一种激光增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置与方法

1.本发明属于增材制造技术领域，主要是针对激光增材制造梯度材料领域，具体涉及一种增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置及方法。


背景技术：

2.功能梯度材料(fgm)是两种或多种材料复合，成分和结构呈梯度变化的一种新型复合材料，其内部没有明显的界面，材料的成分、组织性能呈梯度变化。通常应用于压强、温度和腐蚀性等服役环境随位置变化的极端工况，诸如航空航天、核电和海洋工程等领域。激光熔化沉积(lmd)是一种典型的增材制造技术，与传统的成形工艺相比，具有加工周期短、设计灵活、成形件尺寸精度高、绿色环保等一系列特点。采用激光同轴送粉系统更适合制备成分比例连续变化的梯度材料，可以通过调整粉末的输送量和输送比例使两种材料含量实现层与层之间连续变化，成分设计更加灵活，过渡更加均匀。
3.与制备一种合金材料相比，利用激光熔化沉积技术制备梯度材料的难度更高，随着材料以及成分的梯度变化，经常产生熔化不均匀现象或者气孔和裂纹等缺陷，这是不同材料的物理性质例如密度、热膨胀系数、熔点以及激光的吸收率等各不相同导致的，因此要求在实际操作中成分设计更加合理，工艺参数的选择更加精确。实际的增材过程是在密闭腔体中进行的，因而无法实时获取增材过程中缺陷的产生情况及时对工艺参数作出调整。除此之外，不同成分梯度沉积层的不断增加，使工件产生极大的残余热应力。
4.因此，本发明搭建了一种增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置与方法，通过超声波监测反馈装置对凝固成型的沉积层质量进行实时监测，并将沉积层质量的数据(缺陷的类型、位置、大小和数量)反馈给计算机控制平台，控制激光熔覆平台的工作过程，对工艺参数进行实时的调控和优化，同时在超声波的作用下，可以消除沉积过程中工件的部分残余热应力，最终得到成型质量较好的功能梯度材料工件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供了一种增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置与方法，有效地解决因无法实时监测与反馈激光增材制造梯度材料沉积层质量，对缺陷进行有效地诊断而导致最后工件成型质量差的问题，同时超声波可以消除沉积过程中工件的部分残余热应力，进一步提高工件质量。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.一方面，公开提供了一种增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置，主要包括激光熔覆平台、超声波监测反馈装置、计算机控制平台。
8.具体地，激光熔覆平台由激光器、激光熔覆头、激光水冷却机、气流式双料斗送粉器及氩气瓶构成，用于增材制造梯度材料；
9.具体地，超声波监测反馈装置包括超声波探伤仪，超声波探头。在超声波探伤仪的
激励下，超声波探头发射超声波信号，实时检测沉积层的质量。若沉积层中出现缺陷，则超声波信号会发生反射，并通过换能器将超声波信号转换为电信号，超声波探伤仪对接收到的回波电信号进行放大处理，不同性质的回波电信号对应沉积层不同的缺陷，将电信号反馈给计算机控制平台进行显示与分析。其中超声波探头通过螺栓连接固定在激光熔覆头上并置于其后方，从而可以实现梯度材料激光熔化沉积过程中沉积层质量的实时监测反馈。同时，超声波还可以消除沉积过程中工件的部分残余热应力。
10.具体地，计算机控制平台用于接收超声监测反馈装置所实时监测的沉积层质量数据，所反馈的沉积层质量数据主要包括激光熔化沉积过程中沉积层中产生的缺陷的类型(气孔、裂纹、上凸、夹杂、下塌等)、位置、大小和数量等。通过计算机控制平台中的响应统计学模型，实现对沉积层中缺陷的具体类型、位置、大小和数量进行有效地诊断，并根据响应统计学模型对工艺参数进行相应的调整优化，继续进行激光熔化沉积过程；
11.具体地，通过设计梯度材料单道单层、单道多层的正交实验，确定合理的成分梯度间隔、梯度范围以及合适的激光功率p(w)、扫描速度v(mm/s)和送粉速度v(g/min)等工艺参数。在此基础上，采用预设干扰因素人为制造缺陷(气孔、裂纹、上凸、夹杂、下塌等)，对激光功率p(w)、扫描速度v(mm/s)、离焦量f(mm)等参量设计对应的激光熔化沉积缺陷实验。通过超声波监测反馈装置采集正交实验和缺陷实验过程中的回波电信号，得到激光熔化沉积过程中对应的沉积层质量数据并反馈给计算机控制平台，计算机控制平台接收沉积层质量数据，对其进行分析、存储与显示。运用统计学的方法分析计算机控制平台所接收的电信号与对应工艺参数下激光增材制造梯度材料成型质量(缺陷类型、位置、大小和数量)的相关性，建立工艺参数与激光熔化沉积梯度材料成型质量的相关性数据库，从而构建实时监测反馈的电信号与不同工艺参数下激光熔化沉积梯度沉积层成型质量之间的响应统计学模型。
12.另一方面，公开提供了一种增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的方法，其具体操作步骤如下：
13.(1)将基板固定在工作台上，向密闭腔体中通入氩气，保证密闭腔体处于真空状态，对基板进行预热，进行梯度材料的激光增材制造过程；
14.(2)在气流式双料斗的两料斗内分别放置不同成分的粉末，沉积过程中通过改变两粉盘的转速来实现沉积层成分的梯度变化；
