本發(fā)明涉及增材制造領(lǐng)域以及激光沖擊強化領(lǐng)域，特指一種激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，本裝置有效解決了增材制造中內(nèi)應(yīng)力造成成形件易于變形開裂的“控形”和冶金缺陷導(dǎo)致疲勞性能較差的“控性”難題，提高成形件的疲勞強度和力學(xué)性能，實現(xiàn)成形件的高效高質(zhì)量整體加工。

背景技術(shù)：

選擇性激光熔化(selectivelasermelting,slm)技術(shù)是一種今年出現(xiàn)的最新的快速成形技術(shù)，應(yīng)用分層制造進(jìn)行增材制造，通過粉末將cad模型轉(zhuǎn)換為實物零件。其采用激光快速熔化選區(qū)金屬粉末與快速冷卻凝固技術(shù)，可以獲得非平衡態(tài)過飽和固溶體及均勻細(xì)小的金相組織，并且成形材料范圍廣泛，制造過程不受金屬零件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的限制，無需任何工裝模具，工藝簡單，可實現(xiàn)金屬零件的快速制造，降低成本，還能實現(xiàn)材料組分連續(xù)變化的梯度功能材料制造。

激光沖擊強化(lasershockpeening,lsp)技術(shù)是一種新型的表面強化技術(shù)，主要是采用短脈沖(幾十納秒)、高峰值功率密度(>109w/cm²)的激光輻照在金屬表面，激光束通過約束層之后被吸收層吸收，吸收層從而獲得能量形成爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，由于外層約束層的約束，等離子體形成高壓沖擊波從而向材料內(nèi)部傳播，利用沖擊波的力效應(yīng)在材料表層發(fā)生塑性變形，使得表層材料微觀組織發(fā)生變化，細(xì)化材料晶粒尺寸，是材料組織更致密，降低孔隙率，并在較深的厚度上形成殘余壓應(yīng)力，而殘余壓應(yīng)力層能有效地消除材料內(nèi)部的應(yīng)力集中和抑制裂紋的萌生和擴展，顯著提高關(guān)鍵零件構(gòu)件的疲勞壽命以及抗腐蝕和抗磨損能力。大量的研究證明激光沖擊強化技術(shù)是延長裂紋萌生時間降低裂紋擴展速度提高材料壽命的有效手段。

雖然近年來在激光增材制造方面取得了長足進(jìn)步，但是由于選擇性激光熔凝是一個快速成形過程，熔化的金屬表面張力很大，所以容易產(chǎn)生球化效應(yīng)，導(dǎo)致制件內(nèi)部空洞增多，密度和強度降低；金屬粉末熔化快，熔池存在時間短，快速凝固成形時存在較大的溫度梯度，以至于容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，不同組織的熱膨脹系數(shù)不一樣，會產(chǎn)生組織應(yīng)力，凝固組織還存在殘余應(yīng)力，這三種應(yīng)力綜合作用將會導(dǎo)致制件產(chǎn)生裂紋。而激光沖擊強化技術(shù)可以顯著細(xì)化熔覆層粗晶，誘導(dǎo)較大深度的殘余壓應(yīng)力，同時能閉合塑性變形層內(nèi)微裂紋和微小冶金缺陷，是消除熔覆層殘余拉應(yīng)力和細(xì)化晶粒的一種卓有成效的方法。

鑒于上述問題，本發(fā)明提出一種激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，以實現(xiàn)在成形件成形過程中同時對成形件進(jìn)行激光沖擊強化，有效解決了增材制造中內(nèi)應(yīng)力造成成形件易于變形開裂的“控形”和冶金缺陷導(dǎo)致疲勞性能較差的“控性”難題，提高成形件的疲勞強度和力學(xué)性能，實現(xiàn)成形件的高效高質(zhì)量整體加工。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供了一種激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，通過激光沖擊強化和選擇性激光熔化交替工作，實現(xiàn)了在成形件成形過程中同時對成形件進(jìn)行激光沖擊強化，在每一層粉料熔化之后，對其進(jìn)行激光沖擊強化，有效解決了增材制造中內(nèi)應(yīng)力造成成形件易于變形開裂的“控形”和冶金缺陷導(dǎo)致疲勞性能較差的“控性”難題，提高成形件的疲勞強度和力學(xué)性能，實現(xiàn)成形件的高效高質(zhì)量整體加工。

