一种激光选区熔化放电复合工艺及设备的制作方法

1.本技术属于增材制造技术领域，更具体地说，是涉及一种激光选区熔化放电复合工艺及设备。


背景技术：

2.激光选区熔化技术(slm，selective laser melting)是将激光熔覆与快速原型技术结合起来的一种最新的先进制造技术。激光选区熔化技术利用高能束激光直接熔化金属粉末，逐层叠加形成复杂高性能金属零部件，尺寸精度高、生产效率高等优点，利用slm技术进行金属零件的直接制造已经扩展到航空航天、医学医疗、汽车制造等领域。但目前激光选区熔化制备构件过程依然有诸多问题，由于在零件制备过程中材料快速熔化和凝固，使得成形过程出现严重偏析问题，致使裂纹萌生。激光选区熔化过程中裂纹萌生，也是制约slm技术发展的关键问题之一，也是国内外学者研究的重点和热点问题。目前采用的方法如：基板预热、调整合金成分、热处理、调整工艺参数等，对激光选区熔化过程零件开裂问题都有所帮助，但现在止裂仍然是亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明就是为了解决上述背景技术的不足，提供了一种激光选区熔化放电复合工艺及设备，在高压的环境下，激光选区熔化的同时发生电热止裂效应，减少零件制备时裂纹产生，提高材料力学性能，有效提高激光选区熔化制备零件的成形性，最终得到组织致密、晶粒细化的零件。
4.为此，本发明提供了一种激光选区熔化放电复合工艺，具体步骤如下：
5.(1)将基板与隔热板和绝缘板组装成基板组件，并将基板组件固定于工作箱内的升降台上，将基板组件通过导线顺着升降台引出依次串联传感器、放电开关和储能电容器，并将示波器并联连接脉冲传感器；
6.(2)通过氮气压缩机缓慢向工作箱内输进氮气，使得工作箱内的压力维持高压环境；
7.(3)将合金粉末加入料缸，由料缸通过加料管向送料箱中进行加料，控制器控制送料箱到达基板上方指定位置，送料传感器触发送料箱底板打开，将合金粉末送入基板上；
8.(4)通过放电设备对储能电容器缓慢充电，当高压使放电开关击穿，储能电容器对基板进行脉冲放电，电流经过传感器，通过与传感器并联的示波器进行电流图像显示，观察示波器，控制脉冲电流密度；
9.(5)利用控制器将激光器移动到基板上方，同时对基板通入脉冲电流，使得基板上的合金粉末在进行激光熔化的过程中同时发生电热效应，起到电热止裂作用；
10.(6)激光选区熔化制备完成时，关闭激光器并停止向储能电容器充电，回收剩余合金粉末，缓慢放出氮气，空冷至室温取出零件。
11.优选的，步骤(2)中，工作箱内的压力维持在1.5-3.5mpa。
12.同时.本发明提供了一种激光选区熔化放电设备，其应用于上述激光选区熔化放电的复合工艺中，其设有工作箱，工作箱的内部的上端设有激光器，激光器的下端设有送料装置，送料装置的下端设有脉冲放电装置，工作箱的外部设有压缩装置，工作箱的外部还连接控制器，通过控制器控制激光选区熔化放电设备的运作。
13.优选的，脉冲放电装置设有基板组件，基板组件固定于工作箱的升降台上，基板组件通过导线串联连接储能电容器、放电开关和脉冲传感器，脉冲传感器和示波器并联连接。
14.优选的，基板组件设有基板、绝缘板和隔热板，绝缘板由环氧树脂材料组成，绝缘板的上表面设有绝缘凸台，与上层的隔热板下表面的凹槽配合。
15.优选的，隔热板由多层金属箔材料制成，隔热板的上表面设有密封圈，用于基板凹槽进行限位连接。
16.优选的，送料装置设有送料箱，送料箱通过加料管连接料缸，加料管上设有送料传感器。
17.优选的，压缩装置设有氮气压缩机，氮气压缩机通过进气管连接工作箱，进气管上设有测压计。
18.本发明的有益效果为：
