[发明专利]增材制造过程中实时调控温度梯度及冷却速率的方法

说明书

本发明公开了一种增材制造过程中实时调控温度梯度及冷却速率的方法，包含以下步骤：S1.采用加热装置将液态金属升温至目标温度；S2.同步开启搅动装置，使液态金属流动；S3.将基板升温至目标温度；S4.发射高能热源，熔化原始材料，开始增材；S5.实时调控液态金属液面与成形件顶端间距；S6.增材结束后，使液态金属浸没成形件；S7.保温后，关闭加热装置，待成形件冷却至室温，逐渐露出液态金属。本发明基于液态金属高沸点、低黏度及高热导率等性能，将其用作增材过程的热管理材料，可实时调控成形件的温度梯度及冷却速率，获得性能各向异性小、裂纹萌生概率低，且具备单晶或细晶结构的成形件，有效提升成形件的综合力学性能。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造过程中实时调控温度梯度及冷却速率的方法。

背景技术

金属增材制造技术，是一种采用高能热源熔化金属粉末或丝材，在基材表面制备具有特殊尺寸结构成形件的新型制造技术。传统的机加工金属减材制造技术往往存在着材料资源大量浪费的弊端，粉末冶金及熔模铸造等金属材料制备工艺也往往也对应着繁杂的工序、高昂的模具成本及时间成本，此外在进行复杂精密构件的小批量制备时，要求制造工艺具备较高的柔性特征。金属增材制造技术具备制造效率高、成形精度高、材料利用率高及高柔性等诸多优势特征，采用金属增材制造技术制备的成形件组织细密、成分几乎无偏析，具备更为优异的综合力学性能，因此金属增材制造技术被认为是一种制备新型动力复杂结构件的高效工艺技术，逐渐应用于航空航天、机车制造、海洋船舶及军工领域。

现阶段，制约金属增材技术进一步发展及应用的主要技术瓶颈为如何抑制金属增材制造过程中成形件的开裂问题及成形件性能的各向异性问题。在金属材料的增材制造过程中，当高能热源与材料相互作用时，由于两者间存在温差，热流沿着成形件厚度方向扩散，在成形件自身导热及其与外界环境的对流换热等因素的综合作用下，成形件各部分存在明显的温度梯度分布。一方面，成形件厚度方向晶粒尺寸不均匀，这就使得成形件性能存在较高的各向异性；另一方面，当材料发生冷塑型变形时，由于温度分布的不均匀性及增材作业固有的高冷却速率，晶粒间或晶粒内各亚晶粒之间的将产生不均匀变形，诱发微观内应力，在同时承受外力载荷时，成形件内部易产生微裂纹，此外，材料的冷塑型变形还会导致金属内部产生大量的位错或空位缺陷，进而造成晶格畸变，产生较大的晶格畸变应力，同样会导致成形件内部微裂纹缺陷的萌生。因此如何更为有效的实时调控金属增材制造过程中成形件的温度梯度及冷却速率，最终获得具备综合力学性能优异的成形件是现阶段金属增材制造领域亟需解决的重要问题。目前，相关领域学者也开展了一系列增材制造过程中调控成形件温度分布的研究工作，但仍存在较多问题，如公开号为CN107159889A的中国专利，提出了一种激光增材制造中制件温度分区测量与控制的方法，将成形工件进行分层分区域，然后对各区域进行温度测量并逐一增材，最终完成整个工件的增材制造，通过此方法能够合理调控成形工件的温度梯度，降低裂纹倾向性，提升成形质量，但也存在着不足，具体表现在：1)增材效率低，不适用大型工件的增材制造；2)分区域增材制造会使得各个区域的增材构件存在较大的边界效应，影响最终成形工件的可靠性。公开号为CN111375766A的中国专利，提出了一种激光增材制造成形区温度梯度可控的装置及其实现方法，通过对基板进行加热或控温，可降低热应力诱导的微裂纹萌生概率，但也存在着不足，具体表现在：仅对基板进行热作用，加热及控温的精度较低，且无法保证成形工件内部热流扩散的均匀性。公开号为CN208513642U的中国专利，提出了一种具有预热和缓冷功能的激光增材制造的装置，通过将激光器输出的光束整形为两束激光，其中一束为圆形光斑，用于增材作业，另一束为环形光斑，用于预热及缓冷作业，有效降低了成形工件的温度梯度及热裂纹，但也存在着不足，具体表现在以下几个方面：1)光束能量分级会造成应用于增材作业的能量降低，因此需进一步提升激光能量，这势必会造成能量的过损耗；2)尽管环形光斑在一定程度上降低了辐照区域的温度梯度，但由于增材制造过程是一个热积累的过程，这就使得成形工件各部分仍存在较大的温度梯度差异。公开号为CN105499569A的中国专利，提出了一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统及其控制方法，在增材制造过程中，通过检测并反馈成形件周边温度场信息，加热系统对成形件周边温度进行分区独立实时调节，调控温度梯度分布，降低热应力诱发的成形件开裂概率，但也存在着不足，具体表现在：加热系统与成型缸内部工件壁面接触，仅能实现壁面温度的调节，且存在较大的温度窗口延迟，不能高效精准调节成形件的温度梯度。