值功率较高，烧结过程中会产生等离子体，其反冲压力会引起剧烈的飞溅，从而导致粉末堆积
、
粉末铺展不均匀等现象，影响零件的成形质量
。
所以如何改善此类成形缺陷是激光粉末床增材制造技术亟需解决的问题
。
[0005]随着金属的电效应被发现，以及电塑效应的提出，国内越来越多的科研人员开始在金属加工过程中通入脉冲电流来强化金属材料的可加工和综合性能
。
根据相关研究，脉冲电流引起的电致热效应，使得流过材料内部的电流与电阻相互作用而产生热量，这种热产生导致金属的热软化
。
与此同时脉冲电流所导致的电致塑性使得高速运动的电子会对材料中原本静止的原子产生一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法断续式
撞击，从而对位错产生推力，降低了材料的流动应力，提高零件的可成形，因此脉冲电流在改善零件缺陷增强零件强度方面具有良好的应用前景
。
例如，授权专利
CN 105855549B
公开了一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法脉冲激光填丝增材制造镍基合金结构的方法，该专利技术以脉冲激光填丝焊接系统为基础，以惰性气体作为保护气体，通过层层沉积的方式得到最终的结构
。
但该方法忽略了在激光高速扫描时，液相停留的时间很短，脉冲激光的能量密度不足，所以液相在基底上的润湿和铺展不充分，从而导致熔池边缘产生球化等缺陷，影响零件的成形精度
。
又如，授权专利
CN 104755197B
公开了增材制造方法和设备，该专利技术使用纤维激光在基材上向粉末材料施加脉冲激光能量，以选择性和快速熔合在粉末床中布置的一定量的铝合金粉末材料，通过选择性的烧结优化脉冲激光烧结
。
但该方法忽略了高功率下脉冲激光会产生等离子体反冲力，导致飞溅，飞溅的问题依然没有解决
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法，以解决上述问题，达到以脉冲激光为热源，并在烧结过程中耦合脉冲电流，脉冲激光与脉冲电流协同调节共同作用，使得金属粉末从脉冲激光中吸收的能量低于等离子体产生的阈值，从而降低蒸汽反冲压强和等离子体反冲压强，减少飞溅的产生，以提高增材制造零件的成形精度和成形质量，增加增材制造零件的实用性的目的
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置，包括：成型腔体；所述成型腔体底部固定安装有成形缸和粉料缸；所述粉料缸内存储有金属粉末；所述成型腔体内设置有刮板，所述刮板用于将所述金属粉末输送至所述成形缸内；所述成形缸内安装有基板；所述基板与脉冲电流发生器电性连接；所述基板上放置有成形零件；
[0009]所述成型腔体内还设置有光学系统；所述光学系统和脉冲电流发生器均与控制中心电性连接
。
[0010]所述光学系统包括脉冲激光器，激光振镜和光学透镜；所述激光振镜和光学透镜均设置于所述成形零件的正上方；所述脉冲激光器和脉冲电流发生器均与控制中心电性连接
。
[0011]所述成形缸和粉料缸底部均安装有升降装置，所述升降装置与控制中心电性连接
。
[0012]所述成型腔体内氧含量低于
800ppm。
[0013]所述金属粉末为脉冲激光烧结球形粉末，为铝合金粉末
、
钛合金粉末或镍基合金粉末
。
[0014]所述脉冲激光器所形成的脉冲激光光斑直径为
50
μ
m
，功率为0‑
100W
，扫描速度为
10
‑
1500mm/s
，层厚为5‑
50
μ
m
，扫描间距为
40
‑
100
μ
m
，频率为
20
‑
200KHz
可调，脉宽为
100<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置，其特征在于，包括：成型腔体
(4)
；所述成型腔体
(4)
底部固定安装有成形缸
(8)
和粉料缸
(10)
；所述粉料缸
(10)
内存储有金属粉末
(11)
；所述成型腔体
(4)
内设置有刮板
(12)
，所述刮板
(12)
用于将所述金属粉末
(11)
输送至所述成形缸
(8)
内；所述成形缸
(8)
内安装有基板
(7)
；所述基板
(7)
与脉冲电流发生器
(9)
电性连接；所述基板
(7)
上放置有成形零件
(6)
；所述成型腔体
(4)
内还设置有光学系统；所述光学系统和脉冲电流发生器
(9)
均与控制中心
(1)
电性连接
。2.
根据权利要求1所述的一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置，其特征在于：所述光学系统包括脉冲激光器
(2)
，激光振镜
(3)
和光学透镜
(5)
；所述激光振镜
(3)
和光学透镜
(5)
均设置于所述成形零件
(6)
的正上方；所述脉冲激光器
(2)
和脉冲电流发生器
(9)
均与控制中心
(1)
电性连接
。3.
根据权利要求1所述的一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置，其特征在于：所述成形缸
(8)
和粉料缸
(10)
底部均安装有升降装置，所述升降装置与控制中心
(1)
电性连接
。4.
根据权利要求1所述的一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置，其特征在于：所述成型腔体
(4)
内氧含量低于
800ppm。5.
根据权利要求1所述的一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置，其特征在于：所述金属粉末
(11)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建忠，张伟，李礼，戴凌，吴郡苓，黄舒，李鹏飞，张红梅，孟宪凯，冯旭，陈寒松，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：