一種成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化方法與設(shè)備與流程

本發(fā)明屬于高能束增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化方法與設(shè)備，尤其適用于大尺寸、高性能、高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)定向凝固金屬構(gòu)件與單晶金屬構(gòu)件的高效率成形。

背景技術(shù)：
高能束選區(qū)熔化技術(shù)是一種新興的基于粉末床鋪設(shè)的增材制造技術(shù)，其過(guò)程可概括如下：首先用三維軟件設(shè)計(jì)出待成形零部件的3D模型并轉(zhuǎn)換成STL格式；再由切片軟件進(jìn)行切片處理生成二維高能束掃描軌跡；然后在基板表面預(yù)置一層具有一定厚度的粉末，并根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡控制高能束(激光束或電子束)對(duì)粉末床進(jìn)行選區(qū)熔化，進(jìn)而冷卻、凝固形成沉積層；掃描完成后將基板下降一個(gè)與預(yù)置粉末層厚度相當(dāng)?shù)木嚯x；不斷重復(fù)上述鋪粉、掃描與基板下降的過(guò)程，直至完成整個(gè)零部件的成形。由于高能束選區(qū)熔化技術(shù)采用聚焦束斑極小(通常為0.1～0.5mm)的高能束在厚度僅為0.02～0.2mm的粉層上快速掃描，高能束輻照所形成的熔池尺寸通常為微米級(jí)。此時(shí)，熔池下方的基板或零部件已凝固部分可作為有效的散熱體，令熔池內(nèi)部產(chǎn)生極高的溫度梯度，使熔池的定向凝固成為可能。此外，高能束選區(qū)熔化技術(shù)可以成形常規(guī)方法難以加工的復(fù)雜、精細(xì)結(jié)構(gòu)件。因此，有望利用高能束選區(qū)熔化技術(shù)制造在航空航天等領(lǐng)域具有重要意義的高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)定向凝固金屬構(gòu)件與單晶金屬構(gòu)件。目前，國(guó)內(nèi)外已有部分研究者開(kāi)展了利用高能束選區(qū)熔化技術(shù)成形定向凝固金屬構(gòu)件與單晶金屬構(gòu)件的研究。在國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)【選區(qū)激光熔化成形SRR99鎳基單晶的基礎(chǔ)研究】(華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013年)中，研究者利用激光選區(qū)熔化技術(shù)獲得了高度為2mm的SRR99鎳基單晶實(shí)體。在國(guó)外文獻(xiàn)【TexturesformedinaCoCrMoalloybyselectivelasermelting】(DOI：http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.096)中，研究者同樣通過(guò)激光選區(qū)熔化技術(shù)制造出邊長(zhǎng)為10mm的單晶CoCrMo立方體。在國(guó)外文獻(xiàn)【Sitespecificcontrolofcrystallographicgrainorientationthroughelectronbeamadditivemanufacturing】(DOI：10.1179/1743284714Y.0000000734)中，研究者則利用電子束選區(qū)熔化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了體積為25.4×25.4×12.7mm3的Inconel718鎳基高溫合金構(gòu)件的定向凝固成形。然而，現(xiàn)有高能束選區(qū)熔化技術(shù)所成功制造的定向凝固產(chǎn)品或單晶產(chǎn)品的尺寸僅為毫米級(jí)，無(wú)法在真正意義上實(shí)現(xiàn)高性能、大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)定向凝固金屬構(gòu)件與單晶金屬構(gòu)件的高效、近凈成形。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有高能束選區(qū)熔化技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化方法與設(shè)備，旨在實(shí)現(xiàn)大尺寸、高性能、高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)定向凝固金屬構(gòu)件與單晶金屬構(gòu)件的高效率成形。本發(fā)明提供的一種高能束選區(qū)熔化方法，該方法為高能束選區(qū)熔化制造過(guò)程預(yù)設(shè)特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]，G1為使熔池實(shí)現(xiàn)定向凝固的最小溫度梯度，G2為避免成形件殘余應(yīng)力超出其屈服強(qiáng)度而為熔池所設(shè)置的最大溫度梯度；在定向凝固金屬構(gòu)件與單晶金屬構(gòu)件的高能束選區(qū)熔化制造過(guò)程中，以成形區(qū)域的穩(wěn)定溫度作為邊界條件實(shí)時(shí)計(jì)算熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間，并通過(guò)對(duì)成形區(qū)域施加合適的熱流條件實(shí)現(xiàn)對(duì)成形區(qū)域及所述熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間的實(shí)時(shí)調(diào)控，使所述熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間盡量保持在所述特征溫度梯度區(qū)間內(nèi)，直至獲得所需尺寸、性能、精度和顯微結(jié)構(gòu)的金屬構(gòu)件。