[发明专利]一种粉末材料超快激光吸收率的测量方法

说明书

一种粉末材料超快激光吸收率的测量方法，属于超快激光增材制造领域。本发明首次提出了超快激光吸收率测试所必要的超快激光辐照下粉末材料随温度变化的比热容的测试方法，与超快激光作用下粉末材料的温度变化率与温度的函数关系的分段拟合方法，可以实现超快激光作用下粉末材料吸收率的精确测量。该方法适用范围广，测量精度高，适用于各种粉末材料超快激光吸收率的实际测量，填补了粉末材料超快激光吸收率测试的技术空白，为工程实践和科学研究提供宝贵的基础数据。

技术领域

本发明属于超快激光增材制造技术领域，特别涉及一种粉末材料超快激光吸收率的测量方法。

背景技术

当前，激光增材制造普遍面临着熔池不稳定、偏析严重、晶粒粗大、机械强度较低等问题，限制了其在工业生产、航空航天等领域的广泛使用。长脉宽激光由于脉冲宽度大于电子-声子耦合时间而产生持续的热作用，导致此种现象更为显著。与连续激光和长脉宽激光相比，超快激光在粉末材料增材制造在高精、控形、控性方面具有显著优势。虽然超快激光在增材制造领域已经显现出显著优势和广阔应用前景，但相关研究尚处于起步阶段，缺乏粉末材料对超快激光吸收率的信息，工艺参数确定主要依靠大量实验摸索，严重掣肘了超快激光增材制造有的放矢地系统研究和深入发展，亟待设计开发一种粉末材料的超快激光吸收率的测试方法。

采用直接测量法测量粉末材料激光吸收率需要准确测量待测粉末从激光辐照开始到冷却至室温的温度变化数据。中国专利202010475614.0(公开日2020年8月28日)和中国专利202010107934.0(公开日2020年5月26日)都提出了采用热电偶测温方法测试粉末材料的激光吸收率。热电偶测温方法需要先与被测物体建立热平衡，响应时间在0.5秒左右，难以准确测量超快激光作用下微小区域快速变化的温度。同时，热电偶的接触式测量会影响熔池的温度分布，带来无法忽略的实验误差，导致测量结果不准确。超快激光作用下的温度场呈现微小区域内高度非平衡的特点，因此，热电偶测温的方法并不适用于粉末材料超快激光吸收率的测量。中国专利202010107934.0(公开日2020年5月26日)通过线圈加热使材料达到预设温度再测量粉末材料在该温度的激光吸收率，然而，该方法忽略了激光作用和线圈加热下材料热历程的不同，测试值误差偏大，无法给超快激光吸收率的测试提供借鉴。

测量超快激光辐照下随温度变化的激光吸收率，必须已知超快激光辐照条件下材料随温度变化的比热容；此外，还需要通过数据拟合等方法减小测试仪器和环境波动等引起的测温误差。已有的比热容测试方法主要有差示扫描量热法、激光闪光法、瞬态平面热源法等，其中差式扫描量热法通过测量炉体加热下待测材料的热焓变化率计算比热容，瞬态平面热源法和激光闪光法法采用炉体加热待测材料达到预设温度，通过测量热阻性材料阶跃升温或长脉宽激光脉冲加热后的待测材料温度变化计算比热容，都不适用于超快激光辐照条件；常规数据拟合方法也是针对长脉宽激光辐照测试全过程的时间-温度数据多项式拟合(如《热处理》，2014,29(04):52-55)，也不适用于材料相对超快激光辐照吸收率的测定。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明首次提出了超快激光辐照下粉末材料随温度变化的比热容测试方法，准确获得了超快激光辐照下粉末材料随温度变化的比热容，解决了测试使用的比热容与实际的比热容偏差大而导致测试吸收率不准确的问题；针对粉末材料超快激光辐照阶段和自然冷却阶段的温度变化的特点，提出温度变化率与温度的函数关系的分段拟合方法，避免了拟合偏差导致的吸收率测算误差。通过超快激光辐照下粉末材料比热容数据的准确测量和温度变化率的分段拟合，实现了粉末材料超快激光吸收率的准确测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粉末材料的超快激光吸收率测量方法。该方法适用于各种不同材料、粒径、形状的粉末在超快激光作用下的吸收率测试，具有适用范围广、测量精度高的特点，为超快激光增材制造的工艺优化及技术发展提供必要的吸收率等基础数据测量的技术支撑。

一种粉末材料的超快激光吸收率测试方法，包括如下步骤：