[发明专利]一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法。本发明还涉及一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造装置。

背景技术

3D打印技术是“增材制造”的主要实现形式，区别于传统的“去除”制造，不需要原胚和模具，直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体。金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

目前可用于直接制造金属功能结构件的3D打印方法主要有：选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、激光净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)和电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)。其中LENS法是在激光熔覆技术(Laser Cladding)的基础上发展起来的一种金属零件3D打印技术，采用中、大功率激光熔化同步供给的金属粉末，按照预设轨迹逐层沉积在基板上，最终形成金属零件。

然而，金属3D打印技术高昂的设备和制造成本限制了它的推广和应用，而且3D打印设备成形的零件尺寸范围有限，较难实现航空大型整体构件的增材制造。更为重要的是，金属3D打印技术存在如下缺点：由于内部缺陷而造成机械性能不足，内部缺陷包括气孔、未熔合和缩松等。气孔是由于粉末吸附空气或者粉末包裹气体在熔池凝固过程中未能及时逸出，留在凝固组织内所形成的气孔。未融合是由于3D打印成形过程中工艺参数设置不合理，各熔覆层之间未形成致密冶金而产生的融合不良缺陷。气孔和未熔合缺陷是承力结构件致命的疲劳萌生源，导致金属3D打印零件可靠性存在隐患。

因此，如何在通过金属3D打印技术生产制造金属零件时，尽量避免气孔、未融合和缩松问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法，能够尽量避免气孔、未融合和缩松问题，提高金属零件的机械性能和疲劳强度。本发明的另一目的是提供一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造方法，包括：

按照预设的3D打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合，并形成工件的熔覆层；

对所述熔覆层进行激光冲击处理，以利用激光冲击诱导的冲击波对所述熔覆层进行冲击锻打；

逐层堆叠各层所述熔覆层，并形成工件。

优选地，在按照预设的3D打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合之前，还包括：

根据工件模型生成3D打印填充扫描路径。

优选地，根据工件模型生成3D打印填充扫描路径，具体包括：

对工件模型进行切片分层，以获得各个分层截面的轮廓形状，再根据所述轮廓形状生成各层所述熔覆层的3D打印填充扫描路径。

优选地，按照所述3D打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合时，在所述金属粉末中输送用于防止其氧化的惰性气体。

优选地，按照所述3D打印填充扫描路径进行热源对金属粉末的熔合时，控制所述金属粉末的使用量，以使形成的熔覆层的厚度占工件高度的1％～2％。

优选地，形成工件之后，还包括：

对工件进行热机耦合数值仿真，并确定工件的残余应力集中区域；

测量工件上残余应力集中区域的应力分布情况，并据此对其进行激光冲击处理，以消除有害拉应力。

本发明还提供一种激光冲击锻打金属3D打印复合制造装置，包括工作台、设置于其上并用于按照预设的3D打印填充扫描路径进行移动的热源喷嘴、与所述热源喷嘴同步运动并用于将金属粉末喷出以使热源将其熔合并形成熔覆层的送粉喷嘴、与所述热源喷嘴同步运动并用于对所述熔覆层进行激光冲击处理以利用激光冲击诱导的冲击波对所述熔覆层进行冲击锻打的激光喷嘴。

优选地，还包括与所述送粉喷嘴连通、用于在金属粉末中添加防止其氧化的惰性气体的保护气管。

优选地，还包括设置于所述工作台上、用于检测所述熔覆层温度的温度传感器，以及与所述温度传感器信号连接、用于根据其检测值控制所述热源喷嘴的出口温度的温度控制器。