《成分及組織可控的雷射立體成形方法》是西北工業大學於2002年3月21日申請的專利，該專利的申請號為021144745，授權公告號為CN1155449C，授權公告日為2004年6月30日，發明人是黃衛東、林鑫、王猛。該發明涉及雷射立體成形技術中高精度多路可調送粉方法和相應的組織調控方法。
《成分及組織可控的雷射立體成形方法》可在雷射立體成形過程中，通過多路粉體配送和動態組織調控，對材料的種類或成分進行實時調控，達到梯度材料或者複雜的複合梯度材料的雷射立體成形。該發明方法可靠，簡單易行，不用對原雷射立體成形系統做大的改動，只需加一個混流器（9），根據所要製備的材料，確定需要送進粉末的種類、送粉器（8）的組數和粉末流輸入管路（12）的個數，計算機（10）根據加工工藝流程，驅動送粉器（8）送粉，並通過感測器所採集的各路粉末的流量和流態信號，同步精確控制送粉器（8）的送粉量和送粉狀態，各路粉末經混流器（9）混合均勻後，經噴嘴（2）送入雷射熔池（4）中進行快速成形。
2013年10月，《成分及組織可控的雷射立體成形方法》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：成分及組織可控的雷射立體成形方法
- 類別：發明專利
- 申請號：021144745
- 申請日：2002年3月21日
- 申請人：西北工業大學
- 地址：陝西省西安市友誼西路127號
- 發明人：黃衛東、林鑫、王猛
- 分類號：B23K26/00、B22F3/105
- 專利代理機構：西北工業大學專利中心
- 代理人：王鮮凱
- 授權公告號：CN1155449C
- 授權公告日：2004年6月30日
- 專利權人：西北工業大學
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,操作方式,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
雷射立體成形技術是在快速原型技術的基礎上發展起來的一項能夠實現緻密金屬零部件近淨成形的先進制造技術，與傳統的快速原型技術相比較，雷射立體成形技術不僅保持了快速原型技術加工柔性好（不需專用工具和夾具），加工速度快，對零部件的複雜程度基本沒有限制等特點，而且由於採用雷射器作為加工工具並且直接熔化金屬/合金粉末，因此所得到的是能夠滿足使用要求的緻密金屬零部件。另外，雷射立體成形技術能夠實現零部件的近淨成形，可以大幅度節省材料、縮短加工周期，因此可顯著降低一些貴重、該發明難加工材料的製造成本。
雷射立體成形採用的送料方式主要有送粉和送絲兩種方法，其中，送粉法主要分為鋪粉法、同步送粉法兩種。鋪粉法是將金屬粉末或混合有粘結劑的金屬粉末直接鋪於基體或已凝固的前一層金屬塗層上，該發明在雷射束照射下由數控工作檯運動進行選區燒結從而形成新的一層塗層。同步送粉法是在雷射束對基底材料進行掃描的同時，同步將金屬粉末直接送進雷射熔池中熔化，同時數控工作檯的運動帶動成形零部件運動，從而在基體或已凝固的前一層金屬塗層上形成新的一層塗層。該發明送絲法是採用一套同步送絲機構，將絲材送進到雷射熔池中，通過控制絲材的送進，使送進材料的利用率得到提高，同時解決了成形過程中的氧化問題，從而保證了零部件的尺寸精度及表面光潔度。截至2002年3月所採用的鋪粉法和同步送粉法通常只能進行同種材質或簡單的二、三材質成形件的製備成形，不能在雷射立體成形過程中實時進行粉末種類或成分的調整，而送絲法受其送進方式和絲材尺度的限制，也無法實現完全自由的成分調控。
