采用多束激光辅助控温3d打印定向晶零件的装置及方法

采用多束激光辅助控温3d打印定向晶零件的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置及方法，包括依次光路连接的激光器、扩束镜、扫描器和f?θ镜，激光器发射的激光经过扩束镜和扫描器，形成主激光光束以及分布在主激光光束四周的若干束辅助激光光束；f?θ镜设置于成形室的顶部，成形室内填充有保护气体，成形室连接送粉系统且成形室的底部连通成形缸，成形缸的底部设置进给装置。本发明通过激光器和扫描器，形成主激光光束和若干束辅助激光光束，能够形成多束混合同步扫描的激光，能够调整成形过程中熔池的温度梯度方向，利于形成定向凝固柱晶组织；同时主激光光束和辅助激光光束配合可改变温度梯度大小，降低打印层温度梯度，确保金属晶体可以连续稳定的生长。
【专利说明】
采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置及方法。
【【背景技术】】
[0002]3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。3D打印技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，主要涉及数字模型的建立、分层、生成加工代码、层片联接等过程。对于一些传统加工难以加工的零部件的加工有重要意义，因此在武器装备、航空部件等领域有着重要的应用意义。
[0003]随着航空航天技术的发展，一些关键部位的零件也设计的更加复杂。以涡轮发动机为例，其热端部件主要包括涡轮叶片和涡轮盘。涡轮叶片是航空发动机的核心部件之一，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”，其设计与制造水平将对航空发动机的综合性能产生直接影响。目前的涡轮发动机叶片主要采用传统高温合金通过熔模铸造的方法加工成形，但是这种方法工艺周期长、难度大、成本高，不利于新产品的开发，并且型芯型壳通过装配结合在一起，会引入装配误差导致叶片的偏芯、穿孔等缺陷。所以传统的铸造方式已经不能达到设计要求，同时传统铸造的方式还存在着很多的的缺陷，如气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂、冷隔、浇不足、缩松、缩孔、缺肉，肉瘤等。
[0004]逐渐成熟的3D打印技术为这些关键的零部件的制造提供了一种新的技术方案，在制造工艺和制造精度上都有了极大的改善和进步。但是，这种技术也存在着一些缺陷，例如在金属打印时，由于存在较大的温度梯度，金属难以持续稳定地生长，难以获得品相良好的柱晶或单晶组织，因而得到的零部件的性能和特性受到极大的影响。
【
【发明内容】
】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置及方法，通过增加辅助控温光源，利于零件的金属晶体定向生长，能够得到连续的柱晶或单晶组织。
[0006]为了达到上述目的，本发明装置采用如下技术方案:
[0007]包括依次光路连接的激光器、扩束镜、扫描器和f-θ镜，激光器发射的激光经过扩束镜和扫描器，形成主激光光束以及分布在主激光光束四周的若干束辅助激光光束;f-θ镜设置于成形室的顶部，成形室内填充有保护气体，成形室连接送粉系统且成形室的底部连通成形缸，成形缸的底部设置进给装置。
[0008]进一步地，送粉系统包括在成形室的底部设置的铺粉刮板，以及与成形室底部连通且装有预成型的金属粉末的料缸，料缸的底部也设置进给装置。
[0009]进一步地，激光器包括一个主激光器和若干个辅助激光器，辅助激光器的功率均小于主激光器的功率;扩束镜包括位于主激光器和扫描器之间的第一扩束镜，以及位于辅助激光器和扫描器之间的第二扩束镜。
