一种双激光复合成形方法与流程

本发明属于激光增材制造，具体涉及一种双激光复合成形方法。

背景技术：

1、激光选区熔化技术（selectivelasermelting，slm）是增材制造技术中最具发展前景的技术之一，该技术通过高能量密度激光束逐层熔化金属粉末，能够实现复杂结构零件的一体化成形。slm成形过程中熔池的冷却速度可达103k/s至108k/s，具有快速熔化、快速凝固的典型特征，成形件内部不可避免地存在孔隙、裂纹等冶金缺陷，严重制约了成形件的力学性能和使用可靠性。

2、为解决上述问题，有学者提出在slm过程中引入超快激光对熔池进行冲击强化，利用超快激光产生的冲击波效应来消除内部缺陷并细化晶粒。但是，由于超快激光的冲击波效应具有显著的力学作用，当冲击波作用于粉末床表面时，会将激光光斑周围的松散粉末冲击开，在粉末层表面形成直径达3mm至10mm的坑状形貌。若为实现半熔融态冲击强化而使超快激光与成形激光紧密跟随，则冲击波冲开粉末后会导致后续成形激光照射区域出现粉末缺失，使得成形激光无粉可熔，无法完成正常成形。

3、因此，现有技术中难以在保证正常成形的前提下实现超快激光对半熔融态材料的原位冲击强化。

技术实现思路

1、本发明提供一种双激光复合成形方法，应用于增材制造设备，包括：

2、s1：控制烧结激光束照射预成形区域内的粉末，使所述粉末在非熔化状态下产生烧结颈结合力；

3、s2：控制成形激光束照射所述预成形区域，使所述预成形区域内的所述粉末形成熔池；

4、s3：在所述熔池处于半熔融态时，控制冲击强化激光束照射所述熔池，所述冲击强化激光束为超快激光束；

5、所述烧结激光束先于所述成形激光束作用于所述预成形区域，所述冲击强化激光束后于所述成形激光束作用于所述熔池，所述烧结颈结合力大于所述冲击强化激光束的冲击波对所述粉末的驱散力。

6、优选的，控制烧结激光束照射预成形区域内的粉末之前，还包括：对初始激光束进行扩束处理，得到所述烧结激光束；所述扩束处理的倍率范围为2倍至20倍，所述初始激光束的直径为5mm，所述烧结激光束的直径范围为10mm至100mm。

7、进一步优选的，所述烧结激光束的光斑直径大于所述成形激光束的光斑直径，所述烧结激光束的功率小于所述成形激光束的功率。

8、进一步优选的，所述烧结激光束的功率范围为50w至200w，所述成形激光束的功率范围为200w至1000w，所述冲击强化激光束的峰值功率密度范围为109w/cm2至1012w/cm2，所述冲击强化激光束的脉宽范围为10fs至100ps。

9、进一步优选的，所述烧结激光束的光斑、所述成形激光束的光斑和所述冲击强化激光束的光斑在所述预成形区域所在平面上呈共线排列，所述烧结激光束的光斑中心与所述成形激光束的光斑中心之间的第一间距等于所述成形激光束的光斑中心与所述冲击强化激光束的光斑中心之间的第二间距。

10、进一步优选的，所述烧结激光束的光斑、所述成形激光束的光斑和所述冲击强化激光束的光斑在同一扫描路径上依次排列，所述烧结激光束的光斑、所述成形激光束的光斑和所述冲击强化激光束的光斑沿所述扫描路径同步移动，所述烧结激光束的光斑中心与所述成形激光束的光斑中心之间的第一间距在所述同步移动过程中保持不变，所述成形激光束的光斑中心与所述冲击强化激光束的光斑中心之间的第二间距在所述同步移动过程中保持不变。

11、进一步优选的，所述烧结颈结合力由固相烧结颈力、范德华力、静电力和机械咬合力构成；所述固相烧结颈力与颗粒直径和材料表面能的乘积成正比，并且与烧结颈半径和颗粒半径之比的平方成正比；所述范德华力与hamaker常数和颗粒直径的乘积成正比，并且与颗粒表面间距成反比；所述静电力与第一颗粒的带电量和第二颗粒的带电量的乘积成正比，并且与所述第一颗粒和所述第二颗粒的中心间距的平方成反比。