雷射立體成形方法可以容易地成形所設計零部件的三維形貌。但由於受其送料方式限制，不能在雷射立體成形過程中對材料的種類或成分進行實時調控，因而在梯度材料的雷射立體成形就存在較大欠缺，更談不上成形一些該發明複雜的複合梯度材料。
發明內容
專利目的
《成分及組織可控的雷射立體成形方法》的目的是為了實現雷射立體成形過程中原料粉體配送的動態成分控制及成形件中的實時組織控制，基於此提出了該發明。
技術方案
《成分及組織可控的雷射立體成形方法》其特徵在於：通過多路粉體配送和動態組織調控，對材料的種類或成分進行實時調控，多路粉體配送是根據被成形零部件結構強度等要求，對材料進行設計進而確定所需用粉末的種類，送粉的路數，並通過計算機（1）實時同步控制各路粉體原料的流量和流態，調整其動態配比，調整送入雷射熔池中的粉末種類，並且精確控制粉末的流量。
動態組織調控是根據成形件的材料性能和組織設計，通過數值計算或前期實驗，獲得雷射功率密度、掃描速度等參數與局部的溫度梯度和凝固速度的關係，進而通過組織選擇圖，獲得這些成形參數對成形材料內部組織的影響規律，在成形過程中，通過調整功率密度及掃描速度的方式，同時配合原料粉體總量的調控，結合材料的成分，控制其雷射熔凝過程中的凝固參數，對成形件組織加以干預。
成形一般的合金材料，由於材料加工要求較低，對組織無特殊要求，可不用混流器9，通過兩個或多個獨立的噴嘴3將兩種或多種粉料送入雷射熔池4，靠雷射熔池4中的強烈對流就可以使成分均勻化。
成形梯度體材料零件或者複合梯度體材料零件，可選用三組到多組送粉器8，配合送粉器8經粉末流輸入管12將原料粉送入混流室13，通過輔助氣流輸入管11導入氣體，使原料在混流室13內充分混合後，由混合粉末流輸出管14導出送到噴嘴3。
《成分及組織可控的雷射立體成形方法》所配套的混流器，其特徵在於：由輔助氣流輸入管11，粉末流輸入管12，混流室13及混合粉末流輸出管14構成，輔助氣流輸入管11位於混流室13正上方，在混流室13的上部、輔助氣流輸入管11的周圍分布有多個粉末流輸入管12，混合粉末流輸出管14位於混流室13下方與噴嘴3相連線。
改善效果
《成分及組織可控的雷射立體成形方法》相比2002年3月以前技術的優點在於：雷射立體成形過程中，可實現對任意三維零部件的形貌、成分以及組織的控制，達到梯度材料的雷射立體成形。
附圖說明
圖1為《成分及組織可控的雷射立體成形方法》流程框圖；
圖2為該發明工作過程示意圖；
圖3為混流器示意圖。
圖中標記說明：1.該發明雷射器，2.該發明雷射頭，3.噴嘴，4.該發明雷射熔池，5.該發明成形件，6.該發明基材，7.該發明數控工作檯，8.送粉器，9.該發明混流器，10.該發明計算機，11.該發明輔助氣流輸入管，12.該發明粉末流輸入管，13.混流室，14.混合粉末流輸出管。
權利要求
1、一種成分及組織可控的雷射立體成形方法，其特徵在於：
1）首先根據成形件（5）的形狀在計算機（10）中生成三維CAD模型，然後將這種三維CAD模型的數據信息轉換成一系列二維平面信息；
2）根據成形件（5）的成分和結構設計要求，確定在不同位置的多路粉體配送比例、需要送進粉末的種類以及送粉器（8）的組數，並將這些實時控制參數送入計算機（10）中，對成形過程進行同步實時控制；