[0010]进一步地，辅助激光光束为三束，且位于等腰三角形的三个角上，主激光光束位于该等腰三角形的底边中点处。
[0011 ]本发明方法的技术方案是，包括以下步骤:
[0012]a)通过送粉系统向成形缸送入原料粉末；
[0013]b)对待制造的零件建立三维实体模型，并对三维模型进行切片分层，得到各个截面的轮廓数据；
[0014]c)根据待制造零件的三维实体模型，对主激光光束和辅助激光光束的控温熔覆过程进行模拟，确定主激光光束和辅助激光光束的功率、光斑直径和布置位置；
[0015]d)根据确定的功率、光斑直径和布置位置，采用选区激光熔化法，成形出待制造的零件胚体；
[0016]e)将零部件胚体进行后处理，得到定向晶零件。
[0017]进一步地，步骤a)中原料粉末是从金属粉末妈、钛、错、給、钥^、银、钽以及钼中任意选取五种或五种以上，以等摩尔混合均匀得到的。
[0018]进一步地，步骤c)中对主激光光束和辅助激光光束的控温熔覆过程进行模拟的具体过程包括:
[0019]301、首先对待制造零件的三维实体模型进行网格的划分，并对网格进行修正；
[0020]302、设定主激光光束和辅助激光光束的初始功率、初始光斑直径和初始布置位置，进行温度场的模拟；
[0021]303、对得到的温度场进行分析，测量温度场中的熔池等温面曲率半径偏转方向与组织生长方向的夹角α;
[0022 ] 304、将α与设定值A进行比较，在α > A时，调节辅助激光光束的功率，重新进行温度场的模拟，直至α<Α。
[0023]进一步地，设定值A为15°。
[0024]进一步地，步骤e)中后处理包括退火处理和精加工处理。
[0025]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0026]本发明装置针对传统金属粉末熔化激光3D直接成形工艺过程，由于高温度梯度方向发散和温度梯度绝对值极大造成的金属结晶不稳定、不均匀的现象，通过设置激光器和扫描器，形成主激光光束和若干束辅助激光光束，能够形成多束混合同步扫描的激光，通过辅助激光光束调整成形过程中熔池的温度梯度方向，改变熔池等温面曲率半径偏转方向，使其与组织生长方向夹角小于设定值，就可以很好地形成定向凝固柱晶组织；同时主激光光束和辅助激光光束配合可改变温度梯度大小，降低打印层温度梯度，确保金属晶体可以连续稳定的生长，控制定向凝固柱晶间距尺寸，得到性能优良的定向凝固柱晶或单晶组织。
[0027]进一步地，本发明中通过采用主激光器和若干个辅助激光器，且辅助激光器的功率均小于主激光器的功率，则主激光器发射的激光能够经过第一扩束镜和扫描器形成进行熔化加工的主激光光束，而辅助激光器发射的激光最终形成辅助激光光束，与主激光光束配合，有效对温度场梯度进行调整。
[0028]本发明方法采用辅助控温光源的方式，通过模拟加工过程对得到的温度场进行分析，确定主激光光束和辅助激光光束的功率、光斑直径和布置位置，可以达到降低温度梯度的预期目标，利于得到连续的柱晶或单晶组织零件，对于一些关键零部件的制造具有重要意义。
【【附图说明】】
[0029]图1为本发明装置的结构示意图；
[0030]图2为预成型的金属粉末配制结构示意图；
[0031 ]图3是本发明激光加工熔池温度场及光源位置分布示意图；
[0032]图4是本发明熔覆区与熔池示意图；
[0033]图5是仅使用主激光光源进行加工，得到的X-Y方向单束激光作用温度场分布图；
[0034]图6是仅使用主激光光源进行加工，得到的Y-Z方向单束激光作用温度场分布图；
[0035]图7是仅使用主激光光源进行加工，得到的单束激光加工辅助作图测量偏转角;其中，A区:液相区，是主要熔化区，B区:重熔区，C区:固相区；液相区和重熔区构成熔池;此时熔池梯度方向与Z轴方向夹角为27°，大于15° ；
[0036]图8是本发明X-Y方向三束激光作用温度场分布图；
[0037]图9是本发明Y-Z方向三束激光作用温度场分布图；
