一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法

技术领域

本发明属增材制造技术领域，尤其涉及一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing,AM)作为一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法快速加工制造技术，它具有生产周期短，材料利用率高，不需要模具就可直接加工成形等优点，近年来一直备受关注。利用增材制造技术进行金属零件的直接制造已经扩展到航空航天、医学医疗、汽车制造等领域。根据加工材料和成形原理的差异，增材制造可以分为多种技术，主要包括光固化成形(SLA)、熔融沉积成形(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光选区烧结(SLS)和激光选区熔化(SLM)等技术。激光粉末床增材制造作为增材制造的一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法实施方式，使用建模软件建立模型后，通过专用软件对模型进行切片，并设置具体的工艺参数，之后将切片数据及具体工艺输入操作设备，采用高能密度激光束将均匀铺平在金属基板上的金属粉末逐点、逐线、逐层熔化直接制造出功能零件，从而优于锻造工件性能的金属工件，这使得它近年来成为国内外研究的热点。

但目前市场上激光粉末床增材制造技术，无论是激光选区烧结工艺还是激光选区熔化工艺，其成形是快速熔化与凝固的过程，加工过程中会产生许多不可控的影响因素，如激光快速作用在粉末上会产生球化、裂纹、过烧、成形尺寸精度低等现象，存在一定的工艺缺陷。另一方面，连续激光作用下产生的飞溅出会阻碍熔化层之间的粘接，影响成形零件的力学性能。由于此类缺陷的存在使得增材制造成形零件的质量稳定性较差，从而限制了增材制造的发展以及在实际中的应用。

为了解决上述缺陷，不少研究者开始采用脉冲激光代替连续激光成形零件。与连续激光相比脉冲激光能量便于控制，在激光光斑直径不变的情况下，连续激光只能通过改变扫描速率和激光功率改变输入能量，而脉冲激光可以通过脉冲峰值功率，脉冲作用时间、点距离、脉冲重复频率等参数控制能量的输入。脉冲激光作用的时间相对较短，且脉冲激光烧结较小的热扩散深度使得其热影响区相对较小，而较小的热影响区导致在激光烧结过程中熔池周边的粘粉减小，最终带来更高的加工精度，尤其是侧面加工精度，进而获得更加精细和均匀的微观结构。但由于脉冲激光峰值功率较高，烧结过程中会产生等离子体，其反冲压力会引起剧烈的飞溅，从而导致粉末堆积、粉末铺展不均匀等现象，影响零件的成形质量。所以如何改善此类成形缺陷是激光粉末床增材制造技术亟需解决的问题。

随着金属的电效应被发现，以及电塑效应的提出，国内越来越多的科研人员开始在金属加工过程中通入脉冲电流来强化金属材料的可加工和综合性能。根据相关研究，脉冲电流引起的电致热效应，使得流过材料内部的电流与电阻相互作用而产生热量，这种热产生导致金属的热软化。与此同时脉冲电流所导致的电致塑性使得高速运动的电子会对材料中原本静止的原子产生一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法断续式撞击，从而对位错产生推力，降低了材料的流动应力，提高零件的可成形，因此脉冲电流在改善零件缺陷增强零件强度方面具有良好的应用前景。例如，授权专利CN 105855549B公开了一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法脉冲激光填丝增材制造镍基合金结构的方法，该发明以脉冲激光填丝焊接系统为基础，以惰性气体作为保护气体，通过层层沉积的方式得到最终的结构。但该方法忽略了在激光高速扫描时，液相停留的时间很短，脉冲激光的能量密度不足，所以液相在基底上的润湿和铺展不充分，从而导致熔池边缘产生球化等缺陷，影响零件的成形精度。又如，授权专利CN 104755197B公开了增材制造方法和设备，该发明使用纤维激光在基材上向粉末材料施加脉冲激光能量，以选择性和快速熔合在粉末床中布置的一定量的铝合金粉末材料，通过选择性的烧结优化脉冲激光烧结。但该方法忽略了高功率下脉冲激光会产生等离子体反冲力，导致飞溅，飞溅的问题依然没有解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置及方法，以解决上述问题，达到以脉冲激光为热源，并在烧结过程中耦合脉冲电流，脉冲激光与脉冲电流协同调节共同作用，使得金属粉末从脉冲激光中吸收的能量低于等离子体产生的阈值，从而降低蒸汽反冲压强和等离子体反冲压强，减少飞溅的产生，以提高增材制造零件的成形精度和成形质量，增加增材制造零件的实用性的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置，包括：成型腔体；所述成型腔体底部固定安装有成形缸和粉料缸；所述粉料缸内存储有金属粉末；所述成型腔体内设置有刮板，所述刮板用于将所述金属粉末输送至所述成形缸内；所述成形缸内安装有基板；所述基板与脉冲电流发生器电性连接；所述基板上放置有成形零件；

