[发明专利]一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法

说明书

本发明公开了一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，包括：S10、变化不同的激光参数组合进行激光增材制造实验，同时记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，并得到熔池最高温度；S20、对得到的样品进行测试实验，从而确定最优激光参数组合及其对应的熔池停留时间和熔池最高温度数据，并作为参考数据存储在系统中；S30、在激光增材制造验证或生产中，当熔池停留时间、熔池最高温度和激光参数的关系不符合参考数据时，根据所述参考数据改变激光参数，以使激光参数、熔池热历史曲线和熔池停留时间符合参考数据。本方法可实现在线监测与控制的目的，变事后检测为事中干预，对发展绿色制造、智能制造业、增材制造具有更为深远的现实意义。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法。

背景技术

激光增材制造的过程不同于传统材料的减材制造，传统减材制造在经过铸造、锻造、加工后，采用X射线、超声等检测方法来确定材料是否合格，对于不合格的产品做报废处理或者采用焊接等方法进行补救。但激光增材制造由于是采用层层叠加而生产出来的，如同盖楼房一样层层累加，在盖楼房时(等同增材制造加工过程中)，如果不能发现缺陷，将带来巨大的损失，因此在线监测非常重要，在监测与监控的质量监控方面要显著区别于传统的制造方法。

对增材制造来说，通常情况下，每一道激光扫描能熔化并重新凝固数层粉末，粉末层的厚度通常为20μm至几个mm。在每一次激光照射后将额外的粉末从工作区刮掉(铺粉)或者直接送上新的粉末(送粉)进行熔化，然后重复上述过程，直到构建出一个坚固的三维(3D)零件。每一个“构建”过程包含数以千计的分层，因此每次运行需要花费几小时、几十到几百个小时。每一次“构建”可以生成数十个相同或不同的零件。

金属基含陶瓷相材料由于综合了金属的强度高、韧性好和塑性变形能力强、综合机械性能好以及陶瓷强化相的高硬度、高耐磨的优点，可以得到在耐磨件的工作表面形成一定厚度的陶瓷金属复合层，以复合层承受磨损，金属基体起承载作用。这种局部复合的方式既能提高耐磨件的耐磨性，又能保证其整体韧性。在选用时，陶瓷颗粒强化相是复合材料中的主要耐磨相，必须具有比基体更高的硬度和熔点才能有效地保护基体，同时陶瓷颗粒要与基体具有良好的界面结合性能，这样才能保证在服役过程中不会整体脱落。为了达到以上要求，激光增材制造陶瓷相的时候，陶瓷颗粒和金属基体必须具有一定程度的界面结合能，这样制备出来的符合材料才具有最佳的使用性能。陶瓷与金属结合主要有三种情况，一种是几乎没有界面结合能，此时的陶瓷颗粒只是像金银中镶嵌的宝石一样，两者只是机械结合，此时的复合材料在服役过程中，陶瓷强化相很容易剥落而早期失效。第二种是陶瓷与金属具有较为恰当(适宜)的界面结合能，此时的陶瓷与金属基体是冶金结合，具有最佳的服役性能。第三种是陶瓷强化相与金属的界面结合能过大，即陶瓷强化相与金属结合(冶金结合)的界面能过大，此时陶瓷本身的性能已经受到损伤，得到的复合材料的性能虽然比第一种情形要好，但不是我们所期望的，因为这种情况相当于花了冤枉钱。没有实现价值的最大化。综合上述问题一起考虑，特别是那些对结构起到关键作用的零件，广泛应用增材制造技术所要面临的重大挑战是成品的合格性以及如何检定其合格性。最近，关于增材制造的一些报道都在呼吁借助在线、闭环的过程控制和传感器来确保增材制造的质量、一致性和再现性。在线质量监测，有利于减少浪费，这将免除通常在构建(修改为构件)后进行的检测或破坏性测试。传统的陶瓷涂层的制造是没有在线监测的，都是事后检验，一旦发现不合格，造成巨大的浪费。所以在线监测制备含陶瓷强化相的复合材料迫在眉睫。

随着冶金机械、石油化工、水泥、轮船、航空航天、轨道交通等行业的高速发展，在激光设备价格下降、自动化程度提高的影响下，对增材制造质量的要求越来越高，现有的质量检测方法已无法满足现有制造业对激光增材制造的质量要求和自动化的现实需求。因此，需要针对激光增材制造设计一种在线监测方法。综上所述，如何有效地解决激光增材制造质量要求难以满足等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容