15.(3)增材制造梯度材料沉积层质量实时监测反馈：在激光增材制造过程中，置于激光熔覆头后方的超声波探头在超声波探伤仪的激励下发射超声波信号，可以对已经凝固成型的沉积层质量进行实时监测，通过换能器将反射回来的超声波信号转换为电信号，超声波探伤仪对接收到的回波电信号进行放大处理，并将沉积层质量数据反馈给计算机控制平台，所反馈的沉积层质量数据主要包括激光熔化沉积过程中沉积层中产生的缺陷的类型(气孔、裂纹、上凸、夹杂、下塌等)、位置、大小和数量等；
16.(4)沉积层质量数据信息分析与成型质量优化：依据工艺参数与激光熔化沉积梯度材料成型质量的相关性数据库，建立实时监测反馈的电信号与不同工艺参数下激光熔化沉积梯度沉积层成型质量之间的响应统计学模型，通过响应统计学模型对反馈的沉积层质量信息进行诊断，当沉积层中未出现熔化不均匀现象或者大尺寸气孔和裂纹等缺陷，此时判定沉积层质量合格，计算机控制平台向激光熔覆平台下达指令，可以继续激光增材制造梯度材料过程。若沉积层中出现缺陷时，则判定沉积层质量不合格，向激光熔覆平台发出指
令，停止激光增材制造梯度材料过程，通过计算机控制平台判断缺陷的类型(气孔、裂纹、上凸、夹杂、下塌等)、位置、大小和数量，根据响应统计学模型对工艺参数进行相应的调整优化，继续进行激光熔化沉积过程。
17.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
18.1.本发明公开的一种增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置与方法，将超声波探头安装于激光熔覆头后方，可以实时的对激光熔化沉积过程的沉积层质量进行实时和动态的监测，并能将实时数据进行及时地反馈到计算机控制平台，同时超声波可以消除沉积过程中工件的部分残余热应力。
19.2.本发明公开的一种增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置与方法，通过超声波监测装置对不同成分的功能梯度沉积层进行成型质量的实时监测，并将数据反馈给计算机控制平台进行储存于计算分析，依据激光增材制造过程中，实时监测反馈的电信号与不同工艺参数下激光熔化沉积梯度沉积层成型质量之间的响应统计学模型，对激光熔化沉积梯度材料过程的缺陷进行及时有效地诊断，进行工艺参数实时精准调控与优化，提高工件成型质量。
附图说明
20.图1为本发明中增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置示意图；
21.图2为本发明中激光增材制造钛基陶瓷功能梯度材料缺陷实时监测与反馈的方法流程图；
22.图中：1激光器；2激光熔覆头；3激光水冷却机；4氩气瓶；5气流式双料斗送粉器；6计算机控制平台；7超声波探伤仪；8超声波探头；9超声波探头保护罩；10工件；11基板；12工作台；13不同成分粉末。
具体实施方式
23.为了更了解本发明的技术内容，使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述说明，以激光增材制造梯度材料为例，给出具体的实施方式。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
24.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示
第一特征水平高度小于第二特征。
26.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
27.参考图1，本发明提供的一种激光增材制造梯度材料缺陷实时监测与反馈的装置具体包括激光器1、激光熔覆头2、激光水冷却机3、气流式双料斗送粉器5、氩气瓶4、工作台12、基板11、工件10、超声波探伤仪7、超声波探头8、超声波探头保护罩9、计算机控制平台6。
28.具体地，对激光增材制造要用到的不同成分末分别进行球磨后，在真空干燥箱中进行烘干，在气流式双料斗送粉器5的两料斗内分别放置烘干后的不同成分的粉末13，通过编写气流式双料斗送粉器5的程序调节两个粉盘的转速，实时改变两粉盘的转速来实现沉积层成分的梯度变化。
29.具体地，将超声波探头8固定于激光熔覆头2后方，超声波探头保护罩9可以对激光增材制造过程中的飞溅物进行遮挡，防止对超声波探头8造成损伤，对基板11表面进行打磨处理，用酒精清洗并吹干，将基板11进行预热后，水平放置于工作台12上，通过氩气瓶4在密闭腔体通入高纯度的氩气，排除腔体中的空气，营造真空的环境，避免氧化增材制造的梯度材料。
30.具体地，编写激光熔覆头的扫描路径数控程序，设定沉积过程的工艺参数，包括激光功率p(w)、扫描速度v(mm/s)、送粉速度v(g/min)、离焦量f(mm)、光斑直径ф(mm)、层间抬升量δ(mm)、层间冷却时间t(s)等。
31.具体地，开启激光器1与激光水冷却机3，由激光器1发射激光，气流式双料斗送粉器5将待熔粉末送入激光熔覆头2之后在基板11上进行梯度材料的激光熔化沉积得到工件10。
32.具体地，在激光增材制造梯度材料时，固定在激光熔覆头2后方的超声波探头8，能够及时地对已经凝固成型的沉积层质量进行实时监测，并将反射回的超声波信号通过换能器转换为电信号，电信号传送至超声波探伤仪7进行放大，并实时反馈给计算机控制平台进行数据储存与计算分析，监测的同时，超声波探头8产生的超声波可以消除沉积过程中工件10部分的残余热应力。
33.具体地，计算机控制平台6内的响应统计学模型根据反馈的沉积层质量数据对缺陷及时有效地诊断，进行工艺参数的实时调整与优化，减少沉积过程中缺陷的产生，提高沉积层质量。
34.具体地，激光增材制造完成后，依次关闭激光器1，激光水冷却机3、气流式双料斗送粉器5、超声波探伤仪7，氩气瓶4待工件冷却一段时间后关闭，防止工件10表面发生氧化，提高工件10成型质量。
35.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。