基于超声复合的SLM多尺度数字化组织结构定制方法

本发明涉及复合激光增材制造，尤其涉及一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法。

背景技术：

1、激光选区熔化(selective laser melting，slm)是激光增材制造中的一种主要技术途径。该技术以激光束作为主能量源，基于三维模型切片数据在粉末床的特定区域进行扫描，使金属粉末熔化并凝固成零件。

2、激光选区熔化为逐层累加成形，其成型系统在常规成形时，保护气氛会充满成形腔体，先由成形缸降低一个层厚，然后由铺粉车铺设一层粉末于粉末床，然后开启激光扫描系统，根据切片数据在粉末床指定区域内扫描，使粉末吸收能量熔化后凝固成零件，如此循环往复直至零件成形结束。

3、激光选区熔化技术具有成形精度高、成形质量好等优点，具备传统减材所不具备的复杂结构制造能力。然而，slm成形是一个快速熔化和凝固过程，其冷却凝固速度可达103-108℃/s，熔池表面中心和边缘之间存在巨大的温度梯度易使晶粒在熔池中容易沿温度梯度方向(倾向于<001>方向)生长为长柱状晶，引起微观组织和力学性能的各向异性。力学性能各个方向上的较大差异也限制了激光选区熔化零件的实际应用。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，包括以下步骤：

4、获取待加工的零件模型，根据零件模型设计符合细晶结构特点的三维细晶骨架结构；

5、将所述三维细晶骨架结构与所述零件模型进行布尔运算，得到成形基体结构；

6、将布尔运算后得到的成形基体结构和三维细晶骨架结构，在同一三轴坐标按实际相对位置分别进行切片，得到两个切片数据；

7、根据两个切片数据，将布尔运算后得到的成形基体结构或零件模型，和三维细晶骨架结构的原位复合，完成打印准备；

8、控制超声复合slm成形系统进行打印，直至打印完成。

9、进一步地，所述超声复合slm成形系统包括：

10、激光器，用于产生激光；

11、成型缸，内置成形平台，用于支撑粉末床和放置已成形的部分零件结构；

12、成形腔体，所述成形腔体内设有铺粉单元，所述铺粉单元用于将金属粉末铺到成型缸内的成形平台上形成粉末床；

13、超声装置，用于产生作用于熔池的超声波；其中，超声装置的开启或关闭根据三维细晶骨架结构的切片数据进行控制。

14、进一步地，所述超声装置与用于放置待加工件的基板连接，所述超声装置产生的超声波通过基板和零件，传递至熔池并产生作用。

15、进一步地，所述超声装置安装在所述成形腔体内，所述超声装置的超声振子具有超声聚焦和扫描运动功能，产生的超声波根据三维细晶骨架结构的切片数据按照预设的焦距、通过气体介质传递至熔池并产生作用。

16、进一步地，所述控制超声复合slm成形系统进行打印，包括：

17、当超声复合slm成形系统在扫描三维细晶骨架结构的切片轨迹时，打开超声装置并对熔池产生作用。

18、进一步地，所述根据两个切片数据，将布尔运算后得到的成形基体结构和三维细晶骨架结构的原位复合，包括：

19、将获得的切片数据分别导入到预设的打印控制软件中，通过设置切片数据中心位置在打印坐标系的位置坐标，使得成形基体结构和三维细晶骨架结构的原位复合。

20、进一步地，采用重熔法来实现三维细晶骨架结构的超声复合slm定制：

21、将零件模型和三维细晶骨架结构的切片数据同时导入到预设的打印控制软件，设置打印顺序为先扫描成形基体结构；由于零件模型和三维细晶骨架结构存在重叠部分，所以先扫描整体零件区域再扫描三维细晶骨架结构会在已成形的整体零件区域上进行三维细晶骨架结构切片区域的重熔，此时超声装置为开启状态，超声复合重熔实现特定区域的晶粒细化，实现三维细晶骨架结构的细晶定制。

22、进一步地，采用成形法来实现三维细晶骨架结构的超声复合slm定制：

23、在完成零件模型和三维细晶骨架结构模型的结构设计后，对两个模型进行排除布尔运算，得到一个镂空了三维细晶骨架结构的成形基体结构；

24、将镂空后的基体模型和三维细晶骨架结构模型切片后导入到预设的打印控制软件中，此时成形基体结构和三维细晶骨架结构不存在重叠部分；

25、设置打印顺序为先扫描镂空后的成形基体结构，此时镂空后的成形基体结构和三维细晶骨架结构将先后成形，激光扫描三维细晶骨架结构时，超声装置波开启，实现超声复合slm成形，在成形同时实现超声波复合晶粒细化结构的制备。

26、本发明的有益效果是：本发明利用超声形成特殊定制细化的亚晶及晶粒结构，实现晶粒、区域三维微结构、宏观晶体结构复合材料的多尺度数字化定制。利用不同区域晶粒结构的不同定制“晶体结构复合材料”，将“细晶骨架结构”引入到常规slm成形的材料基体内，实现细晶结构与基体结构的互补和关联获得极佳的综合性能。

技术特征：

1.一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，其特征在于，所述超声复合slm成形系统包括：

3.根据权利要求2所述的一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，其特征在于，所述超声装置与用于放置待加工件的基板连接，所述超声装置产生的超声波通过基板和零件，传递至熔池并产生作用。

4.根据权利要求2所述的一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，其特征在于，所述超声装置安装在所述成形腔体内，所述超声装置的超声振子具有超声聚焦和扫描运动功能，产生的超声波根据三维细晶骨架结构的切片数据按照预设的焦距、通过气体介质传递至熔池并产生作用。

5.根据权利要求2所述的一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，其特征在于，所述控制超声复合slm成形系统进行打印，包括：

6.根据权利要求1所述的一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，其特征在于，所述根据两个切片数据，将布尔运算后得到的成形基体结构和三维细晶骨架结构的原位复合，包括：

7.根据权利要求2所述的一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，其特征在于，采用重熔法来实现三维细晶骨架结构的超声复合slm定制：

8.根据权利要求2所述的一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，其特征在于，采用成形法来实现三维细晶骨架结构的超声复合slm定制：

技术总结
本发明公开了一种基于超声复合的SLM多尺度数字化组织结构定制方法，属于复合激光增材制造技术领域。方法包括：根据零件模型设计符合细晶结构特点的三维细晶骨架结构；将三维细晶骨架结构与所述零件模型进行布尔运算，得到成形基体结构；将布尔运算后得到的成形基体结构和三维细晶骨架结构，在同一三轴坐标按实际相对位置分别进行切片，得到两个切片数据；根据两个切片数据，将布尔运算后得到的成形基体结构或零件模型，和三维细晶骨架结构的原位复合，完成打印准备；控制超声复合SLM成形系统进行打印，直至打印完成。本发明利用超声形成特殊定制细化的亚晶及晶粒结构，实现晶粒、区域三维微结构、宏观晶体结构复合材料的多尺度数字化定制。

技术研发人员：宋长辉,严仲伟,杨永强,维亚切斯拉夫·特罗菲莫夫,王孟,邰志恒,郑博源,王岩
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15