一种金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法及装置与流程

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法。本发明还涉及一种金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造装置。

背景技术：

区别于传统的“去除型”制造，“增材制造”不需要原胚和模具，基于计算机图形数据，通过增添材料的方法生成任何形状的物体。3D打印技术作为“增材制造”的主要实现形式，正在快速改变人们传统的生产方式与生活方式，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印制造技术有望推动第三次工业革命。3D打印技术中，属金属零件增材制造需求范围最广，也是最重要的发展方向之一。

梯度功能材料的概念是有日本材料学家新野正之、平井敏雄和渡边龙三等提出的，最早的研究始于1987年日本科学技术厅的一项“关于开发缓和热应力的功能梯度材料的基础技术研究”计划。所谓功能梯度材料是根据使用要求，选择使用两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间的组成和结构呈连续梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能沿特定方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。例如，航天飞机燃烧冲压式发动机燃烧室壁面，接触数千度高温气体的一侧使用耐热性优良的陶瓷，赋予材料耐热性能，而接触制冷材料冷却氢的一侧采用金属材料，赋予材料导热性和机械性能，在两个界面之间，采用先进的材料复合技术，通过控制金属和陶瓷的相对组成和组织结构，使其无界面地逐渐变化，从而使整个材料具有良好耐热性且机械强度高的新功能。正是由于功能梯度材料的这种梯度性能特征，使得其具有一般复合材料无法比拟的优点，因而具有极高的应用价值和研究前景。

基于3D打印的金属梯度材料增材制造，可充分集成金属3D打印和梯度材料两者的优点，如高效率、低成本实现复合功能、复杂形状金属零件成型，有效满足数字化、网络化和定制化等智能制造需求特点，3D打印设备系统操作简单，更有利于工艺实现工业化生产应用。然而，金属梯度材料3D打印技术因为成型零件的机械力学性能不能完全满足使用要求而限制了它的推广和应用，主要缺点如下：(1)单一金属3D打印成型零件存在残余应力过大和局部区域应力集中问题，后处理消除方法困难，造成脆断易碎。金属梯度材料3D打印因为不同金属热传导系数不同，在凝固过程中因冷却速度不一致导致塑性变形不均匀，使应力问题更为严重。(2)由于内部缺陷而造成机械性能不足：内部缺陷包括气孔、未融合。气孔是由于粉末吸附空气或者粉末包裹气体在烧结凝固过程中未能及时逸出，留在凝固组织内而形成。未融合是由于3D打印成型过程中工艺参数设置不合理，各熔覆层之间未形成致密组织而产生的不良缺陷。气孔和未融合是承力结构件致命的疲劳萌生源，进而导致金属梯度材料3D打印可靠性存在隐患。

因此，如何在通过金属3D打印技术生产制造金属梯度材料时，尽量避免气孔、未融合和缩松问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法，能够尽量避免气孔、未融合和缩松问题，提高金属梯度材料的机械性能和疲劳强度。本发明的另一目的是提供一种金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法，包括：

按照预设的3D打印填充扫描路径逐渐喷出按照预设的混合比例曲线变化的多金属混合粉末，通过热源对所述多金属混合粉末进行熔合，形成工件的熔覆层，再通过脉冲激光诱导的冲击波对所述熔覆层进行冲击锻打；

逐层堆叠各层所述熔覆层，并形成工件。

优选地，在按照预设的3D打印填充扫描路径逐渐喷出按照预设的混合比例曲线变化的多金属混合粉末之前，还包括：

根据工件模型生成3D打印填充扫描路径和混合比例曲线。

优选地，根据工件模型生成3D打印填充扫描路径和混合比例曲线，具体包括：

对工件模型进行切片分层，以获得各个分层截面的轮廓形状和各类金属配比，再根据所述轮廓形状生成各层所述熔覆层的3D打印填充扫描路径，且根据所述金属配比生成各层所述熔覆层的混合比例曲线。