所述成型腔体内还设置有光学系统；所述光学系统和脉冲电流发生器均与控制中心电性连接。

所述光学系统包括脉冲激光器，激光振镜和光学透镜；所述激光振镜和光学透镜均设置于所述成形零件的正上方；所述脉冲激光器和脉冲电流发生器均与控制中心电性连接。

所述成形缸和粉料缸底部均安装有升降装置，所述升降装置与控制中心电性连接。

所述成型腔体内氧含量低于800ppm。

所述金属粉末为脉冲激光烧结球形粉末，为铝合金粉末、钛合金粉末或镍基合金粉末。

所述脉冲激光器所形成的脉冲激光光斑直径为50μm，功率为0-100W，扫描速度为10-1500mm/s，层厚为5-50μm，扫描间距为40-100μm，频率为20-200KHz可调，脉宽为100-200ns。

一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的方法，包括以下步骤：

根据金属粉末特性和零件属性，对零件模型进行分层处理，并设定数据；

将所述金属粉末加入所述粉料缸内，且向所述成形腔室通入惰性气体；

打开所述脉冲电流发生器，对所述基板预热；

打开所述脉冲激光器，使脉冲激光与脉冲电流实时耦合，使所述金属粉末与成形零件结合成形。

将所述金属粉末置于在所述对零件模型进行分层处理，并设定数据步骤中，具体包括：通过分层切片软件对零件模型进行分层处理，设定分层的脉冲激光功率、送粉量、扫描速度和扫描间距。

所述脉冲激光器使脉冲激光与脉冲电流实时耦合，使所述金属粉末与成形零件结合成形步骤具体包括：调节激光器频率、脉宽和入射时刻，使脉冲激光与脉冲电流实时耦合，根据熔池的特征实时调节峰值脉冲电流来减小等离子体反冲压强。

所述脉冲激光器的脉冲电流峰值输出电流为380A，电流频率最大为100KHz，最大脉宽为100μs。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：1.采用脉冲激光为热源，其成形的平均功率小，较小的热扩散深度使得其热影响区相对较小，最终带来更高的加工精度和成形质量，所以脉冲激光烧结在成形微小复杂零件时有其独特优势。

2.使得高频率的脉冲电流所产生的焦耳热效应和流动应力效应可以很好的与脉冲激光形成热-力作用耦合，提高了零件和材料的可加工性，拓宽了脉冲激光烧结的工艺窗口，提高了零件的成形质量。

3.通过调整脉冲峰值电流和频率，使得金属粉末从脉冲激光中吸收的能量低于等离子体产生的阈值，从而降低等离子体反冲压强，实现飞溅的抑制和低功率作用下的烧结成形，减少了烧结过程中飞溅对成形质量的影响。

4.使用绿色无污染能源，整体流程全自动化操作，减少了人力的浪费，成形效率高，保障了使用者的自身安全，提高了增材制造加工的精度，整体经济性、安全性、工作效率、成形质量以及实用性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置示意图；

