激光增材制造成形系统、激光增材制造成形性的调控方法

摘要

本发明公开一种激光增材制造成形系统、激光增材制造成形性的调控方法，系统包括激光增材制造设备，包括：激光器、原位磁场发生器、原位磁场控制系统、电源，原位磁场发生器包括多个非线性磁场发生单元，每一非线性磁场发生单元包括磁感应线圈；计算机设计软件，用于建立三维实体几何模型并获取激光增材制造加工工序且导入至激光增材制造设备；原位磁场发生器、原位磁场控制系统与电源形成闭环，原位磁场发生器用于产生原位磁场以作用于内设的粉体，激光器用于产生激光以对粉体激光扫描，原位磁场控制系统用于控制电源产生电流以激活或关闭一或多个非线性磁场发生单元，用于控制粉体成形为试样过程中激光扫描的不同成形位置上的磁感应强度相同。

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是一种激光增材制造成形系统、激光增材制造成形性的调控方法。

背景技术

铝合金广泛运用在航空航天、船舶、化工及金属外包装等行业，铝合金早在20世纪10年代末期就已应用于飞机制业，因其具有固溶处理后塑性好、热处理强化效果好、高比刚度、耐蚀性能好及优异低温强度等特点，至今仍在航空工业上得到广泛应用。但传统工艺制造铝合金构件的工艺不仅材料损耗严重，制造周期长，成本高，且在制造复杂零件时，时常需要焊接等其他工艺才能完成。因此，一种高精度、低材料消耗率的“增材”加工工艺是当今制造业急需的追求。

激光增材制造技术是一项利用高能激光束为热源、粉末逐层堆积、激光快速熔凝成形三维立体构件的增材制造技术，该技术在增加材料利用率、制造复杂结构、减少成本方面具有显著优势。激光增材制造技术制造复杂形状金属零件比其它传统制造技术具备更高的尺寸精度，在复杂结构和薄壁构件成形中具有独特优势，节省了模具设计与生产时间，但是，部分高强度铝合金因其高导热系数、高激光反射率以及低熔体流动性等固有特性，导致铝合金具有高裂纹敏感性，使激光增材制造的加工过程中易产生裂纹孔隙等缺陷。

发明内容

发明目的：提供一种激光增材制造成形系统、激光增材制造成形性的调控方法，用于解决粉体在激光增材制造成形过程中成形为试样存在的粗大柱状晶、易产生裂纹孔洞问题。

技术方案：本发明提供一种激光增材制造成形系统，包括：激光增材制造设备，包括：激光器、原位磁场发生器、原位磁场控制系统、电源，原位磁场发生器包括顶盖、多个非线性磁场发生单元，每一非线性磁场发生单元均设有磁感应线圈；计算机设计软件，用于建立试样的三维实体几何模型，用于获取激光增材制造的加工工序并导入至激光增材制造设备中；其中，原位磁场发生器、原位磁场控制系统与电源形成闭环，顶盖上放置有粉体，原位磁场发生器用于产生原位磁场并作用于粉体，激光器用于产生激光以对粉体进行激光扫描，原位磁场控制系统用于控制电源产生电流以激活或关闭激光位置周围的一个或多个非线性磁场发生单元，并用于控制非线性磁场发生单元的磁感应强度的大小，以使粉体按照加工工序成形为试样过程中的激光扫描路径处于磁场范围内，且激光扫描的不同成形位置上的磁感应强度相同。

进一步的，原位磁场发生器处于氧含量低于50ppm的惰性气体环境中，设每一磁场发生单元的磁感应线圈外圈半径r

进一步的，激光在不同试样成形高度h下所受的磁感应强度B相同；非线性磁场发生单元的电流I为0～5A，非线性磁场发生单元的磁感应强度B为0～1T。

进一步的，原位磁场控制系统包括：相串联的电流控制系统、信息反馈系统、热源追踪系统，电流控制系统与电源相连接，原位磁场发生器分别与电源、热源追踪系统相连接；热源追踪系统用于对激光的热源进行追踪以确定激光位置，并将激光位置传输至信息反馈系统；信息反馈系统用于确认该激光位置周围的一个或多个非线性磁场发生单元，并反馈至电流控制系统；电流控制系统用于控制电源向已确认的非线性磁场发生单元传输电流以产生磁场。