12、进一步优选的，所述固相烧结颈力、所述范德华力和所述静电力分别采用如下公式计算：

13、所述固相烧结颈力的计算公式为：，其中，d为所述颗粒直径，σ为所述材料表面能，x为所述烧结颈半径，a为所述颗粒半径；

14、所述范德华力的计算公式为：，其中，a为所述hamaker常数，h0为所述颗粒表面间距；

15、所述静电力的计算公式为：，其中，q1为所述第一颗粒的带电量，q2为所述第二颗粒的带电量，r为所述第一颗粒和所述第二颗粒的所述中心间距，ε0为真空介电常数。

16、进一步优选的，所述半熔融态的温度下限为所述粉末的固相线温度，所述半熔融态的温度上限为所述粉末的液相线温度。

17、进一步优选的，所述烧结激光束的扫描速度、所述成形激光束的扫描速度和所述冲击强化激光束的扫描速度三者相等。

18、技术效果：

19、本发明通过增加烧结激光束，在成形激光作用于预成形区域之前，预先对松散粉末进行非熔化状态下的烧结处理，使粉末颗粒之间产生烧结颈结合力，从而使粉末由松散状态转变为具有一定抗冲击能力的烧结态。该烧结颈结合力被设计为大于冲击强化激光束冲击波对粉末的驱散力，因此当后续冲击强化激光束产生的冲击波作用于已烧结粉末时，粉末不会被冲击波冲开，避免了现有技术中因粉末被冲开导致成形激光无粉可熔的问题。冲击强化激光束能够在熔池处于半熔融态时对材料实施冲击强化，在半熔融状态下材料的塑性较好、变形抗力较低，冲击波能够有效作用于材料内部，消除孔隙和裂纹等缺陷并细化晶粒，从而实现边成形边强化的连续加工。烧结激光对粉末的预热作用使粉末升温过程由极快速升温转变为梯度式升温，降低了材料中热应力的累积；同时烧结激光对上一成形层也具有预热作用，可缓解上一成形层因快速冷却导致的应力集中，使整个成形及应力调控过程形成闭环，减少了后处理工序。

1.一种双激光复合成形方法，应用于增材制造设备，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的双激光复合成形方法，其特征在于，控制烧结激光束照射预成形区域内的粉末之前，还包括：对初始激光束进行扩束处理，得到所述烧结激光束；所述扩束处理的倍率范围为2倍至20倍，所述初始激光束的直径为5mm，所述烧结激光束的直径范围为10mm至100mm。

3.根据权利要求1所述的双激光复合成形方法，其特征在于，所述烧结激光束的光斑直径大于所述成形激光束的光斑直径，所述烧结激光束的功率小于所述成形激光束的功率。

4.根据权利要求1所述的双激光复合成形方法，其特征在于，所述烧结激光束的功率范围为50w至200w，所述成形激光束的功率范围为200w至1000w，所述冲击强化激光束的峰值功率密度范围为109w/cm2至1012w/cm2，所述冲击强化激光束的脉宽范围为10fs至100ps。

5.根据权利要求1所述的双激光复合成形方法，其特征在于，所述烧结激光束的光斑、所述成形激光束的光斑和所述冲击强化激光束的光斑在所述预成形区域所在平面上呈共线排列，所述烧结激光束的光斑中心与所述成形激光束的光斑中心之间的第一间距等于所述成形激光束的光斑中心与所述冲击强化激光束的光斑中心之间的第二间距。

6.根据权利要求5所述的双激光复合成形方法，其特征在于，所述烧结激光束的光斑、所述成形激光束的光斑和所述冲击强化激光束的光斑在同一扫描路径上依次排列，所述烧结激光束的光斑、所述成形激光束的光斑和所述冲击强化激光束的光斑沿所述扫描路径同步移动，所述烧结激光束的光斑中心与所述成形激光束的光斑中心之间的第一间距在所述同步移动过程中保持不变，所述成形激光束的光斑中心与所述冲击强化激光束的光斑中心之间的第二间距在所述同步移动过程中保持不变。

7.根据权利要求1所述的双激光复合成形方法，其特征在于，所述烧结颈结合力由固相烧结颈力、范德华力、静电力和机械咬合力构成；所述固相烧结颈力与颗粒直径和材料表面能的乘积成正比，并且与烧结颈半径和颗粒半径之比的平方成正比；所述范德华力与hamaker常数和颗粒直径的乘积成正比，并且与颗粒表面间距成反比；所述静电力与第一颗粒的带电量和第二颗粒的带电量的乘积成正比，并且与所述第一颗粒和所述第二颗粒的中心间距的平方成反比。

8.根据权利要求7所述的双激光复合成形方法，其特征在于，所述固相烧结颈力、所述范德华力和所述静电力分别采用如下公式计算：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半熔融态的温度下限为所述粉末的固相线温度，所述半熔融态的温度上限为所述粉末的液相线温度。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧结激光束的扫描速度、所述成形激光束的扫描速度和所述冲击强化激光束的扫描速度三者相等。