本發(fā)明提供的一種高能束選區(qū)熔化設(shè)備，包括成形組件，其特征在于，所述成形組件中設(shè)置有測(cè)溫模塊和溫控模塊；測(cè)溫模塊包括一個(gè)粉末床測(cè)溫子模塊以及N個(gè)成形缸測(cè)溫子模塊，N≥1；所述粉末床測(cè)溫子模塊位于成形缸體上方，用于測(cè)量零部件成形過(guò)程中粉末床表面的溫度場(chǎng)分布；所述N個(gè)成形缸測(cè)溫子模塊位于成形缸體側(cè)壁外側(cè)并將后者緊密環(huán)繞，用于測(cè)量成形缸體側(cè)壁的溫度場(chǎng)分布；粉末床測(cè)溫子模塊與成形缸測(cè)溫子模塊還用于將其測(cè)得的成形區(qū)域溫度場(chǎng)分布傳輸至控制系統(tǒng)；溫控模塊包括一個(gè)基板溫控子模塊以及M個(gè)成形缸溫控子模塊，M≥1(M與N可相等或不等)；所述基板溫控子模塊與基板相連且位于基板下方，它根據(jù)控制系統(tǒng)所發(fā)送的控制信號(hào)，為基板提供合適的熱流條件；所述M個(gè)成形缸溫控子模塊位于成形缸體側(cè)壁外側(cè)并將后者緊密環(huán)繞，它們根據(jù)控制系統(tǒng)所發(fā)送的控制信號(hào)，為成型缸側(cè)壁提供合適的熱流條件；本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：(1)本發(fā)明可以實(shí)時(shí)監(jiān)控高能束選區(qū)熔化成形區(qū)域的溫度梯度，并在必要時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)控，以確保熔池的定向凝固條件，實(shí)現(xiàn)大尺寸、高性能、高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)定向凝固金屬構(gòu)件與單晶金屬構(gòu)件的高效成形；(2)本發(fā)明可根據(jù)實(shí)際加工需要靈活調(diào)整測(cè)溫模塊與溫控模塊的結(jié)構(gòu)及其所包含子模塊的數(shù)量，進(jìn)而在保證完成定向凝固構(gòu)件與單晶構(gòu)件成形的前提下降低制造、運(yùn)行與維護(hù)成本；(3)利用本發(fā)明可靈活改變成形過(guò)程各階段的溫度梯度分布，制造功能/結(jié)構(gòu)梯度零部件。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明所公布的第一種優(yōu)選的成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化設(shè)備的成形組件與高能束輸出模塊示意圖；圖2為實(shí)施例1所涉及的降溫子集成塊的構(gòu)成示意圖；圖3為本發(fā)明所公布的第二種優(yōu)選的成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化設(shè)備的成形組件與高能束輸出模塊示意圖；圖4為本發(fā)明所公布的第三種優(yōu)選的成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化設(shè)備的基板溫控子模塊71示意圖；圖5為本發(fā)明所公布的第三種優(yōu)選的成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化設(shè)備的成形缸溫控子模塊72示意圖。具體實(shí)施方式申請(qǐng)人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有高能束選區(qū)熔化技術(shù)在制造定向凝固金屬構(gòu)件與單晶金屬構(gòu)件時(shí)，由于成形區(qū)域內(nèi)不可避免的熱積累效應(yīng)，基板與零部件已凝固部分的溫度常隨掃描沉積層數(shù)的增加而逐漸上升。這一問(wèn)題致使熔池內(nèi)部的溫度梯度常隨加工層數(shù)增加而不斷下降，難以在整個(gè)制造過(guò)程中維持熔池的定向凝固條件。因此，必須在高能束選區(qū)熔化制造過(guò)程中有效控制成形區(qū)域的溫度梯度，才能制備出大尺寸、高性能、高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)定向凝固金屬構(gòu)件與單晶金屬構(gòu)件。本發(fā)明實(shí)例提供的高能束選區(qū)熔化方法，具體包括下述步驟：(1)將基板安裝在成形缸體內(nèi)部并調(diào)平；其中，基板的材料應(yīng)與待加工零件相同，基板的晶體取向亦應(yīng)與待加工零件所需的晶體取向相同；(2)控制系統(tǒng)根據(jù)待加工零件CAD模型生成高能束掃描軌跡；氣氛控制模塊為成形區(qū)域提供惰性氣體保護(hù)環(huán)境或真空環(huán)境；(3)利用凝固理論，根據(jù)待加工材料與高能束選區(qū)熔化參數(shù)可以計(jì)算出使熔池實(shí)現(xiàn)定向凝固的最小溫度梯度其中，V為高能束掃描速度；K、g為與待加工材料相關(guān)的常數(shù)，可通過(guò)材料學(xué)、冶金學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)查得；(4)為避免成形件殘余應(yīng)力超出其屈服強(qiáng)度，須為熔池設(shè)置最大溫度梯度G2(G2>G1)；G2的具體數(shù)值應(yīng)滿足：當(dāng)熔池內(nèi)部最大溫度梯度達(dá)到G2時(shí)，成形件不出現(xiàn)變形或裂紋；G1、G2共同組成特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]；(5)將基板上升至成形缸體的頂部，鋪粉器在前者上方預(yù)置一層具有一定厚度的粉末并重復(fù)第(6)步至第(10)步，直至完成定向凝固金屬構(gòu)件或者單晶金屬構(gòu)件的成形；(6)為成形區(qū)域提供合適的熱流條件，并實(shí)時(shí)測(cè)量成形區(qū)域的穩(wěn)定溫度，使得以其為邊界條件，計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；(7)高能束輸出模塊根據(jù)已生成的掃描軌跡選擇性熔化粉末層；掃描結(jié)束后，將基板下降一個(gè)與粉層厚度相同的距離，重新鋪粉并掃描加工下一層；(8)下一層的掃描加工完成后，再次將各測(cè)溫子模塊所實(shí)際測(cè)定的成形區(qū)域的穩(wěn)定溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限元理論或有限差分理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]；(9)將基板再次下降一個(gè)與粉層厚度相同的距離，并在基板上再次預(yù)置一層粉末；(10)若滿足G1<G3<G4<G2，則重復(fù)步驟(7)～(9)；若G3≦G1或G4≧G2，則轉(zhuǎn)入第(6)步。