进一步的，原位磁场控制系统还包括：磁场监控系统，分别与电流控制系统、原位磁场发生器、热源追踪系统相连接；磁场监控系统用于监控激光位置的磁感应强度，并将磁感应强度信息传输至电流控制系统；当磁感应强度小于设定值，电流控制系统控制电源加大电流以提高该区域磁感应强度，当磁感应强度大于设定值，电流控制系统控制电源降低电流以降低该区域磁感应强度。

本发明所述的激光增材制造成形系统，利用原位磁场发生器、原位磁场调控系统及电源构成闭环，利用原位磁场发生器使粉体按照加工工序成形为试样过程中均在可控磁场范围内进行；原位磁场控制系统中设有磁场监控系统、信号反馈系统、电流控制系统，通过控制电源输出电流，控制粉体在熔化凝固区域的原位磁感应强度，保证激光增材制造试样在不同空间位置所受磁感应强度均相同，以使激光增材制造成形试样为显微组织均匀、致密度高的试样三维实体；本发明可有效减少激光增材制造高裂纹敏感性铝合金试样中缺陷数量，细化显微组织状态并提升成形效果和力学性能。

本发明还提供一种激光增材制造成形性的调控方法，包括以下步骤：

S1：将粉体在烘干箱中进行烘干处理；

S2：提供一激光增材制造成型设备，包括激光器、原位磁场发生器、原位磁场调控系统、电源；原位磁场发生器包括顶盖、多个非线性磁场发生单元，每一非线性磁场发生单元均设有磁感应线圈；

S3：建立试样的三维实体几何模型并获得激光增材制造的加工工序，且将加工工序导入激光增材制造设备中；

S4：将干燥后的粉体设于顶盖上，设定原位磁场发生器的磁感应强度，启动原位磁场调控系统以使粉体按照加工工序成形为试样过程中激光扫描路径处于磁场范围内，且激光扫描的不同成形位置的磁感应强度相同；

S5：对试样进行后处理。

进一步的，步骤S1中的粉体为包含有铝、锌、镁、铜、铬的铝合金混合物粉末，其中，锌的含量为5.6wt.％，镁的含量为2.5wt.％，铜的含量为1.6wt.％，铬的含量为0.30wt.％；铝合金混合物粉末的粒径范围为20μm～63μm。

进一步的，步骤S3中规划激光扫描路径的步骤中，设定激光工艺参数为：激光功率为375～425W，扫描速度为800～1200mm/s，扫描间距为60μm，粉体层厚为30μm，采用岛状扫描策略，岛大小为4.8mm，相邻层之间激光填充方向旋转为37°。

进一步的，步骤S4中在试样成形前，还包括使原位磁场发生器处于氧含量低于50ppm的惰性气体环境中的步骤；非线性磁场发生单元的电流为0～5A，设定的非线性磁场发生单元的磁感应强度B为0～1T。

进一步的，步骤S4中试样成形后且顶盖冷却后，将顶盖拆卸，利用线切割技术分离试样与顶盖，以获得试样；试样的后处理包括对试样进行打磨、抛光、腐蚀的操作。

有益效果：该激光增材制造成形性的调控方法，通过加入原位磁场发生器、原位磁场调控系统及电源以构成闭环系统，利用原位磁场控制系统控制原位磁场发生装置，原位磁场控制系统中设有磁场监控系统、信号反馈系统、电流控制系统，通过控制电源输出电流，保证粉体按照加工工序成形为试样的激光增材制造成形过程中不同成形位置的磁感应强度保持不变，以使粉体经过激光增材制造成形为显微组织均匀、致密度高的试样三维实体；本发明可有效减少激光增材制造高裂纹敏感性铝合金试样中缺陷数量，细化显微组织状态并提升成形效果和力学性能。

