一種調控/降低激光增材制造零件內應力的方法與流程

本發明涉及一種激光增材制造的方法，具體涉及一種在激光增材制造過程中降低零件內應力的方法。

背景技術：

激光增材制造技術是在激光熔覆基礎上，融合快速原型技術而發展起來的一種先進制造技術。以“離散－堆積”成形原理為基礎，首先建立加工零件的三維cad模型，然后將三維模型劃分成一系列的二維平面，并根據二維平面輪廓規劃合理的激光掃描路徑，進而轉化為數控工作臺的運行指令，最終實現金屬零件的直接成形。與一般的快速成型技術相比，激光增材制造技術能夠快速制造出傳統工藝方法難以制造的復雜金屬零件；實現功能梯度材料的制造；能夠制造全致密及力學性能優異的零件。由于具有以上優點，激光增材制造技術逐漸成為快速成形技術研究的熱點和發展趨勢，并在航空航天、汽車船舶和武器裝備等制造領域具有廣泛應用。

與基于粉床的逐層累加過程的鋪粉式增材制造法相比，同軸送粉式的激光增材制造方法中，激光產生熔池的同時，粉末送入熔池中形成熔覆層，因此具有成形效率高，能夠制造大尺寸結構件等優點。

激光增材制造本身是一個非穩態、極冷極熱的瞬態過程，在制造累加過程中局部熱輸入就必然會導致不均勻的溫度場，這種局部熱效應就直接表現為熔池在凝固及隨后冷卻中將承受拉伸應力的作用，同時在成形零件中形成殘余應力。殘余應力作為一種內應力，將直接影響成形件的靜載荷強度、疲勞強度、抗應力腐蝕等性能及尺寸的穩定性，嚴重時將直接引發裂紋缺陷。美國sandia國家實驗室（griffithml,schliengerme,harwellld,etal.understandingthermalbehaviorinthelensprocess[j].materials&design,1999,20(2-3):107-113）griffith等對采用lmdf技術制造h13工具鋼薄壁試樣和四方空心盒的殘余應力場進行了實驗研究，英國曼徹斯特大學（moatrj,pinkertonaj,lil,witherspj,preussm.residualstressesinlaserdirectmetaldepositedwaspaloy[j].materialsscienceandengineeringa,2011,528:2288-2298）moat等通過中子衍射和等高線法對在inconel718基板上采用lmdf技術制造waspaloy鎳基高溫合金薄壁墻過程中的應力進行了測定，結果表明：在累加高度方向的殘余應力均以拉應力為主。所以，降低或消除熔覆層拉應力對控制激光增材制造過程的變形及開裂具有重要的意義。

激光沖擊強化（lasershockpeening,lsp）技術憑借高壓（10⁹-10¹²pa）、極快（10-100ns）、高應變率（10⁷-10⁸s^-1）、非接觸和可控性強等優點被廣泛地應用于重要零部件的表面強化與應力消除。該技術是采用短脈沖高峰值功率密度激光在材料表面誘導峰值壓力遠大于材料動態屈服強度的高壓沖擊波，使材料表面產生塑性變形，在材料表層引入殘余壓應力場，同時細化晶粒，提高材料的抗疲勞、磨損和應力腐蝕性能，進而大幅度改善材料機械性能。如果能夠將常規應用于材料表面的激光沖擊強化技術引入激光增材制造過程中，以降低或消除內應力的影響，對激光增材制造技術的發展將起到積極作用。

技術實現要素：

本發明的發明目的是提供一種調控/降低激光增材制造零件內應力的方法，以解決激光增材制造過程中內應力難控制的問題，實現內應力可控的激光熱力復合增材制造。

為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是：一種調控/降低激光增材制造零件內應力的方法，用于激光同軸送粉增材制造，提供一具有熔覆工位和沖擊工位的加工系統，加工系統中的工作臺具有分別移動至熔覆工位和沖擊工位的運動自由度以及豎直方向升降的運動自由度，所述方法包括以下步驟：

(1)用計算機建立三維增材制造零件模型，通過軟件對模型進行分層處理，獲取零件的輪廓層面信息；

(2)將工作臺移動至熔覆工位，利用熔覆頭進行同軸送粉激光增材制造，完成一層的熔覆加工后，使工作臺下降一分層高度；

(3)將工作臺移動至沖擊工位，對熔覆層進行體加熱，使熔覆層達到設定溫度后，利用沖擊頭對熔覆層進行激光沖擊強化，所述設定溫度高于材料的再結晶溫度且低于材料的熔點；

(4)重復步驟(2)和步驟(3)，直至三維零件制造完成。

上述技術方案中，在激光增材制造過程中引入高溫激光沖擊強化技術，以期利用激光沖擊強化技術引入的殘余壓應力調控抵消熱熔過程中的拉應力，具體為每增材制造完成一層之后，利用激光沖擊對新制造的熔覆層進行強化，然后在激光沖擊強化層基礎上再實施激光增材制造，即逐層熔覆，逐層沖擊，熔覆沖擊交疊進行，循環往復，直至零件制造完成。