19.(1)本发明的一种激光选区熔化放电复合工艺，利用储能电容器对基板组件进行高强度脉冲放电，合金材料在快速凝固过程中和已凝固材料起到电热止裂效应。即在强脉冲电流作用下，裂纹尖端产生强化加热促使尖端组织重熔，在随后的快速冷却时形成细小组织，在改善裂纹问题同时使得裂纹尖端强化，提高材料力学性能和材料的成形性。裂纹尖端发生电热效应，同时可以消除应力集中，并产生相当大的压应力场，抑制形成裂纹主干线的势能源，从而达到止裂的目的。在脉冲放电过程中，电热效应会产生热量，通过绝缘板和隔热板共同作用，可以起到加热作用，防止零件裂纹产生以及减少应力集中。本发明工艺简单、成本低，极大改善了合金材料在制备过程中最严重的开裂问题，对激光选区熔化技术的广泛应用起到重大意义。
20.(2)本发明中通过氮气压缩机，向工作箱中输入氮气，使得激光选区熔化制备过程始终维持在高压环境下，通过高压环境与选区激光结合制备组织致密、晶粒细化的零件。同时基于高压环境本发明通过料缸送料，在送料箱到达指定位置后送料传感器触发送料箱底板开关，方便在制备过程中精准加料。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明的激光选区熔化放电设备连接示意图；
23.图2为本发明的激光选区熔化放电设备的结构示意图；
24.图3为本发明的脉冲放电装置的绝缘板示意图；
25.图4为本发明的脉冲放电装置的隔热板示意图；
26.图5本发明的脉冲放电装置的隔热板后视图；
27.图6为本发明的脉冲放电装置的基板示意图；
28.图中符号说明：
29.1.工作箱；2.升降台；3.激光器；4.送料箱；5.加料管；6.基板；7.测压计；8.氮气压缩机；9.送料传感器；10.料缸；11.储能电容器；12.放电开关；13.脉冲传感器；14.绝缘板；15.绝缘凸台；16.隔热板；17.基板凹槽；18.密封圈；19.隔热凹槽；20.示波器；21.控制器。
具体实施方式
30.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
31.本发明提供了一种激光选区熔化放电设备，如图1-2所示，其设有工作箱1，工作箱1的内部的上端设有激光器3，激光器3的下端设有送料装置，用于输送合金粉末，送料装置的下端设有脉冲放电装置，用于激光选区熔化制备过程中对合金粉末进行脉冲放电。工作箱1的外部设有压缩装置，用将压缩氮气输送至工作箱1内，维持高压环境。工作箱1的外部还连接控制器21，通过控制器21控制激光选区熔化放电设备的运作。
32.脉冲放电装置设有基板组件，基板组件固定于工作箱1的升降台2上，基板组件通过导线串联连接储能电容器11、放电开关12和脉冲传感器13，脉冲传感器13和示波器20并联连接。通过放电设备对储能电容器11充电，当高压使放电开关12击穿，储能电容器11对基板组件进行脉冲放电。电流经过脉冲传感器13，通过与脉冲传感器13并联的示波器20进行电流图像显示，至此，完成一次脉冲放电过程。
33.进一步地，基板组件设有基板6、绝缘板14和隔热板16，基板6通过紧固螺钉固定于隔热板16上，隔热板16连接绝缘板14，绝缘板14位于最底层，这种结构设计，可以减缓基板6上合金材料冷却速度，极大减弱裂纹产生的趋势。
34.如图3和图5所示，绝缘板14由环氧树脂材料组成，起到隔绝电流的作用。绝缘板14的上表面设有绝缘凸台15，与上层的隔热板16下表面的隔热凹槽19配合，将隔热板16和绝缘板14紧密连接，方便绝缘板14和隔热板16位置的精准锁定。隔热板16由多层金属箔材料制成，用于对激光选区融化制备过程进行隔热保温，可以减缓快速冷却过程，进而减少裂纹产生。如图4和图6所示，隔热板16的上表面设有密封圈18，用于基板凹槽17进行限位连接。而且密封圈18和基板6连接会构成一个真空环境进而加大保温减缓冷却速度的作用。零件制备时开裂主要由材料快速冷却引起，通过隔热板16与密封圈18耦合作用极大减少制备过程中热量散失。
35.位于脉冲放电装置上方的送料装置设有设于工作箱1内部的送料箱4，送料箱4通过加料管5连接设于工作箱1外部的料缸10，料缸10内的合金粉末通过加料管5向送料箱4进行补料，加料管5上设有送料传感器9，用于感应送料箱4的位置，配合送料箱4将合金粉末送入基板6上。