與現(xiàn)有高能束選區(qū)熔化成形設(shè)備相比，本發(fā)明主要是對(duì)成形組件進(jìn)行了改進(jìn)，所提供設(shè)備的成形組件除包括成形缸體、基板、基板升降驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外，還包含了測(cè)溫模塊與溫控模塊；其中，基板位于成形缸體內(nèi)部；測(cè)溫模塊由一個(gè)位于成形缸體上方的粉末床測(cè)溫子模塊與N個(gè)位于成形缸體側(cè)壁外側(cè)的成形缸測(cè)溫子模塊構(gòu)成(N≥1)；位于成形缸體上方的粉末床測(cè)溫子模塊由若干紅外測(cè)溫儀或激光測(cè)溫儀構(gòu)成，用以通過(guò)非接觸的方式測(cè)量零部件成形過(guò)程中粉末床表面的溫度場(chǎng)；位于成形缸體側(cè)壁外側(cè)的成形缸測(cè)溫子模塊由若干熱電偶、紅外測(cè)溫儀或激光測(cè)溫儀構(gòu)成，用以通過(guò)非接觸或接觸的方式測(cè)量成形缸體側(cè)壁的溫度分布；溫控模塊由一個(gè)位于基板下方的基板溫控子模塊與M個(gè)位于成形缸體側(cè)壁外側(cè)的成形缸溫控子模塊構(gòu)成(M≥1，M與N可相等或不等)；每個(gè)基板溫控子模塊與成形缸溫控子模塊不僅可由一個(gè)降溫子集成塊構(gòu)成，亦可由一組或多組降溫子集成塊與升溫子集成塊交替放置而構(gòu)成；降溫子集成塊由冷卻端、冷卻介質(zhì)循環(huán)通道、制冷單元構(gòu)成；冷卻端可選用導(dǎo)熱能力較好的金屬材料，其表面應(yīng)緊貼成形缸側(cè)壁或基板底部的對(duì)應(yīng)位置；冷卻端內(nèi)部包含冷卻介質(zhì)回路，該回路通過(guò)冷卻介質(zhì)循環(huán)通道與制冷單元相連；冷卻介質(zhì)循環(huán)通道可選用商用耐低溫軟管或者金屬管；制冷單元可選用不同類(lèi)型的商用低溫冷卻液循環(huán)供給設(shè)備、電制冷設(shè)備、液氮、液氬或者其它低溫氣體，并通過(guò)冷卻介質(zhì)循環(huán)通道為冷卻端提供冷卻介質(zhì)，使冷卻端的溫度可在-120℃～+20℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，進(jìn)而使降溫子集成塊能為成形缸側(cè)壁或基板底部的對(duì)應(yīng)位置施加合適的熱流條件；升溫子集成塊可選用商用熱電阻或電磁、電感加熱裝置，其溫度可在+20℃～+300℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，進(jìn)而為成形缸側(cè)壁或基板底部的對(duì)應(yīng)位置施加合適的熱流條件；基板升降驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可帶動(dòng)基板、基板溫控子模塊沿成形缸體中心線方向垂直上下運(yùn)動(dòng)；根據(jù)實(shí)際需要，本發(fā)明所提供設(shè)備可包含一個(gè)或多個(gè)成形組件；所述控制系統(tǒng)用于生成高能束掃描軌跡，接收測(cè)溫模塊所提供的成形區(qū)域溫度并計(jì)算熔池溫度梯度，控制高能束輸出模塊、氣氛控制模塊、粉末供給回收模塊與成形組件之間的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)；所述高能束輸出模塊位于成形組件上方，并為后者提供高能束能量源，其數(shù)量不少于一個(gè)；當(dāng)選用激光束作為高能束能量源時(shí)，高能束輸出模塊包含激光器、掃描振鏡和相應(yīng)的激光輔助傳導(dǎo)裝置；當(dāng)選用電子束作為高能束能量源時(shí)，高能束輸出模塊包含電子槍、電子偏轉(zhuǎn)器和相應(yīng)的電子束輔助傳導(dǎo)裝置；所述氣氛控制模塊用于實(shí)時(shí)調(diào)控高能束選區(qū)熔化成形區(qū)域的氣氛，可提供惰性氣體保護(hù)環(huán)境或真空環(huán)境；所述粉末供給回收模塊包含粉末供給系統(tǒng)、鋪粉器、粉末回收系統(tǒng)；鋪粉器用于接受粉末供給系統(tǒng)提供的粉末原料，并將粉末在基板或零部件已成形部分的上表面以一定厚度均勻鋪置；鋪粉完成后多余的粉末由鋪粉器送入粉末回收系統(tǒng)。當(dāng)待加工材料的定向凝固能力較強(qiáng)，或待成形件尺寸較小時(shí)，可將所述M個(gè)成形缸溫控子模塊去除，以兼顧成形質(zhì)量與成本。由于本發(fā)明所提供設(shè)備的溫控子模塊可同時(shí)包含一組或多組降溫子集成塊與升溫子集成塊，通過(guò)對(duì)降溫子集成塊與升溫子集成塊進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，還可為成形區(qū)域提供不同的溫度梯度，以使熔池滿足其他凝固條件。同時(shí)，本發(fā)明所提供設(shè)備的溫控/測(cè)溫子模塊的數(shù)量、放置形式也可根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)整。因此，本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案的幾種具體優(yōu)選方案及其對(duì)應(yīng)的技術(shù)流程。