[0038]图10是本发明四束激光加工辅助作图测量偏转角;其中，A区:液相区，是主要熔化区，B区:重熔区，C区:固相区;液相区和重熔区构成熔池;此时熔池梯度方向与Z轴方向夹角为14。，小于15° ；
[0039]其中:1、料缸;2、进给装置;3、金属粉末;4、主激光器;5、第一扩束镜;6、扫描器;7、f-θ镜;8、成形室;9、保护气体；10、成形件；11、铺粉刮板;12、成形缸；13、辅助激光光束；14-辅助激光器;15-第二扩束镜。
【【具体实施方式】】
[0040]下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0041]名词解释:定向晶，是指定向凝固柱晶或单晶组织。
[0042]本发明主要涉及以金属粉末为主要加工原料、铺粉为主要方式的选择性激光烧结结合多束辅助激光调温实现定向晶零件快速成形技术，特别是对于金属激光3D打印中金属晶体的定向生长和温度场梯度的控制，主要用于解决金属粉末择性激光烧结快速成形中的由于温度梯度方向发散或梯度过大而导致的金属晶体难以持续、定向生长的问题。
[0043]参见图1至图2，本发明装置包括依次光路连接的激光器、扩束镜、扫描器6和f-θ镜7，其中激光器包括一个主激光器4和若干个辅助激光器14，辅助激光器14的功率均小于主激光器4的功率;扩束镜包括位于主激光器4和扫描器6之间的第一扩束镜5，以及位于辅助激光器14和扫描器6之间的第二扩束镜15。主激光器4发射的激光经过第一扩束镜5到达扫描器6，经过扫描器6的作用形成主激光光束，作为进行熔化加工的主激光光源;辅助激光器14发射的激光经过第二扩束镜15到达扫描器6，经过扫描器6的作用形成分布在主激光光束四周的若干束辅助激光光束13，辅助激光器14的功率均小于主激光器4的功率，使得辅助激光光束13仅与主激光光束配合，对温度场梯度进行调整，而辅助激光光束13本身并不起熔化加工的作用;辅助激光光束13优选三束，但辅助激光光束13的数量不限于三个，要求在主加热激光光源即主激光光束周围均匀排布;f-θ镜7设置于成形室8的顶部，成形室8内填充有保护气体9，成形室8连接送粉系统且成形室8的底部连通成形缸12，成形缸12的底部设置进给装置2。
[0044]送粉系统包括在成形室8的底部设置的铺粉刮板11，以及与成形室8底部连通的料缸I，料缸I的底部也设置进给装置2，料缸I内装有预成型的金属粉末3。
[0045]在激光3D直接成形工艺过程中，需要大小功率不同的主激光光束和辅助激光光束13;对于不同的材料，功率的确定可以通过ANSYS软件模拟，也可以采用实验法来确定。
[0046]本发明中的扫描器6连接快速成形控制系统。
[0047]本发明方法包括以下步骤:
[0048]a)在料缸I中装入原料粉末;原料粉末为适用于选区激光熔化工艺的预成型的金属粉末3，本发明中所用的金属粉末3是从高熔点金属粉末钨、钛、锆、铪、钒、铌、钽以及钼中任意选取五种或五种以上，以等摩尔比例混合均匀得到的。
[0049]b)对待制造的零部件建立三维实体模型，并对三维模型进行切片分层，得到各个截面的轮廓数据，将得到的轮廓数据导入快速成形控制系统；
[0050]c)根据待制造零部件的三维实体模型，对主激光光束和辅助激光光束13的控温熔覆过程进行模拟，确定主激光光束和辅助激光光束13的功率、光斑直径和布置位置；
[0051]301、首先对于温度场进行模型简化，建立模拟简化条件，如下:
[0052]①激光作用时间短，扫描光斑较小，激光单位时间能量输入密度高，可以忽略粉末表面反射、对外辐射以及工件表面空气的对流所耗散的能量；
[0053]②烧结过程可以视为无内热源作用；
[0054]③假设材料为各向同性的均匀材料。
[0055]302、对导入的三维实体模型进行网格的划分，并对网格进行修正，主要是排除仅有对角线相接的网格，避免对模拟过程造成误差。
[0056]303、设定主激光光束和辅助激光光束13的初始功率、初始光斑直径和初始布置位置，进行温度场的模拟，得到温度场。
