一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法及装置与流程

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法。本发明还涉及一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造装置。

背景技术：

3D打印技术是“增材制造”的主要实现形式，区别于传统的“去除”制造，不需要原胚和模具，直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体。金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

目前可用于直接制造金属功能结构件的3D打印方法主要有：选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、激光净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)和电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)。其中LENS法是在激光熔覆技术(Laser Cladding)的基础上发展起来的一种金属零件3D打印技术，采用中、大功率激光熔化同步供给的金属粉末，按照预设轨迹逐层沉积在基板上，最终形成金属零件。

然而，金属3D打印技术高昂的设备和制造成本限制了它的推广和应用，而且3D打印设备成形的零件尺寸范围有限，较难实现航空大型整体构件的增材制造。更为重要的是，金属3D打印技术存在如下缺点：由于内部缺陷而造成机械性能不足，内部缺陷包括气孔、未熔合和缩松等。气孔是由于粉末吸附空气或者粉末包裹气体在熔池凝固过程中未能及时逸出，留在凝固组织内所形成的气孔。未融合是由于3D打印成形过程中工艺参数设置不合理，各熔覆层之间未形成致密冶金而产生的融合不良缺陷。气孔和未熔合缺陷是承力结构件致命的疲劳萌生源，导致金属3D打印零件可靠性存在隐患。

因此，如何在通过金属3D打印技术生产制造金属零件时，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激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法，能够尽量避免气孔、未融合和缩松问题，提高金属零件的机械性能和疲劳强度。本发明的另一目的是提供一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法，包括：

按照预设的3D打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合，并形成工件的熔覆层；

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；

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打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合之前，还包括：

根据工件模型生成3D打印填充扫描路径。

优选地，根据工件模型生成3D打印填充扫描路径，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，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。

优选地，按照所述3D打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合时，在所述金属粉末中输送用于防止其氧化的惰性气体。

优选地，按照所述3D打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合时，控制所述金属粉末的使用量，以使形成的熔覆层的厚度占工件高度的1％～2％。

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。

本发明还提供一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造装置，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将金属粉末喷出以使热源将其熔合并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、用于在金属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，以及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。

优选地，还包括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。

本发明所提供的激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法，主要包括三个步骤，分别为：按照预设的3D打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合，并形成工件的熔覆层；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；逐层堆叠各层所述熔覆层，并形成工件。本发明所提供的激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法，在第一步中，热源按照预设路径对金属粉末进行熔合，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。在第二步中，当熔覆层形成时，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。在第三步中，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，本发明所提供的激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法，在热源熔化金属粉末形成熔覆层后，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。

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，金属粉末—14，熔池—15，熔覆层—16。

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，激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法主要包括三个步骤，分别为：按照预设的3D打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合，并形成工件的熔覆层；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；逐层堆叠各层所述熔覆层，并形成工件。

其中，在第一步中，热源需要按照预设路径对金属粉末进行熔合，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。

显然，该熔覆层具有一定厚度。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。

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，在进行热源对金属粉末的熔合之前，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。

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。

在第二步中，当熔覆层形成时，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。具体的，在本步骤中，激光冲击处理可集中在熔覆层上最适合塑性变形的温度区域，即熔覆层上相对温度较高的区域。

在此过程中，考虑到金属粉末的温度较高，为避免空气中的氧气对金属粉末造成氧化效果，本实施例在金属粉末中输送惰性气体，比如氦气等。

在第三步中，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，本实施例所提供的激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法，在热源熔化金属粉末形成熔覆层后，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。

另外，考虑到金属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，主要用于将金属粉末14喷出，并使热源喷嘴2喷出的热量将金属粉末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金属粉末14，如此金属粉末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，通过管道将金属粉末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金属粉末14的流量。

另外，考虑到金属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，并与金属粉末混合同时从送粉喷嘴3中喷出，如此由于惰性气体的存在，有效避免了金属粉末被氧化的问题。

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。

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。