下面通過(guò)借助實(shí)施例及附圖更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但下列實(shí)施例及附圖僅是說(shuō)明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。實(shí)施例1本發(fā)明所公布的第一種優(yōu)選的成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化設(shè)備包括成形組件、控制系統(tǒng)、高能束輸出模塊、氣氛控制模塊和粉末供給回收模塊。如圖1所示，成形組件由成形缸體1、基板2、測(cè)溫模塊3、溫控模塊4和基板升降驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5組成。其中，基板2位于成形缸體1內(nèi)部；測(cè)溫模塊3包含測(cè)溫子模塊61～6n(n≧2)：粉末床測(cè)溫子模塊61位于成形缸體1上方不影響高能束輸出模塊8正常工作的任意位置，其內(nèi)部包含若干紅外測(cè)溫儀或激光測(cè)溫儀，用以測(cè)量零部件成形過(guò)程中粉末床表面的溫度場(chǎng)分布；成形缸測(cè)溫子模塊62～6n位于成形缸體側(cè)壁9的外側(cè)，前者呈現(xiàn)環(huán)形并將后者緊緊環(huán)繞；成形缸測(cè)溫子模塊62～6n均可包含若干熱電偶、紅外測(cè)溫儀或激光測(cè)溫儀，用以測(cè)量成形缸體側(cè)壁9的溫度場(chǎng)分布。溫控模塊4包含溫控子模塊71～7n，其中基板溫控子模塊71位于基板2下方并與后者下表面緊密接觸；成形缸溫控子模塊72～7n位于成形缸體側(cè)壁9的外側(cè)，前者呈現(xiàn)環(huán)形并將后者緊緊環(huán)繞。；基板溫控子模塊71與成形缸溫控子模塊72～7n均包含一個(gè)降溫子集成塊10；如圖2所示，降溫子集成塊10由冷卻端11、冷卻介質(zhì)循環(huán)通道12和制冷單元13構(gòu)成；冷卻端11可選用導(dǎo)熱能力較好的金屬材料，其表面應(yīng)緊貼成形缸側(cè)壁或基板底部的對(duì)應(yīng)位置；冷卻端11內(nèi)部包含冷卻介質(zhì)回路14，該回路通過(guò)冷卻介質(zhì)循環(huán)通道12與制冷單元13相連；冷卻介質(zhì)循環(huán)通道12可選用商用耐低溫軟管或者金屬管；制冷單元13可選用不同類(lèi)型的商用低溫冷卻液循環(huán)供給設(shè)備、電制冷設(shè)備、液氮、液氬或者其它低溫氣體，使冷卻端11的溫度可在-120℃～+20℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，進(jìn)而使降溫子集成塊10能為成形缸側(cè)壁或基板底部的對(duì)應(yīng)位置施加合適的熱流條件；成形缸溫控子模塊72～7n與成形缸測(cè)溫子模塊62～6n沿成形缸體1中心線方向自上至下呈周期性交錯(cuò)排列，并將整個(gè)成形缸體側(cè)壁9均勻包圍；基板升降驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5位于基板2與基板溫控子模塊71下方，并可帶動(dòng)基板2與基板溫控子模塊71沿成形缸體1中心線方向進(jìn)行垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所述控制系統(tǒng)用于生成高能束二維掃描軌跡，接收測(cè)溫子模塊61～6n所提供的成形區(qū)域溫度并計(jì)算熔池溫度梯度，控制高能束輸出模塊8、氣氛控制模塊、粉末供給回收模塊與成形組件之間的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)；高能束輸出模塊8位于成形組件上方，并為后者提供高能束能量源。氣氛控制模塊用于實(shí)時(shí)調(diào)控高能束選區(qū)熔化成形區(qū)域的氣氛，可提供惰性氣體保護(hù)環(huán)境或真空環(huán)境。粉末供給回收模塊包含粉末供給系統(tǒng)、鋪粉器、粉末回收系統(tǒng)；鋪粉器用于接受粉末供給系統(tǒng)提供的粉末原料，并將粉末在基板或零部件已成形部分的上表面以一定厚度均勻鋪置；鋪粉完成后多余的粉末由鋪粉器送入粉末回收系統(tǒng)。下面具體闡述利用上述設(shè)備高效成形尺寸為5×5×10cm3的高性能、高精度SRR99鎳基單晶長(zhǎng)方體構(gòu)件的方法：(1)選用SRR99鎳基單晶基板，將基板安裝在成形缸體內(nèi)部并調(diào)平；其中，基板呈(001)晶面平行于上表面的晶體取向；(2)選用激光束作為加工用高能束；控制系統(tǒng)根據(jù)長(zhǎng)方體構(gòu)件的CAD模型生成激光束掃描軌跡；氣氛控制模塊為成形區(qū)域提供氬氣保護(hù)環(huán)境，使成形區(qū)域氧含量低于200ppm；設(shè)置激光選區(qū)熔化成形參數(shù)為：激光功率180W，激光光斑直徑0.1mm，鋪粉層厚度0.02mm，相鄰掃描線間距0.08mm，激光掃描速度300mm/s；(3)利用凝固理論，并根據(jù)預(yù)設(shè)的激光掃描速度與SRR99鎳基合金的相關(guān)常數(shù)計(jì)算出使熔池實(shí)現(xiàn)定向凝固的最小溫度梯度G1＝1.07×107K/m；(4)為避免因殘余應(yīng)力超出其屈服強(qiáng)度而使成形件產(chǎn)生變形或裂紋，根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)為熔池設(shè)置最大溫度梯度G2＝5×1010K/m；G1、G2共同組成特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]；(5)將基板上升至成形缸體的頂部，鋪粉器在前者上方預(yù)置一層厚度為0.02mm的SRR99鎳基合金粉末；(6)開(kāi)啟溫控子模塊71～7n，并設(shè)置其所包含降溫子集成塊10的溫度T(1)～T(n)為：0℃＝T(