附图说明

图1a为本发明利用激光增材制造成形系统的结构示意图；

图1b为原位磁场发生器的装配示意图；

图2为本发明原位磁场发生器、原位磁场调控系统及电源构成闭环的示意图；

图3为阵列分布的非线性磁场发生单元的运行示意图；

图4为单个非线性磁场发生单元的磁感应强度分布；

图5为实施例1中制备的利用外加静电磁场处理的晶粒细化铝合金块体试样纵截面光学图像；

图6为对比例1中制备的利用外加静电磁场处理的晶粒细化铝合金块体试样纵截面光学图像；

图7为对比例2制备的激光粉末床熔化铝合金试样的纵截面光学图像；

图8为实施例1与对比例1、对比例2三组铝合金显微硬度对比图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明提供的技术方案做详细说明。

如图1至图8所示，本发明提供的激光增材制造成形系统，包括：激光增材制造设备、计算机设计软件；激光增材制造设备包括激光器1、原位磁场发生器5、原位磁场控制系统6、电源7，所述原位磁场发生器5包括顶盖9、非线性磁场发生单元阵列11，顶盖9上设有粉体3，非线性磁场发生单元阵列11包括多个非线性磁场发生单元110，非线性磁场发生单元110均包括磁感应线圈；原位磁场控制系统6包括：电流控制系统13、信息反馈系统14、热源追踪系统15、磁场监控系统16。

所述激光增材制造设备是基于SLM-150设备进行改进，利用原位磁场发生器5替代现有激光增材制造设备的常规基板，所述激光增材制造设备中还包括激光粉末床4、成形室、成形缸、粉料缸、自动铺粉系统、保护气氛装置、计算机控制电路系统、冷却循环系统。其中自动铺粉系统包括铺粉装置8，粉体3位于粉末床4内，铺粉装置8用于将粉体3铺平，激光器1优选为YLR-500型光纤激光器用于产生激光2以对粉体3进行激光扫描。

在本申请中，粉体3为干燥的铝合金粉末，该铝合金粉末是通过烘干箱进行烘干处理得到的，成形的金属粉末试样即为铝合金试样；该铝合金粉末为铝、锌、镁、铜、铬的混合物，其中，锌的含量为5.6wt.％，镁的含量为2.5wt.％，铜的含量为1.6wt.％，铬的含量为0.30wt.％；铝合金粉末的粒径范围为20μm～63μm。

在本申请中，该原位磁场发生器5固定设于成形区域的成形缸内，使得试样在顶盖9上成形；选取原位磁场发生器5的外形尺寸为：长度150mm，宽度150mm，高度4mm，如图2所示，所述原位磁场发生器5还包括磁场屏蔽底板10，并用4个螺丝12将顶盖9与磁场屏蔽底板10安装在一起，非线性磁场发生单元阵列11位于顶盖9与磁场屏蔽底板10之间，其中顶盖9为铝合金顶盖，磁场屏蔽底板10为镍基磁场屏蔽底板，非线性磁场发生单元110内的磁感应线圈为可控磁感应线圈以满足非线性需求。

计算机设计软件包括计算机辅助设计软件、Materialise Magics软件，计算机辅助设计软件用于建立试样的三维实体几何模型，Materialise Magics软件用于获得该三维实体几何模型的激光增材制造的加工工序，并将加工工序导入所述激光增材制造设备中。

