[发明专利]金属粉末激光熔融增材制造装置及其成形方法

说明书

本发明公开了一种采用中心能量密度分布高、周围能量密度低，截面包络接近圆形的激光光束的金属粉末激光熔融增材制造装置及其成形方法；所述装置包括成形光源发生器、成形光源扩束组件、聚焦组件、光路合成组件、调温光源发生器和调温光源扩束组件；通过光路的调整获得了环形分布的成形及调温复合光斑，利于减小热应力，抑制裂纹缺陷产生；本发明可适应扫描路径曲率多变的场合，采用了离焦设计、半径可调，加工与调温区域可偏移，预热、缓冷的适用范围得到改善；所述方法可用于带有气氛保护的增材制造场合，加工环境参数的控制更加稳定。

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及增减材复合制造技术，尤其涉及金属粉末激光熔融增材制造装置及其成形方法。

背景技术

金属粉末激光熔融增材制造是增材制造的重要方法之一，以金属粉材为原料通过激光的激励完成工件的成形过程；由于激光能量密度高，制造过程中快速加热和快速冷却会使加工材料产生过大的内应力，易引起成形件开裂；成为限制激光增材制造技术工业化应用的一类必须克服的障碍。

为了解决上述问题，众多学者开展了大量研究，主要基于控制成形过程中的温度场和应力场，降低成形过程中产生的内应力，抑制裂纹产生；此外，还有通过优化激光增材制造工艺参数抑制裂纹产生的方法以及通过添加增强、增韧元素抑制裂纹产生的方法。

其中，通过基体预热和熔覆层缓冷降低成形过程中温度梯度，减小热应力是最常用的方法：卞宏友等在科技论文《基体预热对激光沉积修复GH4169合金性能的影响》，[中国激光.2016(7)：92-97.]一文中研究发现，基体预热至300℃时，GH4169合金试样的残余应力有明显的降低；基体整体加热对降低热应力具有一定的作用，但增材制造是逐层堆积成形，随着沉积层数的增加，将造成预热温度不均匀；另外，预热装置在增材制造设备中的布放、集成也存在问题。

为了避免基体整体加热带来的不利影响，方法之一是采用随加工激光同步移动的热源实现局部预热缓冷，如中国专利说明书第201410480190.1号中把激光束分成加工光束和椭圆形均匀光束，在进行激光熔覆前，先输出椭圆形均匀光束，后输出加工光束，开始激光熔覆时，加工光束位于椭圆形均匀光束范围内，两者同速同方向移动，激光熔覆过程结束时，椭圆形均匀光束滞后于加工光束关闭，但专利中并未提到该方法的实现方法。

中国专利说明书第201110352257.X号采用两台激光器进行激光熔覆，其中同一激光器中采用分束镜将激光分为一前一后两束激光，其中前激光用于基体预热，后激光用于熔覆缓冷，该方法能够有效消除熔覆层中的残余内应力，抑制裂纹产生，但该方法只能在直线熔覆过程中有效，对于具有拐角结构的激光熔覆无法适用，通用性差。

发明内容

为了解决上述基体预热或/和熔覆层缓冷方法中存在的问题，本发明公开了一种采用中心能量密度分布高、周围能量密度低，截面包络接近圆形的激光光束的金属粉末激光熔融增材制造装置及其成形方法。

本发明公开的金属粉末激光熔融增材制造装置，包括成形光源发生器、成形光源扩束组件、聚焦组件，其特征在于：所述装置还包括光路合成组件、调温光源发生器、调温光源扩束组件；所述成形光源发生器沿成形光的光路方向依次与所述成形光源扩束组件、所述光路合成组件、所述聚焦组件固定连接；所述调温光源发生器沿调温光的光路方向依次与所述调温光源扩束组件、所述光路合成组件固定连接。

本发明采用至少2组光源向工件成形部位提供能量：所述光源经由不同焦距的扩束组件进行扩束处理，其特征在于：所述成形光源扩束组件与所述调温光源扩束组件具有不同的焦距，其特征还在于所述成形光源扩束组件出射光光路截面直径小于所述调温光源扩束组件出射光光路截面直径；使得工件部位形成了环形分布的预热、缓冷区域，同时保持了一能量密度高的熔覆成形区域。