图2为实例1中的脉冲激光烧结零件表面宏观形貌图；

图3为实例2中的引入脉冲电流后脉冲激光烧结零件表面宏观形貌图；

其中，1-控制中心；2-脉冲激光器；3-激光振镜；4-成形腔；5-光学透镜；6-成形零件；7-基板；8-成形缸；9-脉冲电流发生器；10-粉料缸；11-金属粉末；12-刮刀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的装置，包括：成型腔体4；成型腔体4底部固定安装有成形缸8和粉料缸10；粉料缸10内存储有金属粉末11；成型腔体4内设置有刮板12，刮板12用于将金属粉末11输送至成形缸8内；成形缸8内安装有基板7；基板7与脉冲电流发生器9电性连接；基板7上放置有成形零件6；

成型腔体4内还设置有光学系统；光学系统和脉冲电流发生器9均与控制中心1电性连接。

光学系统包括脉冲激光器2，激光振镜3和光学透镜5；激光振镜3和光学透镜5均设置于成形零件6的正上方；脉冲激光器2和脉冲电流发生器9均与控制中心1电性连接。

成形缸8和粉料缸10底部均安装有升降装置，升降装置与控制中心1电性连接。

在本发明的一个优选方案中，升降装置用于使金属粉末11伸出或收入缸体内。

成型腔体4内氧含量低于800ppm。

金属粉末11为脉冲激光烧结球形粉末，为铝合金粉末、钛合金粉末或镍基合金粉末。

在本发明的一个优选方案中，粉末粒径为2～10μm，具有较好的流动性，较高的松装密度。

脉冲激光器2所形成的脉冲激光光斑直径为50μm，功率为0-100W，扫描速度为10-1500mm/s，层厚为5-50μm，扫描间距为40-100μm，频率为20-200KHz可调，脉宽为100-200ns。

一种脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅的方法，包括以下步骤：

根据金属粉末特性和零件属性，对零件模型进行分层处理，并设定数据；

将金属粉末加入粉料缸内，且向成形腔室通入惰性气体；

打开脉冲电流发生器，对基板预热；

打开脉冲激光器，使脉冲激光与脉冲电流实时耦合，使金属粉末与成形零件结合成形。

在本发明的一个优选方案中，打开脉冲电流发生器，对基板预热具体包括通过示波器控制脉冲电流波形、频率和脉宽，使得基板上的合金粉末在进行激光烧结的过程中具备电致热、流动应力等效应。

将金属粉末置于在对零件模型进行分层处理，并设定数据步骤中，具体包括：通过分层切片软件对零件模型进行分层处理，设定分层的脉冲激光功率、送粉量、扫描速度和扫描间距。

在本发明的一个优选方案中，零件模型为stl模型；惰性气体为氩气。

脉冲激光器，使脉冲激光与脉冲电流实时耦合，使金属粉末与成形零件结合成形步骤具体包括：调节激光器频率、脉宽和入射时刻，使脉冲激光与脉冲电流实时耦合，根据熔池的特征实时调节峰值脉冲电流来减小等离子体反冲压强。

进一步的，根据熔池的特征实时调节峰值脉冲电流来减小等离子体反冲压强是为了实现对粉末飞溅的抑制。

进一步的，末飞溅主要是由等离子体反冲压强产生，通过推导可知，等离子体反冲压强

脉冲激光器的脉冲电流峰值输出电流为380A，电流频率最大为100KHz，最大脉宽为100μs。

在本发明的一个优选方案中，通过调节脉冲电流和脉冲激光的频率、脉宽和入射时刻，实现电脉冲和激光熔化的实时耦合，从而提高脉冲激光烧结的成形性能。

在本发明的一个优选方案中，如图1所示，脉冲电流辅助脉冲激光烧结抑制飞溅装置的具体操作方式为，粉料缸10位于成形缸8左侧，用于暂时贮存金属粉末11，基板7通过螺钉固定于成形缸8上方；在每次铺粉之前，刮刀12总是位于成形腔体4最左侧。由控制中心1控制粉料缸10上升20μm，与此同时成型缸8下降20μm。接着刮刀12匀速从右向左移动至最右侧，将粉料缸10高于平面的金属粉末均匀的铺到基板7表面。最后刮刀12返回最左端完成一次铺粉循环，等待该层脉冲激光烧结完成进行下一次铺粉。