优选地，喷出按照预设的混合比例曲线变化的多金属混合粉末时，控制所述多金属混合粉末的使用量，以使相邻两层所述熔覆层中的各类金属的配比变化小于20％。

优选地，通过热源对所述多金属混合粉末进行熔合时，监测并控制形成的所述熔覆层的温度，以使其处于预设的金属塑性成形温度区间。

优选地，通过脉冲激光诱导的冲击波对所述熔覆层进行冲击锻打时，实时检测所述熔覆层的材料参数，并据此调整所述脉冲激光的功率参数。

优选地，喷出所述多金属混合粉末时，实时检测所述多金属混合粉末的送粉量，并据此调整所述热源的移动速度。

优选地，形成工件之后，还包括：

对工件进行热机耦合数值仿真，并确定工件的残余应力集中区域；

测量工件上残余应力集中区域的应力分布情况，并据此对其进行激光冲击处理，以消除有害拉应力。

本发明还提供一种金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造装置，包括工作台、设置于其上并用于按照预设的3D打印填充扫描路径进行移动的热源喷嘴、与所述热源喷嘴同步运动并用于逐渐喷出按照预设的混合比例曲线变化的多金属混合粉末以使热源将其熔合形成熔覆层的送粉喷嘴、与所述热源喷嘴同步运动并用于对所述熔覆层进行激光冲击处理以利用激光冲击诱导的冲击波对所述熔覆层进行冲击锻打的激光喷嘴。

优选地，还包括与所述送粉喷嘴连通、用于在多金属混合粉末中添加防止其氧化的惰性气体的保护气管。

优选地，还包括用于通过超声波检测所述熔覆层在形成过程中的缺陷并将其参数记录的超声波检测探头。

优选地，还包括设置于所述工作台上、用于检测所述熔覆层温度的温度传感器，与所述温度传感器信号连接、用于根据其检测值控制所述热源喷嘴的出口温度的温度控制器，与所述温度传感器信号连接、用于根据其检测值对工件进行热机耦合数值仿真以确定工件的残余应力集中区域的应力仿真模块，以及根据所述应力仿真模块的仿真结果测量工件上残余应力集中区域的应力分布情况的应力检测模块，且所述应力检测模块与所述激光喷嘴信号连接，以使其根据所述应力检测模块的检测结果对工件进行激光冲击处理并消除有害拉应力。

本发明所提供的金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法，主要包括两个步骤，分别为：按照预设的3D打印填充扫描路径逐渐喷出按照预设的混合比例曲线变化的多金属混合粉末，通过热源对多金属混合粉末进行熔合，形成工件的熔覆层，同时通过脉冲激光的力学效应诱导的冲击波对熔覆层进行激光冲击锻打；逐层堆叠各层熔覆层，并形成工件。本发明所提供的金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法，在第一步中，多金属混合粉末按照预设的3D打印填充路径逐渐喷出，并且在喷出的同时，多金属混合粉末中的各类金属的配比也在按照预设的混合比例曲线进行变化，同时热源跟随移动，并对多金属混合粉末进行熔合，从而在预设的3D打印填充扫描路径上形成工件的熔覆层，该熔覆层为工件的某一厚度截面，当前熔覆层形成时，紧跟着进行对熔覆层的激光冲击处理，由于激光冲击处理时会对受力物体产生冲击波，并可传递至物体内部，同时熔覆层中存在气孔、未融合和缩孔等缺陷，如此可利用激光冲击诱导的冲击波对熔覆层进行冲击锻打，使得气孔等被填补，若干个熔覆层堆叠即可完整形成工件。在第二步中，每层熔覆层的激光冲击处理完成之后，将各层熔覆层依次堆叠，并形成完整的工件。综上所述，本发明所提供的金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法，在热源熔化多金属混合粉末形成熔覆层同时对该熔覆层进行激光冲击处理，利用激光冲击诱导的冲击波对熔覆层进行冲击锻打，消除熔覆层中存在的气孔、未融合以及缩孔等缺陷，提高零件内部质量，并且在热源熔化多金属混合粉末的同时，逐渐喷出的多金属混合粉末的不同金属配比不断变化，使得形成的各层熔覆层中的金属配比逐渐变化，金属梯度材料的金属比例过渡均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图；