原位磁场发生器5、原位磁场控制系统6与电源7形成闭环，原位磁场发生器5用于产生竖直方向原位磁场并作用于粉体3，电源7为直流电源，原位磁场控制系统6用于控制电源7产生的电流以激活或关闭激光位置附近的一个或多个非线性磁场发生单元110，并用于控制非线性磁场发生单元110的磁感应强度的大小，以使激光扫描路径始终处于磁场范围内且激光扫描的不同成形位置即不同水平位置和垂直位置上的磁感应强度相同，以使粉体3成形为试样。激光增材制造成形的试样为显微组织均匀、致密度高的三维实体铝合金试样。

通过密封装置将所述激光增材制造设备的成形缸密封并抽真空且通入惰性气体以使成型腔内的氧含量低于50ppm，以使得原位磁场发生器5处于惰性气体环境中。

设每个非线性磁场发生单元110的磁感应线圈的外圈半径r

非线性磁场发生单元110具有磁感应线圈，以一组磁感应线圈中心为原点，通入电流I，空间中任意点坐标(x,y,h)，在该点产生的磁感应强度为Bx，By，Bz，试样成形高度h，惰性气体环境磁导率为μ

如图3所示，图3为阵列分布的非线性磁场发生单元的运行示意图，图4为单个非线性磁场发生单元110的磁感应强度分布；方形单元110a表示已激活的非线性磁场发生单元110，方形单元110b表示未激活非线性磁场发生单元110，箭头表示激光扫描方向，圆形区域110c表示激光光斑区域。在本申请中，需使激光在不同试样成形高度h下所受的磁感应强度B相同；只需通过控制磁感应线圈的电流I在0～5A，便可控制该位置的磁感应强度B在0～1T。

所述原位磁场发生器5使粉体3在熔化凝固过程均在可控磁场范围内进行；且经上述设计磁感应强度B与试样成形高度h平方呈反比状态，应避免成形试样过高以保证熔池受到完全处于设定磁感应强度条件下，进而保证加工铝合金试样具有良好的成形性能和力学性能。

所述原位磁场控制系统6的所述电流控制系统13、信号反馈系统14、热源追踪系统15相串联，且磁场监控系统16分别与电流控制系统13、原位磁场发生器5、热源追踪系统15相连接；电流控制系统13与电源7相连，原位磁场发生装置5与热源追踪系统15、磁场监控系统16分别相连，且原位磁场发生装置5与电源7相连，从而原位磁场发生装置5、原位磁场控制系统6与电源7组成闭环系统。

所述热源追踪系统15用于对激光2的热源进行追踪以确定激光2扫描的位置，并将激光位置传输至信息反馈系统14；所述信息反馈系统14用于确认该激光位置附近的一个或多个非线性磁场发生单元110，并将非线性磁场发生单元110的信息反馈至电流控制系统13；所述电流控制系统13用于控制电源7向已确认的非线性磁场发生单元110传输电流以产生磁场。随着激光2的移动，原位磁场控制系统6用于激活或关闭该激光扫描位置附近一个或多个非线性磁场发生单元110，以保证激光扫描路径始终处于磁场范围内。

所述磁场监控系统16用于监控空间区域内激光位置的磁感应强度，并将磁感应强度信息传输至电流控制系统13；当磁感应强度小于设定值，电流控制系统13控制电源7加大电流以提高该区域磁感应强度，当磁感应强度大于设定值，电流控制系统13控制电源7降低电流以降低该区域磁感应强度。从而利用所述原位磁场控制系统6实现控制粉体3在熔化凝固区域的原位磁感应强度。

在激光增材制造成形过程中，激光功率为375～425W，激光扫描速度为800～1200mm/s，扫描间距为60μm，铺粉厚度为30μm，采用岛状扫描策略，岛尺寸为4.8μm。利用原位磁场调控系统6调控磁感应强度范围为0～1T，使激光增材制造成形的试样为显微组织均匀、致密度高的三维实体铝合金试样。