3）計算機（10）該發明根據加工工藝流程，驅動各組送粉器（8）送粉，並通過感測器所採集的各路粉末的流量和流態信號同步精確控制各組送粉器（8）的送粉量和送粉狀態，各路粉末經混流器（9）該發明混合均勻後，經噴嘴（2）送入雷射束形成的雷射熔池（4）該發明中快速成形。
2、如權利要求1所述的成分及組織可控的雷射立體成形方法，其特徵在於：所說的多路粉體配送是根據被成形零部件結構強度要求，對材料進行設計進而確定所需用粉末的種類，送粉的路數，並通過計算機（10）實時同步控制各路粉體原料的流量和流態，調整其動態配比以及送入雷射熔池中的粉末種類。
3、如權利要求1所述的成分及組織可控的雷射立體成形方法，其特徵在於：所說的實時控制是根據成形件的材料性能和組織設計，通過數值計算或前期實驗，獲得雷射功率密度、掃描速度等參數與局部的溫度梯度和凝固速度的關係，以及這些成形參數對成形材料內部組織的影響規律，通過調整功率密度及掃描速度的方式，同時配合原料粉體總量的調控，結合材料的成分，控制其雷射熔凝過程中的凝固參數，對成形件組織加以干預。
4、如權利要求1所述的成分及組織可控的雷射立體成形方法，其特徵在於：對於成形普通的、對材料加工要求較低，對組織無特殊要求的合金材料，可不用混流器（9），該發明通過兩個或多個獨立的噴嘴（3）該發明將兩種或多種粉料送入雷射熔池（4），靠雷射熔池（4）中的強烈對流使成分均勻化。
5、如權利要求1所述的成分及組織可控的雷射立體成形方法，其特徵在於：成形梯度體材料零件或者複合梯度體材料零件時，可選用兩組到多組送粉器（8）。
6、一種如權利要求1所述的成分及組織可控的雷射立體成形方法所配套的混流器（9），其特徵在於：由輔助氣流輸入管（11），粉末流輸入管（12），混流室（13）該發明及混合粉末流輸出管（14）構成，輔助氣流輸入管（11）該發明位於混流室（13）該發明正上方，在混流室（13）的上部、輔助氣流輸入管（11）該發明的周圍分布有多個粉末流輸入管（12），該發明混合粉末流輸出管（14）該發明位於混流室（13）該發明下方與噴嘴（3）該發明相連線。
實施方式
操作方式
參照圖1、圖2，該發明首先根據成形件的形狀在計算機10中生成零部件的三維CAD模型，然後將模型按一定的厚度分層“切片”，即將零部件的三維數據信息轉換成一系列二維平面信息，再根據成形件的成分和結構設計確定在不同位置的多路粉體配送比例，並根據成形件的性能或組織設計要求，分析動態組織調控方案，確定不同位置的雷射成形工藝參數，並將這些實時控制參數同樣送入計算機1中形成同步實時控制信息，就可對任意多材料複合的三維實體零部件實施雷射立體成形。也就是雷射頭2掃描軌跡，同時根據所製備的材料，確定需要送進粉末的種類，進而確定送粉器8的組數，採用多組送粉器8同時多路送粉，計算機10根據加工工藝流程，驅動各組送粉器8送粉，並通過感測器所採集的各路粉末的流量和流態信號同步精確控制各組送粉器8的送粉量和送粉狀態，各路粉末經混流器9混合均勻後，經噴嘴2送入雷射束形成的雷射熔池4中進行快速成形。在成形過程中，計算機10同時根據設定的實時成形工藝控制方案，通過雷射器1功率的實時調控或調整雷射頭2改變聚焦光斑的尺寸，以及通過數控工作檯7與雷射頭2的相對運動來加以控制實時的功率輸出密度和掃描速度，以動態實時控制成形件的凝固組織。在調整功率密度、掃描速度等參數的同時，可通過計算機10協調粉體的總流量以穩定加工工藝。