图2为本发明所提供的一种具体实施方式的结构图；

图3为熔覆层的微观结构以及激光冲击处理原理示意图。

其中，图2—图3中：

工作台—1，热源喷嘴—2，送粉喷嘴—3，激光喷嘴—4，保护气管—5，温度传感器—6，温度控制器—7，应力仿真模块—8，应力检测模块—9，熔合金属晶体—10，冲击波—11，气孔—12，等离子体—13，多金属混合粉末—14，熔池—15，熔覆层—16，超声波检测探头—17。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法主要包括两个步骤，分别为：按照预设的3D打印填充扫描路径逐渐喷出按照预设的混合比例曲线变化的多金属混合粉末，热源对多金属混合粉末进行熔合，形成工件的熔覆层，同时利用脉冲激光的力学效应诱导的冲击波对熔覆层进行冲击锻打；逐层堆叠各层熔覆层，并形成工件。

其中，在第一步中，多金属混合粉末需要按照一社的3D打印路径逐渐喷出，并且在逐渐喷出的同时，多金属混合粉末中的各类金属的配比也在按照预设的混合比例曲线进行变化。而热源也需要按照预设路径同步跟进，产生高温热量，对多金属混合粉末进行熔合，从而在预设的3D打印填充扫描路径上形成工件的熔覆层，该熔覆层为工件的某一厚度截面，若干个熔覆层堆叠即可完整形成工件。该3D打印填充扫描路径由工件的形状特点等决定，比如工件为螺母时，其3D打印填充扫描路径即为六边形。热源工作时，产生大量的热，足够将金属粉末熔化，而一定量的金属粉末熔化后将互相熔合，从而在3D打印填充扫描路径上形成一层熔覆层。

由于多金属混合粉末的配比跟随预设的混合比例曲线进行变化，因此各层熔覆层中各类金属的含量或配比等是各不相同的，当然，从第一层熔覆层到最后一层熔覆层，各类金属的配比变化是按照混合比例曲线逐渐变化的，变化率缓慢而均匀。比如，以多金属混合粉末中具有A金属和B金属为例，若形成的第一层熔覆层中A金属的配比为100％且最后一层熔覆层中B金属的配比为100％，那么中间的过渡熔覆层中的A金属和B金属的比例均在0～100％之间。优选地，在喷出多金属混合粉末时，可以调节多金属混合粉末的使用量，从而使相邻两层熔覆层中的A金属和B金属的配比变化小于20％，比如第二层熔覆层的配比为A金属：B金属＝80％：20％，第三层熔覆层的配比为A金属：B金属＝60％：40％，第四层熔覆层的配比为A金属：B金属＝40％：60％，第五层熔覆层的配偶比为A金属：B金属＝20％：80％。当然，各层熔覆层中的各类金属的配比是不同的，上述仅为其中一个优选方案，具体可根据金属梯度材料的性能要求而调节各类金属的配比。

同时，该熔覆层还具有一定厚度。优选地，该熔覆层的厚度可占工件高度的1％～2％，如此，需要50～100层熔覆层的互相堆叠才能形成完整的工件。该比例的熔覆层厚度，对于大部分金属工件而言，足够保证每层熔覆层的强度和结构稳定性，同时也提高了熔覆层的数量，使得工件对于熔覆层的划分足够精细，打印精度更高。而对于熔覆层的厚度控制，一般的，可通过控制金属粉末的使用量的方式完成，具体的，可通过步进电机和粉末定量控制器实现。粉末定量控制器设置在粉末罐的出口上，通过对步进电机的精确转速控制，可精确控制粉末定量控制器对粉末罐的出口流量限制，从而控制流出的金属粉末量。同时，该粉末定量控制器内还可以同时设置多个阀门，分别用于控制各类金属的流量，从而达到控制喷出的多金属混合粉末中的各类金属的配比目的。

关于该3D打印填充扫描路径，若待打印的工件为标准件，比如螺栓等，那么可采用已知的路径即可。但对于非标准件的工件而言，则需要首先建立路径。具体的，在进行热源对多金属混合粉末的熔合之前，可首先根据工件模型生成3D打印填充扫描路径。工件模型可在三维建模软件中形成，根据工件的形状结构和尺寸等建立虚拟模型，之后在三维建模软件中结合工件的具体结构进行计算分析，在限制条件(比如路径最短或金属粉末使用量最小等)的约束下得出最优路径，即当前工件的3D打印填充扫描路径。当谈，同时还可根据工件模型的各类金属的具体含量分布情况生成关于各类金属配比的混合比例曲线。