2)＝T(3)＝…＝T(n)＝T(1)＝0℃；各降溫子集成塊10溫度設(shè)置完畢后，成形區(qū)域接受溫控子模塊的熱流條件發(fā)生溫度變化，將測(cè)溫子模塊61～6n所測(cè)定成形區(qū)域重新穩(wěn)定后的溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限元理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間為[G3＝6×108K/m,G4＝6.1×109K/m]，前者完全被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；(7)高能束輸出模塊在控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)已生成的掃描軌跡發(fā)射激光束并選擇性熔化粉末層；掃描結(jié)束后，將基板下降0.02mm，重新鋪粉并掃描加工下一層；(8)下一層的掃描加工完成后，再次將各測(cè)溫子模塊所實(shí)際測(cè)定的成形區(qū)域的穩(wěn)定溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限元理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]仍被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；(9)不斷重復(fù)上述鋪粉、激光束選擇性熔化、熔池溫度梯度區(qū)間計(jì)算的過(guò)程，直至完成第3022層粉末層的選擇性熔化；在此期間，控制系統(tǒng)所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]始終被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；(10)再次鋪粉并完成第3023層粉末層的選擇性熔化后，由于基板及零件已成形部分的熱積累，控制系統(tǒng)所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3＝9.8×106K/m,G4＝2.3×108K/m]沒(méi)有完全被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含；(11)重新設(shè)置溫控子模塊71～7n所包含降溫子集成塊10的溫度T(1)～T(n)為：-20℃＝T(2)＝T(3)＝…＝T(n)>T(1)＝-50℃；各降溫子集成塊10溫度設(shè)置完畢后，成形區(qū)域接受溫控子模塊的熱流條件發(fā)生溫度變化，將測(cè)溫子模塊61～6n所測(cè)定成形區(qū)域重新穩(wěn)定后的溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限元理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間為[G3＝3×109K/m,G4＝2×1010K/m]，前者完全被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；(12)不斷重復(fù)上述鋪粉、激光束選擇性熔化、熔池溫度梯度區(qū)間計(jì)算的過(guò)程，直至完成SRR99鎳基單晶長(zhǎng)方體構(gòu)件的快速制造；在此期間，控制系統(tǒng)所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]始終被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；由于同時(shí)具備位于基板底部的基板溫控子模塊71與位于成形缸側(cè)壁外側(cè)的成型缸溫控子模塊72～7n，本實(shí)施例所公布的高能束選區(qū)熔化設(shè)備對(duì)成形區(qū)域溫度梯度的調(diào)控能力極強(qiáng)。當(dāng)配合使用本實(shí)施例所公布的高能束選區(qū)熔化方法時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)各種大尺寸、高性能、高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單晶/定向凝固金屬零部件的高效成形。實(shí)施例2當(dāng)待成形金屬構(gòu)件的尺寸較小，或待成形金屬構(gòu)件的單晶/定向凝固結(jié)構(gòu)形成趨勢(shì)較強(qiáng)時(shí)，還可選用下述第二種優(yōu)選的成形區(qū)域溫度梯度可調(diào)控的高能束選區(qū)熔化設(shè)備，進(jìn)而兼顧定向凝固/單晶金屬產(chǎn)品的質(zhì)量與加工成本。本發(fā)明所涉及的第二種優(yōu)選的成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化設(shè)備仍包括成形組件、控制系統(tǒng)、高能束輸出模塊、氣氛控制模塊與粉末供給回收模塊。其中，控制系統(tǒng)、高能束輸出模塊、氣氛控制模塊與粉末供給回收模塊的結(jié)構(gòu)、功能仍與實(shí)施例1中所公布的相同，而成形組件的內(nèi)部構(gòu)成則予以較大改進(jìn)。如圖3所示，此時(shí)成形組件由成形缸體1、基板2、測(cè)溫模塊3、溫控模塊4、基板升降驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5組成。其中，基板2位于成形缸體1內(nèi)部；測(cè)溫模塊3仍由測(cè)溫子模塊61～6n構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)、功能仍與實(shí)施例1中所公布的相同；溫控模塊4僅包含一個(gè)基板溫控子模塊71；基板溫控子模塊71位于基板2下方并與后者下表面緊密接觸，其內(nèi)部構(gòu)成與實(shí)施例1中的基板溫控子模塊71相同；基板升降驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5的結(jié)構(gòu)、功能仍與實(shí)施例1中所公布的相同。