其中，將熔覆層加熱達到預定的高溫后，再進行激光沖擊，利用高溫時，材料屈服強度下降的機理，保證激光沖擊效果。

上述技術方案中，步驟(3)中，在進行加熱時，通過熱像儀檢測熔覆層面溫度，控制感應加熱器對熔覆層進行體加熱。

進一步的技術方案，步驟(3)中，在對熔覆層進行體加熱時，當檢測到熔覆層表面溫度達到設定溫度后，進行保溫操作，使熔覆層整體達到均一的設定溫度，再進行激光沖擊強化。由于加熱時，即使使用感應加熱器進行體加熱，也難以保證被加熱體表面和內部同步均勻加熱，因此，當表面溫度達到設定溫度后，進行一定時間的保溫損傷，可以保證被加熱體（包括表面及內部）充分達到設定的溫度。保溫的具體時間范圍隨熔覆層尺寸大小有所變化，一般地，保溫30分鐘即可。

優選地，步驟(3)中，所述激光沖擊強化采用gaia型納秒激光器，波長1064nm，光斑直徑3mm，激光脈寬15ns，頻率1hz，單脈沖能量2j。

激光沖擊強化時采用的激光器性能應當能夠保證強化效果，采用普通激光沖擊時，為起到強化作用，一般要求激光脈沖峰值功率密度（峰值功率密度=單脈沖能量/（脈寬×光斑面積））達到10^9w/cm²，本方法中由于是高溫沖擊，單脈沖峰值功率可以降低，具體數值可以根據實際應用場合通過實驗確定。

上述技術方案中，工作臺下降一分層高度可以在步驟(2)中的單層熔覆完成時進行，也可以在步驟(3)中的沖擊完成時進行。

由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：

在激光增材制造過程中引入高溫激光沖擊強化技術，利用激光沖擊強化技術引入的殘余壓應力調控抵消熱熔過程中的拉應力，通過逐層熔覆，逐層沖擊，實現了內應力可控的激光熱力復合增材制造方法。

常規的激光沖擊過程中，要達到理想的沖擊效果一般在強化處理的表面都要加吸收層及約束層。目前廣泛采用的約束層是流動的水流，吸收層是鋁箔或黑漆。而在激光增材制造凝固冷卻形成熔覆層過程中，本身就是極冷過程，在熔覆過后添加水約束層，相當于在自然冷卻基礎上又增加了強制冷卻，進一步增大了溫度梯度，增大熔覆層進一步開裂的傾向，同時在增材逐層累加過程中，為了提高效率，添加吸收層也不現實。因而這是激光沖擊引入本領域中所遇到的阻礙。本發明在空氣中且不添加約束層及吸收層條件下實現了激光沖擊，具備創造性。

附圖說明

圖1是本發明實施例的增材制造示意圖；

圖2是實施例中的制造工藝流程圖；

圖3是激光沖擊前熔覆層殘余應力分布圖；

圖4是激光沖擊后熔覆層殘余應力分布圖。

其中：1、工作臺；2、熔覆頭；3、沖擊頭；4、熔覆層；5、光纖激光器；6、小能量短脈沖高峰值功率激光器。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：

實施例一：參見圖1和圖2所示，一種調控/降低激光增材制造零件內應力的方法，包含以下步驟：

(1)用計算機建立薄壁墻零件模型，通過軟件對模型進行分層處理，獲取零件的輪廓層面信息。

(2)調用數控系統將工作臺1移動到熔覆頭2下面，所述熔覆頭2由光纖激光器5提供激光束，進行同軸送粉單層激光熔覆，形成熔覆層4。本實施例中，實驗粉末是316l不銹鋼，粒度：45μm～74μm，基材為304不銹鋼，幾何尺寸：100mm×100mm×8mm。采用激光功率p=630w，送粉量mp=8g/min，掃描速度v=6mm/s，激光離焦量為zl=-3mm，熔覆長度30mm的工藝參數進行激光熔覆，搭接4道，搭接率33%。

(3)將激光熔覆試樣放入箱式電阻爐內加熱到600℃后保溫30min，出爐，采用gaia型納秒激光器作為小能量短脈沖高峰值功率激光器6，波長1064nm，光斑直徑3mm，激光脈寬15ns，頻率1hz，單脈沖能量2j，通過激光沖擊頭3直接進行激光沖擊，沖擊后，將試樣冷卻至室溫。

通過重復步驟(2)、(3)可以實現多層熔覆。

(4)采用nh4cl飽和溶液對試樣進行逐層剝離電解拋光，逐層測試熔覆層沖擊前后殘余應力，沿深度方向上沖擊前后的應力分布如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4對比看出，熔覆層內應力有沖擊前的拉應力，經高溫激光沖擊后熔覆層表面有拉應力逐漸過渡到壓應力，達到了調控/降低熔覆層內應力的目的。