本发明所述的激光增材制造成形系统，利用原位磁场发生器5、原位磁场调控系统6及电源7构成闭环，利用原位磁场发生器5使粉体3在熔化凝固过程均在可控磁场范围内进行；原位磁场控制系统6中设有磁场监控系统16、信号反馈系统14、电流控制系统13，通过控制电源7输出电流，控制粉体3在熔化凝固区域的原位磁感应强度，利用原位磁场控制系统6控制原位磁场发生器5，保证激光增材制造试样在不同空间位置所受磁感应强度均相同，即在激光增材制造成型过程中每一处不同位置的磁感应强度保持不变，可有效减少激光增材制造高裂纹敏感性铝合金中缺陷数量，细化显微组织状态并提升成形效果和力学性能，以使激光增材制造成形铝合金试样为显微组织均匀、致密度高的三维实体试样。利用原位磁场发生器5实现智能调节功能，使激光在不同试样成形高度h下熔体所受的磁感应强度相同，通过加入原位磁场发生器5产生磁场，一方面降低了熔池马兰戈尼流流速，使其趋于平稳，另一方面，磁场作用于柱状枝晶将其打碎，使其发生柱状晶向等轴晶转变，避免了高裂纹敏感性铝合金试样在成形过程中极易产生孔隙裂纹等缺陷等问题，实现了晶粒等轴化、无裂纹、成形度高的高强锻造铝合金的激光粉末床熔化成形，极大提升了铝合金对激光增材制造工艺适应性。显著提高了成形效果和力学性能。

在本申请一个实施例1中，本发明还提供一种激光增材制造成形性的调控方法，包括以下步骤：

S1：将粉体3在烘干箱中进行烘干处理；

在本步骤S1中的粉体3为铝合金粉末，铝合金粉末为铝、锌、镁、铜、铬的混合物，其中，锌的含量为5.6wt.％，镁的含量为2.5wt.％，铜的含量为1.6wt.％，铬的含量为0.30wt.％；铝合金粉末的粒径范围为20μm～63μm。

在本步骤S1中，在烘干箱中以80℃烘干8h，使粉体3保持干燥。

S2：提供一激光增材制造设备，包括激光器1、原位磁场发生器5、原位磁场调控系统6、电源7；原位磁场发生器5包括顶盖9、多个非线性磁场发生单元110，每一非线性磁场发生单元110均包括磁感应线圈；将粉体3铺设于顶盖9上；

S3：利用计算机设计软件建立试样的三维实体几何模型，获取该三维实体几何模型的加工工序并将加工工序导入激光增材制造设备中；

步骤S3中规划激光的扫描路径的步骤中，设定激光工艺参数如下：激光功率为375～425W，扫描速度为800～1200mm/s，扫描间距为60μm，铺粉层厚为30μm，采用岛状扫描策略，岛大小为4.8mm；优选为，激光功率为425W，扫描速度为800mm/s，扫描间距为60μm，铺粉层厚为30μm，采用岛状扫描策略，岛大小为4.8mm，相邻层之间激光填充方向旋转为37°。

S4：将干燥后的粉体3置于激光增材制造设备中，设定原位磁场发生器5的磁感应强度，启动原位磁场调控系统6以使粉体3成形为试样过程中的不同成形位置的磁感应强度相同；

在本步骤S4中在试样成形之前，通过密封装置将激光增材制造设备的成型缸进行密封并抽真空后通入惰性气体，使成型腔内的氧含量低于50ppm；其中通入的惰性气体为高纯氩气用作保护气氛。

在本步骤S4中，设每个非线性磁场发生单元110的磁感应线圈的外圈半径r

非线性磁场发生单元110具有磁感应线圈，以一组磁感应线圈中心为原点，通入电流I，空间中任意点坐标(x,y,h)，在该点产生的磁感应强度为Bx，By，Bz，试样成形高度h，惰性气体环境磁导率为μ