利用上述設(shè)備可以在兼顧質(zhì)量與成本的條件下實(shí)現(xiàn)小尺寸、高性能、高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)定向凝固金屬構(gòu)件或單晶金屬零部件的高效率成形，其具體方法與實(shí)施例1所公布的方法大體相同。唯一不同之處在于，此時(shí)僅需調(diào)控基板溫控子模塊71的溫度以使熔池溫度梯度區(qū)間始終位于特征溫度梯度區(qū)間內(nèi)部，從而令操作大大簡(jiǎn)化。下面具體闡述利用上述設(shè)備高效成形尺寸為1×1×1cm3的高性能、高精度SRR99鎳基單晶立方體構(gòu)件的方法：(1)選用SRR99鎳基單晶基板，將基板安裝在成形缸體內(nèi)部并調(diào)平；其中，基板呈(001)晶面平行于上表面的晶體取向；(2)選用激光束作為加工用高能束；控制系統(tǒng)根據(jù)長(zhǎng)方體構(gòu)件的CAD模型生成激光束掃描軌跡；氣氛控制模塊為成形區(qū)域提供氬氣保護(hù)環(huán)境，使成形區(qū)域氧含量低于200ppm；設(shè)置激光選區(qū)熔化成形參數(shù)為：激光功率200W，激光光斑直徑0.1mm，鋪粉層厚度0.02mm，相鄰掃描線間距0.08mm，激光掃描速度100mm/s；(3)利用凝固理論，并根據(jù)預(yù)設(shè)的激光掃描速度與SRR99鎳基合金的相關(guān)常數(shù)計(jì)算出使熔池實(shí)現(xiàn)定向凝固的最小溫度梯度G1＝7.78×106K/m；(4)為避免因殘余應(yīng)力超出其屈服強(qiáng)度而使成形件產(chǎn)生變形或裂紋，根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)為熔池設(shè)置最大溫度梯度G2＝1×1010K/m；G1、G2共同組成特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]；(5)將基板上升至成形缸體的頂部，鋪粉器在前者上方預(yù)置一層厚度為0.02mm的SRR99鎳基合金粉末；(6)開(kāi)啟溫控子模塊71，并設(shè)置其所包含降溫子集成塊10的溫度T(1)為：T(1)＝0℃；設(shè)置完畢后，成形區(qū)域接受溫控子模塊的熱流條件發(fā)生溫度變化，將測(cè)溫子模塊61～6n所測(cè)定成形區(qū)域重新穩(wěn)定后的溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限差分理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間為[G3＝3×108K/m,G4＝5.2×109K/m]，前者完全被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；(7)高能束輸出模塊在控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)已生成的掃描軌跡發(fā)射激光束并選擇性熔化粉末層；掃描結(jié)束后，將基板下降0.02mm，重新鋪粉并掃描加工下一層；(8)下一層的掃描加工完成后，再次將各測(cè)溫子模塊所實(shí)際測(cè)定的成形區(qū)域的穩(wěn)定溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限差分理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]仍被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；(9)不斷重復(fù)上述鋪粉、激光束選擇性熔化、熔池溫度梯度區(qū)間計(jì)算的過(guò)程，直至完成第376層粉末層的選擇性熔化；在此期間，控制系統(tǒng)所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]始終被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；(10)再次鋪粉并完成第377層粉末層的選擇性熔化后，由于基板及零件已成形部分的熱積累，控制系統(tǒng)所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3＝7.72×106K/m,G4＝1.4×108K/m]沒(méi)有完全被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含；(11)重新設(shè)置溫控子模塊71所包含降溫子集成塊10的溫度T(1)為：T(1)＝-20℃；設(shè)置完畢后，成形區(qū)域接受溫控子模塊的熱流條件發(fā)生溫度變化，將測(cè)溫子模塊61～6n所測(cè)定成形區(qū)域重新穩(wěn)定后的溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限差分理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間為[G3＝7.7×108K/m,G4＝8.9×109K/m]，前者完全被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；(12)不斷重復(fù)上述鋪粉、激光束選擇性熔化、熔池溫度梯度區(qū)間計(jì)算的過(guò)程，直至完成SRR99鎳基單晶立方體構(gòu)件的快速制造；在此期間，控制系統(tǒng)所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]始終被特征溫度梯度區(qū)間[G1,G2]所包含，即滿足G1<G3<G4<G2；實(shí)施例3利用本發(fā)明不僅可以使成形區(qū)域的溫度梯度始終滿足定向凝固條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的定向凝固或者單晶零部件的高效成形，還可以根據(jù)實(shí)際加工需要，靈活改變成形過(guò)程各階段的溫度梯度分布，進(jìn)而制造出各種類(lèi)型的功能/結(jié)構(gòu)梯度構(gòu)件。