[发明专利]一种用于X射线原位实时探测增材制造机理研究的探测系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于X射线原位实时探测增材制造机理研究的探测系统及方法。本系统包括一增材制造腔体和X射线探测器装置；该增材制造腔体安装在一第一运动调节装置上；该增材制造腔体内设有一第二运动调节装置、样品床；该第二运动调节装置位于该增材制造腔体的底部，该第二运动调节装置上设有一安装座，该样品床安装在该安装座上；该增材制造腔体上开设一入射窗口，用于将能量源产生的激光或电子束通过该入射窗口入射到该样品床上的增材制造材料上，进行增材制造；该增材制造腔体上开设一X射线入射窗口和一X射线出射窗口，X射线源产生的X射线依次通过该X射线入射窗口、该样品床、该X射线出射窗口入射到该X射线探测装置，进行信号探测。

技术领域

本发明属于X射线探测领域和先进制造技术领域，涉及一种用于同步辐射X射线原位实时探测增材制造机理研究的探测系统及方法。

背景技术

以增材制造(3D打印)为代表的先进制造技术可以实现传统工艺难以达到或者无法加工的复杂结构。工业级3D打印(如金属增材制造技术)更是重中之重，已被广泛应用到汽车、生物医药及航空航天等研究领域。

3D打印是一个多物理场耦合、多时空尺度的复杂物理过程，涉及金属粉末的熔化和汽化、熔融金属液体的流动、金属粉末的溅射和再分布、快速凝固和非平衡态相变等等。如果得不到合理控制，会导致表面粗糙度、内部气孔和腔洞、残余应力和纹理结构等各种微结构缺陷的产生，而材料的裂纹萌生往往都始于这些打印缺陷。然而，由于上述物理过程持续时间很短，时间尺度仅为几个毫秒，很难实时观测，因此涉及材料微结构缺陷相关的各种基础物理过程的研究却进展有限，多基于对打印成品的试错经验及理论模拟。

利用高速可见光相机虽然可以实时拍摄并研究增材制造的打印过程，但仅限于诸如粉末溅射、金属凝固形态等打印过程表面的情况，然而3D打印技术关键之处材料内部微结构缺陷的形成却得不到很好的观测和研究。

X射线具有穿透能力，利用高通量、高能量的同步辐射X射线光源，通过超快成像和衍射技术可实时地观测激光熔融金属粉末的动态过程，同时获取表面的粉末溅射以及粉床内部的熔融池、腔洞和气孔形成等过程，并监测材料的相变，探测研究增材制造机理，是一种有力的研究工具，可以为增材制造业提供有益的指导，优化加工制造中各种条件参数的设定，提高产品质量。

现有增材制造设备直接用于X射线探测研究存在诸多问题，被测物品厚度需要满足X射线透射，设备腔体尺寸和设计都要满足X射线探测需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于X射线原位实时探测增材制造过程开展机理研究的探测系统及方法。本系统包括待测样品床及安装座、真空腔体、两套运动位置调节机构、装料装置、X射线探测器装置、激光或电子束源、设备状态监测装置和真空设备及保护气体装置。

针对现有增材制造设备与X射线探测不相匹配的问题，本发明根据X射线探测装置的需要设计了特制的小型增材制造装置，将X射线探测与增材制造装置相结合，实现了利用X射线实时观测增材制造过程，涉及粉床结构设计、结合X射线探测的真空腔体设计。

本发明的技术方案为：

一种用于X射线探测增材制造机理研究的探测系统，其特征在于，包括一增材制造腔体和X射线探测器装置；该增材制造腔体安装在一第一运动调节装置上；该增材制造腔体内设有一第二运动调节装置、样品床；该第二运动调节装置位于该增材制造腔体的底部，该第二运动调节装置上设有一安装座，该样品床安装在该安装座上；

该第一运动调节装置，用于调节该增材制造腔体的水平位置和高度；

该第二运动调节装置，用于调节该样品床在水平二维平面位置和旋转角度；

该增材制造腔体上开设一入射窗口，用于将能量源产生的激光或电子束通过该入射窗口入射到该样品床上的增材制造材料上，进行增材制造；