[发明专利]一种激光增材制造熔池结构演化原位观察的装置及方法

说明书

本发明公开了一种激光增材制造熔池结构演化原位观察的装置，包括环境室、同步辐射X射线源、激光器和平面探测器，环境室连通有分子泵，环境室的顶部设置有红外透明窗，环境室位于同步辐射X射线源和平面探测器之间，环境室的侧壁上设置有第一铍窗和第二铍窗。一种激光增材制造熔池结构演化原位观察的方法，包括以下步骤：(1)将待测合金粉末放置在粉末床上，然后将粉末床放置在环境室中；(2)开启同步辐射X射线源和激光器，同时平面探测器记录粉末熔化时X射线束图像并将其转化为X射线束投影图片储存在计算机中；(3)利用图像处理软件对投影图片进行处理。本发明能够实现增材制造过程中熔池结构演化过程的原位观察和在线无损检测。

技术领域

本发明涉及X射线束无损检测技术领域，特别是涉及一种激光增材制造熔池结构演化原位观察的装置及方法。

背景技术

增材制造技术，俗称3D打印技术，是从20世纪80年代发展起来的一种新型先进制造技术。它借鉴了快速原型技术“离散+堆积”的思想，以粉末为原料，通过CAD模型预分层处理，将粉体材料预先铺展在基板区域，利用高能束能量源根据预先规划的扫描路径逐层熔化或烧结粉末，直接净成形出零件。相比于传统的减材制造技术，该技术的特点是材料利用率高、生产制造周期短，可以实现复杂结构零件的快速、无模具、近净成形。因此，该技术在医疗、航空航天、汽车和国防工业领域有重要的发展前景。

选区激光束熔化技术是金属增材制造中应用最成熟、最广泛的工艺之一。这种技术制造的金属构件性能可达到同成分锻件水平，精度远高于精铸工艺，并保持内部较高致密度。而且近年来随着多激光束器、多振镜协同的选区激光束熔化装备及技术的发展，为结构复杂的大尺寸成形件制造开辟了新方向。目前，该技术已经在钛合金、铝合金和不锈钢等材料上获得了成功应用。然而，在选区激光束熔化的过程当中，金属零件在激光束的作用下通常会经历复杂的热力学行为，包括多种方式的热传递，质量和动量传递，以及流体流动。零件的成形性能会受激光束功率、扫描速度、扫描间距、粉体材料、腔室环境等诸多参数的影响。熔池在这种非稳定状态下难以避免地产生孔隙、球化、未熔合孔洞、裂纹等缺陷。为了避免其内部缺陷形成，需要表征打印过程中的缺陷形成过程，进而研究缺陷形成机制，从而达到提高成形质量的目的。

但目前传统的零件检测方法往往是破坏性检测，零件在检测过程中被破坏，难以获得更加全面的检测信息。因此，亟需用先进的检测装置熔池结构演化过程进行原位观察。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光增材制造熔池结构演化原位观察的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现增材制造过程中熔池结构演化过程的原位观察和在线无损检测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种激光增材制造熔池结构演化原位观察的装置，包括环境室、同步辐射X射线源、激光器和平面探测器，所述环境室连通有分子泵，所述环境室的顶部设置有红外透明窗，所述激光器发出的激光束能够通过所述红外透明窗入射到所述环境室内的粉末床上的粉末上，所述环境室位于所述同步辐射X射线源和所述平面探测器之间，所述环境室的侧壁上设置有第一铍窗和第二铍窗，所述同步辐射X射线源发出的X射线束能够依次穿过所述第一铍窗、所述粉末和所述第二铍窗投射到所述平面探测器的感光底片上。

优选的，所述环境室的底部还设置有电源和真空传感器，所述真空传感器通过真空硅管与所述环境室连通，所述分子泵通过波纹管与所述环境室连通，所述真空传感器用于检测所述环境室内部的真空度，所述真空传感器和所述分子泵分别与控制器电连接，所述真空传感器和所述分子泵分别与所述电源电连接。

优选的，所述同步辐射X射线源和所述环境室之间还设置有两个上下分布的挡板，两个所述挡板之间形成有狭缝，所述同步辐射X射线源发出的X射线束能够穿过所述狭缝。

优选的，还包括红外反射器，所述激光器发出的激光束经过所述红外反射器的反射后再通过所述红外透明窗入射到所述环境室内。