36.位于工作箱1外部的压缩装置设有氮气压缩机8，氮气压缩机8通过进气管将压缩氮气送入工作箱1内部。进气管上设有测压计7，用于检测工作箱1内部的压力。
37.同时，本发明提供了一种改善激光选区熔化开裂的复合工艺，具体步骤如下：
38.(1)将基板6与隔热板16和绝缘板14组装成基板组件，并将基板组件固定于工作箱
1内的升降台2上，将基板组件通过导线顺着升降台2引出依次串联脉冲传感器13、放电开关12和储能电容器11，并将示波器20并联连接脉冲传感器13。
39.(2)通过氮气压缩机8缓慢向工作箱1内输进氮气，使得工作箱1内的压力维持在1.5-3.5mpa，保证激光选区熔化制备过程在高压环境下进行，使零件组织致密、尺寸细化，提高材料力学性能，防止开裂。
40.(3)将合金粉末加入料缸10，由料缸10通过加料管5向送料箱4中进行加料，控制器21控制送料箱4到达基板6上方指定位置，此时送料传感器9触发送料箱4底板打开，将合金粉末送入基板6上。对于镍基高温合金材料，控制送粉速率为1-2g/min。
41.(4)通过放电设备对储能电容器11缓慢充电，当高压使放电开关12击穿，储能电容器11对基板组件进行脉冲放电。电流经过脉冲传感器13，通过与脉冲传感器13并联的示波器20进行电流图像显示，观察示波器20，控制脉冲电流密度达到所需数值，当合金材料镍基高温合金粉末时,控制脉冲电流密度为2a-5a/dm2。
42.(5)利用控制器将激光器3移动到基板6上方，调整激光功率为1300w-1700w，扫描速度为3-6mm/s，同时对基板6通入脉冲电流，使得基板6上的合金粉末在进行激光熔化的过程中同时发生电热效应，起到电热止裂作用。其中，激光使合金粉末熔化，熔化材料与基板结合，高强度脉冲电流可以使合金材料在熔化过程中，减少裂纹的产生并能抑制微裂纹的扩展。同时，电热效应在裂纹尖端产生大量压应力场，对于已经凝固的材料中通过电热效应起到促进微裂纹融合作用。在脉冲放电过程中，电热效应会产生热量，通过绝缘板和隔热板共同作用，可以起到加热作用，防止零件裂纹产生以及减少应力集中。
43.(6)激光选区熔化制备完成时，关闭激光器3并停止向储能电容器11充电，回收剩余合金粉末，缓慢放出氮气，空冷至室温取出零件。
44.综上所述，本发明的一种激光选区熔化放电复合工艺，利用储能电容器11对基板组件进行高强度脉冲放电，合金材料在快速凝固过程中和已凝固材料起到电热止裂效应。即在强脉冲电流作用下，裂纹尖端产生强化加热促使尖端组织重熔，在随后的快速冷却时形成细小组织，在改善裂纹问题同时使得裂纹尖端强化，提高材料力学性能和材料的成形性。裂纹尖端发生电热效应，同时可以消除应力集中，并产生相当大的压应力场，抑制形成裂纹主干线的势能源，从而达到止裂的目的。在脉冲放电过程中，电热效应会产生热量，通过绝缘板14和隔热板16共同作用，可以起到加热作用，防止零件裂纹产生以及减少应力集中。本发明工艺简单、成本低，极大改善了合金材料在制备过程中最严重的开裂问题，对激光选区熔化技术的广泛应用起到重大意义。
45.本发明中还通过氮气压缩机8，向工作箱1中输入氮气，使得激光选区熔化制备过程始终维持在高压环境下，通过高压环境与选区激光结合制备组织致密、晶粒细化的零件。同时基于高压环境本发明通过料缸10送料，在送料箱4到达指定位置后送料传感器9触发送料箱底板4开关，方便在制备过程中精准加料。
46.本发明工艺简单、成本低，极大改善了合金材料在制备过程中最严重的开裂问题，对激光选区熔化技术的广泛应用起到重大意义。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、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。
48.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。