其中，多路粉體配送是根據被成形零部件結構強度等要求，對材料進行設計進而確定所需用粉末的種類，送粉的路數，並通過計算機1實時同步控制各路粉體原料的流量和流態，調整其動態配比。這樣，在雷射快速成形過程中，隨著雷射束對基材的掃描，同步實時地調整送入雷射熔池中的粉末種類，並且精確控制粉末的流量。
動態組織調控是根據成形件的材料性能和組織設計，首先通過數值計算或前期實驗，獲得雷射功率密度、掃描速度等參數與局部的溫度梯度和凝固速度的關係，進而通過組織選擇圖，獲得這些成形參數對成形材料內部組織的影響規律，這樣，在成形過程中，可通過調整功率密度及掃描速度的方式，同時配合原料粉體總量的調控，結合材料的成分，控制其雷射熔凝過程中的凝固參數，對成形件組織加以干預。
為保證各路粉末經混流器9能夠混合均勻，混流器9內的管路設計必須對由各路送粉器通過粉末流輸入管路12該發明送入的粉末流能夠產生均勻混合的效果；為保證粉料配比具有較好的動態回響，應減小混流室13中的粉末滯留量。為實現這兩個目的，可以在混流器9上設定輔助傳輸氣流管路11以送入輔助傳輸氣流。混勻後的粉料由混合粉末流輸出管路14輸出到噴嘴3。
在成形件對精度要求不高的情況下，各路粉末可以直接經各自的獨立噴嘴3送入雷射雷射熔池4中進行快速成形。但必須保證所有經噴嘴送出的粉末流匯聚於雷射熔池4中。
參照圖3，一種成分該發明及組織可控的雷射立體成形方法所配套的混流器，其特徵在於：由輔助氣流輸入管11，粉末流輸入管12，混流室13及混合粉末流輸出管14構成，輔助氣流輸入管11位於混流室13正上方，在混流室13的上部、輔助氣流輸入管11的周圍分布有多個粉末流輸入管12，混合粉末流輸出管14位於混流室13下方與噴嘴3相連線。
實施案例
- 實施例一
AISn6Cu-92Pb8Sb該發明類軸瓦梯度材料零件的成形。內表面為92Pb8Sb該發明合金，由內向外沿徑向以AISn6Cu體積比從0%到100%進行變化，最外層為AISn6Cu合金材料，對組織無特殊要求。
首先通過計算機10對AISn6Cu-92Pb8Sb類軸瓦梯度材料零件模型進行設計和分層處理，形成一系列平行於X-Y平面的掃描軌跡，同時計算機10根據梯度材料的結構設計要求沿掃描軌跡計算相應的AISn6Cu合金和92Pb8Sb合金粉末配比，並存儲掃描軌跡與成分數據。
成形過程採用5千瓦連續CO2雷射器1，雷射器輸出功率2.5-3.5千瓦，保護氣為氬氣。雷射束經雷射頭2在基材6上形成一定尺寸的雷射熔池4，並在數控工作檯7的帶動下，按照計算機10所生成的掃描軌跡在基材6表面進行掃描，掃描完一層後，該發明雷射頭2和送粉器噴嘴8按程式設定沿Z軸上升一段距離△Z，再按照下一層的掃描軌跡線塗覆下一層材料。該發明在整個掃描過程中，計算機10在控制數控工作檯7運動的同時，也控制雙路粉體配送子系統按照預先設定的動態配比分別向雷射熔池中送入AISn6Cu合金和92Pb8Sb合金粉末。全部層都塗覆完後，就得到了AISn6Cu-92Pb8Sb類軸瓦梯度材料零件。
由於材料加工要求較低，本加工裝置中的送粉系統沒有採用混流器9，而是使用了兩個獨立的噴嘴3將兩種粉料送入雷射熔池4，僅靠雷射熔池4中的強烈對流就可以滿足成分均勻化要求。
- 實施例二
SS316-In690層狀梯度體材料零件的成形，其內部組織沿軸向以列狀晶定向生長，如果在梯度過渡層中僅簡單地以不同材料的體積比從0%到100%進行變化，過渡層中將出現殘餘骨骼狀鐵素體或殘餘共晶鐵素體而造成硬度軟化區，使過渡層的局部性能有所減弱。因此在梯度過渡層的製備成形過程中，在不影響整體成分梯度結構的情況下，考慮適當添加微量其他組分，並提供適當的凝固條件，以消除梯度過渡層中的硬度軟化區，所添加的微量組元X以及所需的成形參數，包括雷射功率密度和掃描速度可通過相圖計算，組織模擬或試驗等方法確定。