使激光在不同试样成形高度h下所受的磁感应强度B相同；通过控制磁感应线圈的电流I在0～5A，以控制该位置的磁感应强度B在0～1T。进一步地，由于试样的成形过程中最适的激光增材制造的磁感应强度为0.5T～0.7T，从而设定该位置的磁感应强度B在0.5～0.7T，以使激光增材制造成形显微组织均匀、致密度高的三维实体试样。

在本步骤S4中，在一优选实施例1中，设置磁感应强度为0.7T。在另一优选实施例2中，设置磁感应强度为0.5T。

在本步骤S4中，由于磁感应强度B与试样成形高度h平方呈反比状态，应避免试样成形高度h过高以保证熔池受到完全处于设定磁感应强度条件下，进而保证加工铝合金试样具有良好的成形性能和力学性能。

S5：对试样进行后处理。

在本步骤S4中，试样成形后且待顶盖9冷却后，将原位磁场发生器5的顶盖9拆卸，利用线切割技术分离试样与顶盖9，以获得试样；试样为晶粒等轴化、成形度高，缺陷少的铝合金试样；按照标准金相试样制备方法对成形好的铝合金块体试样打磨、抛光、腐蚀，在光镜下观察如图5所示。

对比实施例1与实施例2，在最优磁感应强度范围作用下，对晶粒细化效果以及缺陷抑制效果相近。

在现有对比例1中，对比例1基本步骤与本申请实施例相同，唯一不同的是不启动原位磁场调控系统6，直接对干燥好的粉末进行激光增材制造制备，对比例1制备试样后，按照标准金相试样制备方法对铝合金试样打磨、抛光、腐蚀，在光镜下观察块体试样纵截面如图6所示。对比例1中，在未施加磁场的作用下，可发现试样内部存在大量裂纹及孔隙，且显微组织展现为粗大柱状晶。对比实施例1与对比例1的所制得试样纵截面光学显微照片可发现，在原位磁场作用下进行激光增材制造成形可显著减少缺陷的数量，且图8中实施例1的力学性能得到显著提升。

在现有对比例2中，对比例2基本步骤与与本申请实施例相同，唯一不同的是对比例2将磁感应强度设为1T，而本申请实施例将磁感应强度设为0.7T，随后对干燥好的粉末进行激光增材制造制备，对比例2制备试样后，按照标准金相试样制备方法对铝合金试样打磨、抛光，在光镜下观察块体试样纵截面如图7所示。对比实施例1与对比例2的所制得试样纵截面光学显微照片可发现，在对比例2中，磁场感应强度增强，超过最优范围，发现试样成形质量得到了改善，但图8中力学性能没有达到实施例1的水平。

本发明提供的所述激光增材制造成形性的调控方法，利用原位磁场发生器5、原位磁场调控系统6及电源7构成闭环，利用原位磁场发生器5使粉体3熔化凝固过程均在可控磁场范围内进行；通过加入原位磁场，降低了熔池马兰戈尼流流速，使其趋于平稳，且磁场作用于柱状枝晶将其打碎，使其发生柱状晶向等轴晶转变，避免了高裂纹敏感性铝合金在成形过程中极易产生孔隙裂纹等缺陷等问题，实现了晶粒等轴化、无裂纹、成形度高的高强锻造铝合金的激光粉末床熔化成形，极大提升了铝合金对激光增材制造工艺适应性；因磁感应强度自身衰减效果，不同水平位置和垂直位置的磁感应强度均不同，采用原位磁场调控系统6的智能调节功能达到控制磁感应强度目的，通过控制电源7输出电流，控制粉体3在熔化凝固区域的原位磁感应强度，使在激光增材制造成形过程中，保证激光增材制造试样在不同空间位置所受磁感应强度均相同，避免在成形过程中试样由于受到不同磁感应强度影响，造成组织不均匀现象，以使激光增材制造成形铝合金试样为显微组织均匀、致密度高的三维实体试样；本发明可有效减少激光增材制造高裂纹敏感性铝合金中缺陷数量，细化显微组织状态并提升成形效果和力学性能。