[0057]304、根据金属粉末3的熔化温度，对得到的温度场进行分析，主要是测量温度场中模拟的熔池等温面曲率半径偏转方向与组织生长方向(z轴方向)的夹角α，察看是否满足小于15°的标准。
[0058]305、如果不满足小于15°的要求，则通过辅助激光器14调节辅助激光光束13的功率，进行温度场的模拟，重复步骤302和步骤303，直至熔池等温面曲率半径偏转方向与组织生长方向的夹角小于15°。
[0059]d)根据确定的激光功率、光斑直径和布置位置，采用选区激光熔化法，根据已经得到的待成型件的分层切片信息，快速成形控制系统控制扫描器6，使主激光光束和辅助激光光束13—起作用于待成形区域内的金属粉末3。一层扫描完毕后，成形缸12下降一个层厚的距离，料缸I上升一定的距离(送料系数与层厚的乘积)，铺粉刮板11将金属粉末3铺展于已成型层之上，然后重复上述的过程，直至所有的三维模型的切片层全部扫描打印完毕，快速成形出待制造的零部件胚体；
[0060]e)将扫描成形的零部件胚体进行后续的退火处理及相应精加工处理，最终制得结构致密、高温性能良好、尺寸精度合格的定向晶零件。
[0061 ]在本发明的快速成型过程中，采用水平铺粉的方式。
[0062]本发明以3束辅助激光光束(但不限于3束)为例，来说明采用主激光光束和辅助激光光束13，形成主副激光熔覆加工和实现控温过程。主激光光束和辅助激光光束13的位置分布与金属粉末3融化后形成的熔池温度场叠加示意图如图3所示:在熔池边界线上取任意点M，点M处的温度场主要由各辅助激光光束13以及主激光光束的共同作用之下而形成。可以近似认为，通过对主激光光束和辅助激光光束13的功率、光斑直径和布置位置的调整，当熔池中心温度与边界上点M的温度近似相当时，可以达到降低温度梯度的预期目标，使得熔池等温面曲率半径偏转方向，与组织生长方向(z轴方向)夹角小于15度，S卩15°，如图4所不O
[0063]模拟实例
[0064]对本发明进行模拟与验证。
[0065]1.仅使用主激光光束进行加工，得到温度场如图5至图7所示:
[0066]2.采用主副激光光束熔覆加工，得到模拟温度场如图8至图10所示:
[0067]通过分析可以得到，在添加辅助激光光束后，温度场梯度得到了极大的改善。容易得到，当主激光光束周围的辅助激光光束13数量更多时，形成的温度场也会更加均匀，计算误差也会相应缩小，综合经济性考虑与工艺性要求可以对辅助激光光束13的数量进行调整。同样的，对于功率的选择可以选择采用正交实验的方法来确定，但是其变量太多，实际操作过程复杂，本发明通过模拟加工过程对得到的温度场进行分析来确定各激光光束的功率大小，综合成本与效率选择合适的功率与排布方式，操作简单，节省时间以及成本，利于形成定向晶组织。
[0068]本发明针对金属粉末熔化激光3D直接成形工艺过程，由于高温度梯度方向发散和温度梯度绝对值极大造成的金属结晶不稳定、不均匀的现象，提供了一种采用辅助控温光源3D直接成形定向凝固柱晶或单晶组织的装置和方法。通过采用多束大小功率激光束混合同步扫描方式，通过小功率辅助激光光束调整熔池温度梯度方向，改变熔池等温面曲率半径偏转方向，使其与组织生长方向(ζ轴方向)夹角小于15度，很好地形成定向凝固柱晶组织。在控制温度梯度方向同时，通过调整主辅加热激光光束功率、光斑直径和布置位置灯参数，可改变温度梯度大小，降低打印层温度梯度，确保金属晶体可以连续稳定的生长，控制定向凝固柱晶间距尺寸，得到性能优良的定向凝固柱晶或单晶组织，为激光3D直接成形定向晶金属零件提供了可行的方法。
[0069]本发明采用辅助控温光源的方式从而得到连续的柱晶或单晶组织的方法，对于一些关键零部件的制造具有重要意义。
【主权项】
