[发明专利]一种激光增材制造成形区温度梯度可控的装置及其实现方法

说明书

本发明公开了一种激光增材制造成形区温度梯度可控的装置，包括平台，支撑紧固基座，固定于支撑紧固基座底端的步进电机，设置于支撑紧固基座一侧的第一凹槽，一端与步进电机同轴连接的转动杆，安装于第一凹槽内的井式电阻加热机构，设置于井式电阻加热机构内且通过转动杆带动上下移动的高温合金模具，热电偶测温机构，基板，位于基板上方的激光熔覆头，成形区，运动控制系统，加热控制系统，以及温度控制反馈系统，其中，高温合金模具与第一凹槽形状匹配。本发明还提供该激光增材制造成形区温度梯度可控的装置的实现方法。本发明可对基板进行加热和控温，保证成形区的温度梯度，降低成形、修复过程中热应力开裂风险和成形件的整体残余应力。

技术领域

本发明涉及激光增材制造领域，具体地讲，是涉及一种激光增材制造成形区温度梯度可控的装置及其实现方法。

背景技术

激光增材制造技术(3D打印技术中的一种)主要通过高能束激光在合金基板上形成熔池，同步的将合金粉末或丝材送进熔池熔化后凝固，进而逐点逐层堆积成型。相比较传统铸造和粉末冶金技术，具有无模具、短周期、低成本等优势，在复杂结构高性能金属零件的快速成形与修复方面发挥着重要作用。目前国内外研究机构和相关学者对钛合金、铝合金、高温合金等金属材料激光增材制造的装备、工艺、组织和性能开展了大量的研究工作。

然而，在激光增材制造过程中，由于基板一般处于冷态，而熔池温度处于高温状态，因此成形区域的温度梯度较大，在随后凝固过程中，较大的温度梯度可能会导致热应力开裂。此外，随着沉积层数的增多，成形区的温度梯度在不断的变化，因此会导致成形件在不同位置的组织存在一定差异，进而影响整体零件性能的提高。

由此可见，为了将激光增材制造技术真正有效地应用与金属加工领域，迫切的需要在成形过程中对成形区的温度梯度进行调控，以此减少零件的热应力开裂、变形、组织差异等问题，进而提高其力学性能。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种在成形过程中可对成形区的温度梯度进行调控，减少了零件的热应力开裂、变形、组织差异等问题的激光增材制造成形区温度梯度可控的装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种激光增材制造成形区温度梯度可控的装置，包括用于加工的平台，固定于所述平台上的支撑紧固基座，固定于所述支撑紧固基座底端且通过平台支撑的步进电机，设置于所述支撑紧固基座远离平台一侧的第一凹槽，一端与所述步进电机同轴连接且另一端穿入第一凹槽内的转动杆，安装于所述第一凹槽内且由转动杆穿过的井式电阻加热机构，设置于所述井式电阻加热机构内且与转动杆连接的高温合金模具，安装于所述高温合金模具外部的热电偶测温机构，固定于所述高温合金模具远离第一凹槽一端的基板，位于所述基板上方的激光熔覆头，位于所述基板与激光熔覆头之间的成形区，通过电路分别与所述步进电机和激光熔覆头连接的运动控制系统，通过电路与所述井式电阻加热机构连接的加热控制系统，以及与所述热电偶测温机构和加热控制系统通过电路连接的温度控制反馈系统，其中，所述高温合金模具与第一凹槽形状匹配，所述高温合金模具通过转动杆带动其在井式电阻加热机构内上下移动。

进一步地，所述井式电阻加热机构包括铺设于所述第一凹槽内的保温层，以及铺设于所述保温层上且通过电路与加热控制系统连接的电阻层，其中，所述高温合金模具安装于电阻层内，所述转动杆穿过保温层和电阻层与高温合金模具连接。

进一步地，所述高温合金模具远离平台的一端设置有与基板尺寸匹配的第二凹槽，其中，所述基板安装于第二凹槽内。

具体地，所述高温合金模具的截面形状为方形，与转动杆连接的一端固定有与转动杆螺纹连接的螺母，所述高温合金模具内设置有位于螺母与第二凹槽之间且用于容纳转动杆的转动空间，其中，所述第一凹槽截面形状为与高温合金模具形状匹配的方形。

具体地，所述基板通过螺钉固定于所述第二凹槽内。

具体地，所述基板的温度通过加热控制系统控制在25～800℃。