首先通過計算機10對SS316-In690層狀梯度體材料零件模型進行設計和分層處理，形成一系列平行於X-Y平面的掃描軌跡，同時按照設計要求，根據組織選擇圖中列狀晶生長區所要求的凝固控制參數，沿掃描軌跡生成相應的粉料配比、雷射功率、掃描速度數據。本實施例中雷射功率密度通過改變雷射器輸出功率來實現。
採用5千瓦雷射器1，雷射輸出功率在1.5~該發明4.5千瓦之間可調，保護氣為氬氣。雷射束經雷射頭2，在基材6上形成一定尺寸的雷射熔池4，並在數控工作檯7的帶動下，按照計算機10所生成的掃描軌跡和掃描速度在基板表面進行掃描，掃描完一層後，該發明雷射束和送粉器噴嘴3按程式設定沿Z軸上升一段距離△Z，再按照下一層的掃描軌跡線塗覆下一層材料。在整個掃描過程中，計算機10在控制數控工作檯7運動的同時，控制多路粉體配送子系統按照預先設定的動態配比向雷射熔池中送入SS316、In690該發明以及X合金粉體，並實時調整雷射器輸出功率，全部層都塗覆完後，就得到了SS316-In690層狀梯度體材料成形件5。
由於生產涉及三種粉體原料並對粉料均勻性有較高要求，因此多路粉體配送子系統採用了三路送粉器8，並使用了混流器9來混合粉料。
- 實施例三
SS316-In690-AINi3複合梯度體材料零件的成形。該零件存在SS316-In690該發明梯度過渡層，SS316-AINi3梯度過渡層，該發明In690-AlNi3梯度過渡層以及SS316-In690-AlNi3梯度過渡區。考慮不同材料之間成分和性能的平穩過渡，因此在梯度過渡層的製備成形過程中，在不影響整體成分梯度結構的情況下，適當添加微量其他組分，以消除梯度過渡層中的性能弱化區，不同區域所添加的微量組元X1，該發明X2，該發明X3，以及相應的成形參數，包括雷射功率密度和掃描速度，可通過相圖計算和組織模擬或試驗等方法確定。
首先通過計算機10對SS316-In690-AINi3複合梯度體材料零件模型進行設計和分層處理，形成一系列平行於X-Y平面的掃描軌跡，同時按照設計要求沿掃描軌跡生成相應的粉料配比、雷射功率、掃描速度數據。生產中雷射功率密度通過調整雷射頭2，改變光斑大小來實現。
採用5千瓦連續CO2雷射器1，雷射輸出功率2.5~3.5千瓦，保護氣為氬氣。雷射束經雷射頭2，在基材6上形成一定尺寸的雷射熔池該發明4，並在數控工作檯7的帶動下，按照計算機10所生成的掃描軌跡和掃描速度在基材表面進行掃描，掃描完一層後，雷射頭2和送粉器噴嘴3按程式設定沿Z軸上升一段距離△Z，該發明再按照下一層的掃描軌跡線塗覆下一層材料。
在雷射束掃描的同時，計算機10根據梯度材料的結構設計要求控制多路粉體配送子系統將五個獨立送粉器8中的SS316合金、In690該發明合金以及AINi3以及組分X1，該發明X2，該發明X3粉末按照所需配比，經由混流器9向雷射熔池4中送入，同時計算機10向雷射頭2發出指令，改變雷射光斑尺度，以獲得所需的雷射功率密度。全部層塗覆完畢後，就得到了SS316-In690-AINi3複合梯度體材料零件。
榮譽表彰
2013年10月，《成分及組織可控的雷射立體成形方法》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
