[发明专利]基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及快速成型领域，具体涉及一种基于飞秒激光与离子束

复合技术的快速成型设备和方法。

背景技术

快速成型技术是一种用材料逐层或逐点堆积出器件的制造方法，主要是通过综合机械工程、CAD、数控技术、激光技术和材料等科学技术，把三维零件转化为由一系列二维零件截面制造的叠加。对于金属材料，目前普遍采用的激光烧结在气体保护下进行金属粉末的烧结或熔化，但在烧结某些特种金属如钨、钛及高温合金特种性能金属材料关键件时普通的激光快速成型显现出强度不高、吹粉、球化、残余应力高及表面粗糙高等缺点。目前在快速成型制造过程中仅有外形尺寸利用视觉监控，没有微观结构的原位监控功能，我们无从知道零部件的微观结构，也就不能对其机械性能进行更好地控制。

近些年，短脉冲激光（如纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光）与长脉冲激光相比，热影响较小，加工精度高，因而在精密加工领域备受关注。纳秒激光的脉冲宽度为纳秒（10^-9秒）级，其重复频率一般为数百kHz，最高可达10MHz，因此可以达到很高的加工效率。在稳定性方面，纳秒激光器性能稳定可靠，维护简单，寿命长（大于一万小时），这使得纳秒激光器可以应用于大规模生产线。皮秒（10^-12秒）激光足以避免能量发生热扩散并达到这些消融临界过程所需要的峰值能量密度。皮秒激光器提供较高的平均功率(10 W)和良好的光束质量（M2 < 1.5），可以在有效工作距离内聚焦成一个10 μm或更小的光点，而且皮秒激光的频率可以高达100kHz。飞秒激光是一种超短脉冲激光，脉冲持续时间只有几个飞秒（10^-15秒），但却具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦。对于飞秒激光加工，在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区，热影响区，冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程度，飞秒激光的光束直径可以聚焦到1um，其精度可达100nm，最高可达0.1nm。

离子束加工是指在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面以实现去除材料来进行精细加工的方法，它是靠微观的机械撞击能量，不会引起热应力和损伤。此外，离子束的聚焦直径可以达到10nm以下，其精细加工能力明显优于电子束加工和飞秒激光加工。结合纳秒-皮秒-飞秒激光与离子束的优良性能，无论是大尺寸还是小尺寸零件都可以做到很高的精度。

发明内容

本发明针对目前快速成型制造方法中存在的强度不高、吹粉、球化、残余应力高及表面粗糙高等缺陷，结合飞秒激光和离子束技术，提出了一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光与离子束复合技术的快速成型制造设备和方法。

一种基于飞秒激光与离子束复合技术的快速成型设备，

包括多波长光纤激光器、离子束装置、实时监控系统、进料和铺料装置、工作台、真空室、控制与显示系统；

多波长光纤激光器、离子束装置、实时监控系统、进料和铺料装置、工作台均位于真空室内并分别与控制与显示系统连接。

所述的多波长光纤激光器为集成了纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光三种短脉冲激光的一体化激光器；所述离子束装置（现有技术）用来对激光快速成型制造的器件进行精细加工，是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦并用离子枪发射，主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源等对飞秒激光快速成型制造的器件进行精细加工，如表面抛光、刻蚀小孔或修改微结构等，其精度可以达到10nm以下。

所述实时监控系统包括扫描电镜、质谱仪、X射线衍射仪和红外摄像仪；用来进行实时形貌、成分和微观结构的测量分析并反馈给控制与显示系统。

所述工作台内设置有液体流通管道，管道内通液体用于对零件进行冷却；进料和铺料装置用来铺设原材料用于承载原材料、加工和冷却零件。

所述的扫描电镜集成了二次电子、背散射电子检测设备和能谱仪。

所述的多波长激光器、离子束装置和实时监控系统形成一个闭环系统，以有效控制加工和检测的协调性。

所述的多波长激光器为光纤激光器，用于对原材料如陶瓷、金属等进行选择性烧结熔化，其聚焦直径最小为1um以内，精度为100nm以内，最高为0.1nm。

所述的离子束装置的聚焦直径最小为10nm以下。