具体的，首先可对工件模型进行切片分层，一般厚度均分，每层的厚度可参数前述厚度设置部分。工件模型分层后，可以获得各个分层截面的轮廓形状，之后再对每个分层截面的轮廓形状进行扫描、拟合，即可获得各层熔覆层的3D打印填充扫描路径。同时，可检测各个分层截面中材料的金属配比情况，如此根据所有分层截面的金属配比情况即可获得金属梯度材料整体的混合比例曲线。

当熔覆层形成时，同时脉冲激光对当前熔覆层进行冲击锻打，由于激光冲击处理时会对受力物体产生冲击波，并可传递至物体内部，同时熔覆层中存在气孔、未融合和缩孔等缺陷，如此可利用激光冲击诱导的冲击波对熔覆层进行冲击锻打，使得气孔被周围的金属熔合物填补，同时促使未熔合部分进行再次熔合，缩孔等问题也同时被排除。

在此过程中，根据加工金属材料的不同特性，热源熔覆金属区温度由温度传感器在线监测与控制，使材料熔覆-冷却后处于最适合金属塑性成形温度区间，由脉冲激光进行冲击锻打；如温度过高/过低导致材料熔覆-冷却后偏移最佳塑性成形温度区，则降低/升高热源温度，形成闭环控制。

脉冲激光锻打参数由光束质量检测仪器或装置监测与控制，由熔覆区材料厚度确定脉冲激光的脉冲宽度，使整个熔覆层深度材料获得充分锻打透彻；由熔覆区材料面积确定脉冲激光锻打频率和光斑大小，确保激光冲击锻打移动速度与激光熔覆速度匹配，并保证锻打区温度始终处于最容易塑性变形的温度范围内；如熔覆区材料面积/厚度超出脉冲激光处理极限，则降低热源移动速度，形成闭环控制，反之亦然。

送粉量由送粉器监测与控制，送粉量决定了熔覆区厚度与面积，同时影响热源移动速度和脉冲激光锻打参数；如送粉量超出/未达到热源处理量，则降低/升高热源移动速度，形成耦合控制。

考虑到多金属混合粉末的温度较高，为避免空气中的氧气对多金属混合粉末造成氧化效果，本实施例在多金属混合粉末中输送惰性气体，比如氦气等。

在第二步中，每层熔覆层的激光冲击处理完成之后，将各层熔覆层依次堆叠，并形成完整的工件。

如此，本实施例所提供的金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法，在热源熔化多金属混合粉末形成熔覆层后，紧接着对该熔覆层进行激光冲击处理，利用激光冲击诱导的冲击波对熔覆层进行冲击锻打，消除熔覆层中存在的气孔、未融合以及缩孔等缺陷，提高零件内部质量。同时，逐渐喷出的多金属混合粉末的不同金属配比不断变化，使得形成的各层熔覆层中的金属配比逐渐变化，金属梯度材料的金属比例过渡均匀。

另外，考虑到金属梯度材料的3D打印成形是一个金属瞬时的熔化、凝固和冷却的过程，工件截面不同部位传热效率不同，芯部材料冷却较慢，表层材料冷却较快，非均匀的热影响容易产生残余应力和变形，严重影响零件几何尺寸和力学性能。为此，本实施例在形成工件之后，对工件进行热机耦合数值仿真，以此确定工件的残余应力集中区域。具体的，可以实时温度数据为基础，结合材料属性、热源工作参数、扫描特性、成型氛围和成型几何特点进行金属3D打印的热机耦合数值仿真，进而确定工件的残余应力集中区域。一般而言，此类区域为工件上尺寸突变或曲率半径较小的部分。

确定工件的残余应力集中区域后，可在该部分区域中测量工件的应力分布情况，进而据此对其进行激光冲击处理，消除有害拉应力。具体的，可采用XRD实验(X-ray diffraction，X射线衍射)测量工件上残余应力集中区域的应力类型、应力幅值等。之后，即可根据测量结果控制激光冲击的参数，加载可控残余压应力消除高幅值的有害拉应力。