為實(shí)現(xiàn)這種目的，實(shí)施例3公布了第三種優(yōu)選的成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化設(shè)備。該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)仍可與實(shí)施例1所公布的設(shè)備一致，區(qū)別在于，本實(shí)施例對(duì)高能束選區(qū)熔化設(shè)備所包含的溫控子模塊71～7n的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了較大改進(jìn)。如圖4所示，位于基板2下方的基板溫控子模塊71由數(shù)量相同的降溫子集成塊和升溫子集成塊組合而成(m≧1)。降溫子集成塊的構(gòu)成、功能均與實(shí)施例1所公布的降溫子集成塊10相同；升溫子集成塊可選用商用熱電阻或電磁、電感加熱裝置，使其溫度可在+20℃～+300℃之間任意調(diào)節(jié)。降溫子集成塊和升溫子集成塊相互交叉平行排列，他們的上表面均緊貼基板2的下表面。為避免降溫子集成塊和升溫子集成塊相互影響，在相鄰的降溫子集成塊和升溫子集成塊之間放置絕熱層16，絕熱層16可選用商用絕熱材料。如圖5所示，位于成形缸體側(cè)壁9外側(cè)的成形缸溫控子模塊72由兩個(gè)垂直放置的降溫子集成塊和升溫子集成塊組成，降溫子集成塊和升溫子集成塊的內(nèi)部構(gòu)成分別與基板溫控子模塊71中的降溫子集成塊和升溫子集成塊相同。降溫子集成塊和升溫子集成塊之間同樣放置絕熱層16。成形缸溫控子模塊73～7n的結(jié)構(gòu)與成形缸溫控子模塊72相同。利用第三種優(yōu)選的成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化設(shè)備制造功能/結(jié)構(gòu)梯度構(gòu)件的控制流程為：(1)將基板2安裝在成形缸體內(nèi)部并調(diào)平；其中，基板2的材料、組織結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足待加工零件最下方的功能/結(jié)構(gòu)需求；(2)控制系統(tǒng)根據(jù)待加工零件CAD模型生成高能束掃描軌跡；氣氛控制模塊根據(jù)實(shí)際需要為成形區(qū)域提供惰性氣體保護(hù)環(huán)境或真空環(huán)境；(3)根據(jù)梯度構(gòu)件不同高度位置處的具體結(jié)構(gòu)/功能要求，將成形過(guò)程分為j個(gè)階段(j≧2)，并為每個(gè)階段設(shè)置不同的熔池特征溫度梯度區(qū)間(4)將基板2上升至成形缸體1的頂部，鋪粉器在前者上方預(yù)置一層具有一定厚度的粉末并重復(fù)第(5)步至第(9)步，直至完成第1成形階段；(5)開(kāi)啟溫控子模塊71～7n，并遵循下述條件設(shè)置其所包含的降溫子集成塊與升溫子集成塊的溫度：溫控子模塊71～7n所包含的降溫子集成塊與升溫子集成塊的溫度設(shè)置完畢后，成形區(qū)域接受其所施加的熱流條件發(fā)生溫度變化，將測(cè)溫子模塊61～6n所測(cè)定成形區(qū)域穩(wěn)定后的溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限元理論或有限差分理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]應(yīng)被第一成形階段的特征溫度梯度區(qū)間所包含，即滿足(6)高能束輸出模塊8根據(jù)已生成的掃描軌跡選擇性熔化粉末層；掃描完成后，將基板2下降與一個(gè)粉層厚度相同的距離，重新鋪粉并掃描加工下一層；(7)下一層的掃描加工完成后，再次將測(cè)溫子模塊61～6n所實(shí)際測(cè)定的成形區(qū)域溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限元理論或有限差分理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]；(8)將基板2再次下降一個(gè)與粉層厚度相同的距離，并在基板2上再次預(yù)置一層粉末；(9)若滿足則重復(fù)步驟(6)～(8)；若或則轉(zhuǎn)入步驟(5)；(10)根據(jù)第二成形階段的特征溫度梯度區(qū)間仿照步驟(5)～(9)重置溫控子模塊71～7n所包含的降溫子集成塊與升溫子集成塊的溫度并在成形過(guò)程中適當(dāng)予以調(diào)整，使熔池溫度梯度區(qū)間[G3,G4]在第二成形階段始終被熔池特征溫度梯度區(qū)間所包含，即滿足直至完成第二成形階段；(11)依照上述步驟，依次完成后續(xù)j-2個(gè)成形階段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能/結(jié)構(gòu)梯度構(gòu)件的成形。下面結(jié)合一個(gè)鎳基梯度構(gòu)件的快速制造過(guò)程來(lái)更為直觀的描述上述成形區(qū)域溫度梯度可控的高能束選區(qū)熔化方法。其中，待成形梯度構(gòu)件材料仍為SRR99鎳基合金，其形狀呈尺寸為5×5×15cm3的長(zhǎng)方體；由于使用需要，該構(gòu)件最上方5×5×1cm3的部分須為等軸凝固結(jié)構(gòu)，而下方剩余5×5×14cm3的部分則須為單晶凝固結(jié)構(gòu)。