[发明专利]原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置及其方法

权利要求书

1.一种原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置，包括LDED成形设备；所述LDED成形设备包括LDED控制装置、打印平台以及激光打印沉积头，激光打印沉积头在LDED控制装置的控制下，能够按照LDED控制装置内预设的打印路径在打印平台上沉积而成沉积体，沉积体包括交替层叠的Ti沉积层、Al沉积层以及处于Ti沉积层、Al沉积层之间的界面层，其特征在于，还包括电弧感应加热设备；所述电弧感应加热设备，包括升降机构、电弧感应线圈以及感应继电器；

所述的电弧感应线圈布置在沉积体的轮廓外，且电弧感应线圈与感应继电器串联后与电源连接，同时电弧感应线圈与升降机构的动力输出端连接；升降机构在LDED控制装置控制下，能够带动电弧感应线圈相对于打印平台升降；在沉积体每沉积N层沉积层后，通过控制升降机构，同步对已沉积的N层沉积层中高度为H的部分进行感应加热；其中：

H＝H_N-n

式中：H_N表示N层沉积层的总高度，N≥1；n表示热影响区尺寸参数。

2.根据权利要求1所述的原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置，其特征在于，所述的电弧感应线圈为螺旋加热线圈；所述的螺旋加热线圈包括有若干层加热线圈，每一层加热线圈上均安装有一个感应继电器；沉积体的每一层沉积层的轮廓外均至少设置有一层加热线圈；

所述的LDED控制装置能够根据沉积体中各层沉积层的沉积速度，动态开启或关闭螺旋加热线圈上的相应感应继电器。

3.根据权利要求2所述的原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置，其特征在于，所述的LDED控制装置能够根据激光扫描速率v₁、N层沉积层构成的沉积体所需要的感应加热时间τ，来确定螺旋加热线圈在升降机构带动下的移动速度v_r以及各层加热线圈的加热时间t。

4.根据权利要求3所述的原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置，其特征在于，所述螺旋加热线圈的移动速度v_r满足：

上式中，C表示需要感应热处理的沉积层在沉积体中的所在层数；k₁，k₂，k₃分别表示不同沉积层层数范围下的速度比例系数，x_i为沉积层厚度。

5.根据权利要求4所述的原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置，其特征在于，N层沉积层构成的沉积体所需要的加热线圈匝数ω为：

ω＝ΔI_ω×H/I

式中：ΔI_ω表示加热线圈的单位长度安匝，H表示N层沉积层构成的沉积体所需要的加热高度；I表示加热线圈的电流。

6.根据权利要求5所述的原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置，其特征在于，感应加热线圈内电流I为：

感应加热线圈电功率P_Q：

N层沉积层构成的沉积体所需要的感应热Q：

Q＝M×θ×(T_m-T₀)

式中：U表示电源的电势振幅；表示电功率因数；η表示热效率；τ表示N层沉积层构成的沉积体所需要的感应加热时间；M表示N层沉积层构成的沉积体的质量；θ表示沉积体的比热容；T_m表示N层沉积层构成的沉积体经感应加热线圈加热后的温度；T₀表示环境温度。