如图2所示，图2为本发明所提供的一种具体实施方式的结构图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，激光冲击锻打金属3D打印复合制造装置主要包括工作台1、热源喷嘴2、送粉喷嘴3和激光喷嘴4。

其中，工作台1具体可为三自由度的工作台，热源喷嘴2、送粉喷嘴3和激光喷嘴4均设置在工作台1上，具体的，热源喷嘴2的出口距离工作台1表面的工件成型区域具有一定高度，主要用于按照预设的3D打印填充扫描路径进行移动。该热源喷嘴2的热源也可为激光，当然也可以为火焰或电能等。

送粉喷嘴3与热源喷嘴2同步运动，主要用于将多金属混合粉末14逐渐喷出，同时随着预设的混合比例曲线改变多金属混合粉末中的各类金属配比，并使热源喷嘴2喷出的热量将多金属混合粉末14融化。具体的，该送粉喷嘴3可与热源喷嘴2同轴设置，即环绕设置在热源喷嘴2的周向方向，由四周向中心向下的位置喷射多金属混合粉末14，如此多金属混合粉末14一经喷出后即汇聚到热源喷嘴2的出口中心位置。送粉喷嘴3的入口可与粉末罐连通，通过管道将多金属混合粉末14送至送粉喷嘴3中。同时，还可在粉末罐的出口上增设粉末定量控制器，由步进电机控制粉末定量控制器的工作状态。该粉末定量控制器的作用类似于液压系统中的控制阀，可精确控制从粉末罐中流出的多金属混合粉末14的流量以及各类金属的混合比例。

另外，考虑到多金属混合粉末在高温中易被空气中的氧气氧化的问题，本实施例在粉末罐的入口处增设了保护气管5。该保护气管5可将惰性气体导入到粉末罐中，并与多金属混合粉末混合的同时从送粉喷嘴3中喷出，如此由于惰性气体的存在，有效避免了多金属混合粉末被氧化的问题。

如图3所示，图3为熔覆层的微观结构以及激光冲击处理原理示意图。

激光喷嘴4设置在工作台1上，也与热源喷嘴2同步运动。激光喷嘴4中能够喷射出高能激光，当热源喷嘴2与送粉喷嘴3共同作用形成工件的熔覆层16之后，激光喷嘴4中喷出激光，对熔覆层16进行激光冲击处理。当激光喷嘴4中的激光喷射到熔覆层16表面时，将产生等离子体13，同时将诱导产生冲击波11，并传递到熔覆层16的内部结构中，等效于对熔覆层16进行冲击锻打，使得熔覆层16内部的熔合金属晶体10之间存在的气孔12逐渐被周围熔合金属所填充，同时未熔合和缩孔现象也会在冲击波的冲击作用下逐渐消失。

进一步的，本实施例中还增设了用于通过超声波检测熔覆层在形成过程中的缺陷的超声波检测探头17，同时该超声波检测探头17还能够将其所检测到的熔覆层中有缺陷的位置及其参数记录下来，比如缺陷的分布情况、尺寸结构等，如此方便后续步骤中对其进行有针对性的激光冲击锻打处理。

另外，本实施例还在工作台1上增设了温度传感器6和温度控制器7。具体的，该温度传感器6主要用于检测熔覆层的温度。而温度控制器7与温度传感器6信号连接，主要用于根据温度传感器6的检测值控制热源喷嘴2的出口温度，使得形成的熔覆层的温度复合预期要求。

不仅如此，本实施例还在工作台1上增设了应力仿真模块8和应力检测模块9。其中，应力仿真模块8与温度传感器6信号连接，主要用于根据温度传感器6的检测值对工件进行热机耦合数值仿真，以确定工件的残余应力集中区域。应力检测模块9与应力仿真模块8信号连接，主要用于根据应力仿真模块8的仿真结果在工件的残余应力集中区域中进行应力分布情况检测，比如应力类型和应力幅值等。并且，该应力检测模块9与激光喷嘴4信号连接，如此，可使得激光喷嘴4能够根据应力检测模块9的检测结果对工件进行激光冲击处理，主要通过加载可控残余压应力消除高幅值的有害拉应力，如此，使得工件形成后的大部分区域内不存在突出的应力集中现象，提高工件的打印精度、结构强度和使用寿命。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。