成形該梯度構(gòu)件的方法如下：(1)選用SRR99鎳基單晶基板，將基板安裝在成形缸體內(nèi)部并調(diào)平；其中，基板呈(001)晶面平行于上表面的晶體取向；(2)選用激光束作為加工用高能束；控制系統(tǒng)根據(jù)長(zhǎng)方體構(gòu)件的CAD模型生成激光束掃描軌跡；氣氛控制模塊為成形區(qū)域提供氬氣保護(hù)環(huán)境，使成形區(qū)域氧含量低于200ppm；設(shè)置激光選區(qū)熔化成形參數(shù)為：激光功率200W，激光光斑直徑0.1mm，鋪粉層厚度0.02mm，相鄰掃描線間距0.08mm，激光掃描速度100mm/s；(3)利用凝固理論，并根據(jù)預(yù)設(shè)的激光掃描速度與SRR99鎳基合金的相關(guān)常數(shù)計(jì)算出使熔池實(shí)現(xiàn)定向凝固的最小溫度梯度為避免殘余應(yīng)力超出其屈服強(qiáng)度而使成形件產(chǎn)生變形或裂紋，根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)為熔池設(shè)置最大溫度梯度共同組成第一成形階段的特征溫度梯度區(qū)間(4)利用凝固理論，并根據(jù)預(yù)設(shè)的激光掃描速度與SRR99鎳基合金的相關(guān)常數(shù)計(jì)算出使熔池不發(fā)生定向凝固的最大溫度梯度為避免等軸凝固部分晶粒過(guò)于粗大而降低力學(xué)性能，根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)為熔池設(shè)置最小溫度梯度共同組成第二成形階段的特征溫度梯度區(qū)間(5)將基板上升至成形缸體的頂部，鋪粉器在前者上方預(yù)置一層厚度為0.02mm的SRR99鎳基合金粉末；(6)設(shè)置溫控子模塊71～7n所包含的所有降溫子集成塊的溫度為：-80℃；關(guān)閉溫控子模塊71～7n所包含的所有升溫子集成塊；各降溫子集成塊的溫度設(shè)置完畢后，成形區(qū)域接受溫控子模塊的熱流條件發(fā)生溫度變化，將測(cè)溫子模塊61～6n所測(cè)定成形區(qū)域重新穩(wěn)定后的溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限元理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間為[G3＝4.5×109K/m,G4＝2.8×1010K/m]，前者完全被第一成形階段的特征溫度梯度區(qū)間所包含，即滿足(7)高能束輸出模塊在控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)已生成的掃描軌跡發(fā)射激光束并選擇性熔化粉末層；掃描結(jié)束后，將基板下降0.02mm，重新鋪粉并掃描加工下一層；(8)下一層的掃描加工完成后，再次將各測(cè)溫子模塊所實(shí)際測(cè)定的成形區(qū)域的穩(wěn)定溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限元理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]仍被第一成形階段的特征溫度梯度區(qū)間所包含，即滿足(9)不斷重復(fù)上述鋪粉、激光束選擇性熔化、熔池溫度梯度區(qū)間計(jì)算的過(guò)程，直至完成第一成形階段；在此期間，控制系統(tǒng)所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]始終被第一成形階段的特征溫度梯度區(qū)間所包含，即滿足(10)設(shè)置溫控子模塊71～7n所包含的所有升溫子集成塊的溫度為：300℃；關(guān)閉溫控子模塊71～7n所包含的所有降溫子集成塊；各升溫子集成塊的溫度設(shè)置完畢后，成形區(qū)域接受溫控子模塊的熱流條件發(fā)生溫度變化，將測(cè)溫子模塊61～6n所測(cè)定成形區(qū)域重新穩(wěn)定后的溫度作為邊界條件并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)利用該溫度邊界條件，根據(jù)成熟的有限元理論所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間為[G3＝8×105K/m,G4＝6.9×106K/m]，前者完全被第二成形階段的特征溫度梯度區(qū)間所包含，即滿足(11)將基板下降0.02mm，并不斷重復(fù)上述鋪粉、激光束選擇性熔化、熔池溫度梯度區(qū)間計(jì)算的過(guò)程，直至完成第二成形階段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鎳基梯度構(gòu)件的快速制造；在此期間，控制系統(tǒng)所計(jì)算出的熔池內(nèi)部溫度梯度區(qū)間[G3,G4]始終被第二成形階段的特征溫度梯度區(qū)間所包含，即滿足值得說(shuō)明的是，盡管上述實(shí)施例所公布的高能束選區(qū)熔化設(shè)備僅包含一個(gè)成形組件與一個(gè)高能束輸出模塊，但本發(fā)明所設(shè)計(jì)的思想可以方便的擴(kuò)展到包含多個(gè)成形組件與多個(gè)高能束輸出模塊的高能束選區(qū)熔化設(shè)備當(dāng)中。當(dāng)高能束選區(qū)熔化設(shè)備包含多個(gè)成形組件時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)成形區(qū)域溫度梯度的實(shí)時(shí)調(diào)控，可使每個(gè)成形組件的組成、結(jié)構(gòu)與控制流程均與上述實(shí)施例中所提及的相同。當(dāng)高能束選區(qū)熔化設(shè)備包含多個(gè)高能束輸出模塊時(shí)，亦可使成形組件(一個(gè)或多個(gè))的組成、結(jié)構(gòu)與控制流程均與上述實(shí)施例中所提及的相同。此外，盡管本發(fā)明特別適用于各種類(lèi)型定向凝固金屬構(gòu)件、單晶金屬構(gòu)件、結(jié)構(gòu)/功能梯度構(gòu)件的快速制造，利用本發(fā)明完成其他普通金屬構(gòu)件的快速制造也是方便可行的。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)例，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于上述實(shí)例和附圖所公開(kāi)的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開(kāi)的精神下完成的等效或修改，仍應(yīng)視為本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。