1.采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置，其特征在于:包括依次光路连接的激光器、扩束镜、扫描器(6)和f-θ镜(7)，激光器发射的激光经过扩束镜和扫描器(6)，形成主激光光束以及分布在主激光光束四周的若干束辅助激光光束(13); f-θ镜(7)设置于成形室(8)的顶部，成形室(8)内填充有保护气体(9)，成形室(8)连接送粉系统且成形室(8)的底部连通成形缸(12)，成形缸(12)的底部设置进给装置(2)。2.根据权利要求1所述的采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置，其特征在于:送粉系统包括在成形室(8)的底部设置的铺粉刮板(11)，以及与成形室(8)底部连通且装有预成型的金属粉末(3)的料缸(I)，料缸(I)的底部也设置进给装置(2)。3.根据权利要求1所述的采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置，其特征在于:激光器包括一个主激光器(4)和若干个辅助激光器(14)，辅助激光器(14)的功率均小于主激光器(4)的功率;扩束镜包括位于主激光器(4)和扫描器(6)之间的第一扩束镜(5)，以及位于辅助激光器(14)和扫描器(6)之间的第二扩束镜(15)。4.根据权利要求1所述的采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的装置，其特征在于:辅助激光光束(13)为三束，且位于等腰三角形的三个角上，主激光光束位于该等腰三角形的底边中点处。5.利用权利要求1所述装置进行的采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的方法，其特征在于:包括以下步骤: a)通过送粉系统向成形缸(12)送入原料粉末； b)对待制造的零件建立三维实体模型，并对三维模型进行切片分层，得到各个截面的轮廓数据； c)根据待制造零件的三维实体模型，对主激光光束和辅助激光光束(13)的控温熔覆过程进行模拟，确定主激光光束和辅助激光光束(13)的功率、光斑直径和布置位置； d)根据确定的功率、光斑直径和布置位置，采用选区激光熔化法，成形出待制造的零件胚体； e)将零部件胚体进行后处理，得到定向晶零件。6.根据权利要求5所述的采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的方法，其特征在于:步骤a)中原料粉末是从金属粉末钨、钛、锆、铪、钒、铌、钽以及钼中任意选取五种或五种以上，以等摩尔混合均匀得到的。7.根据权利要求5所述的采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的方法，其特征在于:步骤c)中对主激光光束和辅助激光光束(13)的控温熔覆过程进行模拟的具体过程包括: 301、首先对待制造零件的三维实体模型进行网格的划分，并对网格进行修正； 302、设定主激光光束和辅助激光光束(13)的初始功率、初始光斑直径和初始布置位置，进行温度场的模拟； 303、对得到的温度场进行分析，测量温度场中的熔池等温面曲率半径偏转方向与组织生长方向的夹角α; 304、将α与设定值A进行比较，在α>Α时，调节辅助激光光束(13)的功率，重新进行温度场的模拟，直至α<Α。8.根据权利要求7所述的采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的方法，其特征在于:设定值A为15°。9.根据权利要求5所述的采用多束激光辅助控温3D打印定向晶零件的方法，其特征在于:步骤e)中后处理包括退火处理和精加工处理。
【文档编号】B22F3/105GK105834427SQ201610365623
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】张航, 李涤尘, 王旭
【申请人】西安交通大学