激光振镜3和光学透镜5集成于成形缸8上方，脉冲激光由脉冲激光器2激发，经过激光振镜3的光学反射镜形成所需要的光束，最后光束通过光学透镜5聚焦脉冲激光烧结基板7表面中的金属粉末11。

在本发明的一个优选方案中，还包括气体循环净化系统，开始成型前，进行除氧程序，成形腔体4内置有传感器，氧含量实时显示在控制中心1面板上，抽真空装置将成形腔体4内抽成低气压状态，然后送气装置向成形腔体4充入氦气；继续启动抽真空装置，如此反复循环，直至成形腔体4内氧气含量低于800ppm时加工过程才能进行。加工过程中气体循环净化系统持续工作，目的是保持成形腔体4内的低氧环境。

实施例一：

步骤一：实验前将金属粉末11放入真空干燥箱内进行干燥脱水预处理，以减少粉末团聚，防止其对脉冲激光烧结质量造成影响。设置真空干燥箱内真空度为0.08MPa，以防止粉末燃烧氧化，干燥温度为80～100℃，干燥时间为2～3个小时。

步骤二：根据金属粉末11特性和零件属性，建立代加工零件的三维模型，对待加工零件CAD三维模型进行预处理，包括切片、修复、支撑、以及在成形缸8上的布置，并设定脉冲激光烧结的工艺参数；具体的，设置脉冲激光脉冲频率为50KHz，脉宽为100ns，功率为50W，扫描速度为400mm/s，层厚为20μm，扫描间距为60μm，完成后将stl文件导入控制中心1。

步骤三：将干燥冷却后的金属粉末11加入粉料缸10，并将粉末铺平。成形前首先打开气体循环净化系统，进行除氧程序，成形腔体4内置有传感器，氧含量实时显示在计算机面板上，抽真空装置将成形腔体4内抽成低气压状态，然后送气装置向成形腔体4充入氦气；如此反复循环，直至成形腔体4内氧气含量低于800ppm时加工过程才能进行。

步骤四：控制粉料缸10上升20μm，与此同时成形缸8下降20μm，接着刮刀7匀速从左向右移动至成形腔体4最右侧，将粉料缸10高于平面的金属粉末均匀的铺到成形缸8中，最后刮刀12返回最左端完成一次铺粉，控制中心1控制打开脉冲激光器2，在惰性气氛中进行脉冲激光烧结工艺，每成型一层后铺粉一次，如此循环，根据设定工艺参数在基板7上逐层打印实体零件6。

步骤五：在零件完成打印后，关闭脉冲激光，取出基板7，最后通过线切割取下零件。所获得脉冲激光烧结零件表面微观形貌如图2所示。

实施例二：

所用的方法与装置与实施例1相同，仅在脉冲激光烧结前，控制打开脉冲电流发生器9，引入均值为60A、频率为50KHz、脉宽为250ns的脉冲电流，并调节脉冲激光的入射时刻，使脉冲电流与脉冲激光实时耦合成形零件。所获得成形零件表面微观形貌如图3所示。

对比图2、图3可以发现，由于飞溅的产生，金属液滴与粉末粘结形成了球状的表面形貌，使得零件表面十分粗糙，影响零件的成形质量。当引入脉冲电流后，有效降低等离子体反冲压强，抑制了飞溅现象，从而减少了飞溅对零件表面质量的影响，提高零件成形质量效果明显。

综上所示，此方法及装置通过脉冲电流复合增强脉冲激光烧结工艺，采用脉冲激光为热源，热影响区小成形精度高；烧结过程产生的残余压应力与脉冲电流耦合，很大程度上解决了增材制造零件强度低、球化等缺陷；同时，此方法很好的抑制了烧结过程中飞溅的产生，降低了飞溅对成形质量的影响，使得零件的成形精度更高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。