本發(fā)明提出一種激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，所述組合裝置包括激光沖擊強化模塊，噴水模塊，選擇性激光熔化模塊，由防水層、滾筒、滾筒支架、螺紋絲杠和電機構(gòu)成的防水層施加模塊，回形水槽，由空氣壓縮機、氣缸和控制閥構(gòu)成的氣動模塊，底座，由液壓缸、電氣系統(tǒng)和可升降工作臺構(gòu)成的液壓升降模塊，導(dǎo)軌以及由供粉箱、刮板和電機構(gòu)成的鋪粉模塊。

其中，激光沖擊強化模塊與選擇性激光熔化模塊位于成形件正上方，可通過機械手臂進(jìn)行移動；防水層位于成形件前側(cè)，可通過電機帶動螺紋絲杠進(jìn)行前后移動，通過氣動模塊進(jìn)行上下移動；成形件左右兩側(cè)各有一組滾筒、滾筒支架、螺紋絲杠和電機，其中滾筒位于滾筒支架上，滾筒支架位于螺紋絲杠上；成形件位于可升降工作臺上；鋪粉模塊位于成形件后側(cè)，可通過導(dǎo)軌進(jìn)行前后往復(fù)移動；可升降工作臺四周為回形水槽，氣動模塊位于水槽下方；整個裝置最下方為底座。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，其激光沖擊強化模塊可與選擇性激光熔化模塊交替工作，達(dá)到在對成形件進(jìn)行成形加工的同時強化成形件的效果。

優(yōu)選地，激光沖擊強化的參數(shù)為：光斑直徑為3mm，脈寬為8～30ns，脈沖能量2～15j，橫向和縱向搭接率均為50％。

優(yōu)選地，選擇性激光熔化成形的參數(shù)為：光斑直徑為80μm，激光波長為1.06～1.10μm，激光功率為200～1000w，掃描速度為500～1000mm/s，鋪粉層厚為0.02～0.5mm。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，其鋪粉模塊通過導(dǎo)軌移動，實現(xiàn)均勻鋪粉及復(fù)位。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，其液壓升降模塊的升降工作臺通過液壓升降模塊實現(xiàn)平穩(wěn)升降，隨著制件高度的增加而下降。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，在選擇性激光熔化成形時，選擇性激光熔化模塊通過機械手控制運動軌跡。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，在激光沖擊強化時，激光沖擊強化模塊通過機械手控制運動軌跡。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，在成形件外表面激光沖擊強化時，防水層施加模塊通過電機和氣動模塊調(diào)動防水層，使防水層自動移動、貼合、分離及復(fù)位。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，其防水層施加模塊通過氣動模塊實現(xiàn)垂直方向的運動，控制防水層與成形件外表面的貼合和分離。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，其防水層施加模塊通過電機實現(xiàn)水平方向的運動，進(jìn)行防水層移動和復(fù)位，不影響成形件卸下以及接下來的選擇性激光熔化成形。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，防水層采用自粘防水材料的鋁箔，當(dāng)結(jié)束一個成形件的加工后，防水層施加模塊通過電機實現(xiàn)滾筒間歇運動，進(jìn)行防水層更換，避免重復(fù)使用，出現(xiàn)漏水情況。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，在激光沖擊強化時，通過噴水模塊，采用以去離子水形成的厚度為1～2mm的均勻水膜作為約束層，以提高沖擊波的峰值壓力。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，其可升降工作臺在中心，周邊為回形水槽，防止水飛濺或淹沒成形件及粉末。

優(yōu)選地，所述的激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，其回形水槽中的水通過水循環(huán)模塊，可循環(huán)利用。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供了一種激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，通過激光沖擊強化模塊和選擇性激光熔化模塊交替工作，實現(xiàn)了在成形件成形過程中同時對成形件進(jìn)行激光沖擊強化。

1.選擇性激光熔化技術(shù)與激光沖擊強化技術(shù)的結(jié)合使用，提高了加工效率，可以更加廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

2.有效解決了增材制造中內(nèi)應(yīng)力造成成形件易于變形開裂的“控形”和冶金缺陷導(dǎo)致疲勞性能較差的“控性”難題，提高成形件的疲勞強度和力學(xué)性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實施例的主視圖。

圖2為圖1的俯視圖(除激光沖擊強化模塊和選擇性激光熔化成形模塊)。

圖3為本發(fā)明一種實施例選擇性激光熔化成形時的左視圖。

圖4為本發(fā)明一種實施例激光沖擊強化時的主視圖。

圖5為本發(fā)明一種實施例激光沖擊強化時的左視圖。

圖中：1-激光沖擊強化模塊；2-噴水模塊；3-選擇性激光熔化成形模塊；4-防水層；5-滾筒；6-滾筒支架；7-螺紋絲杠；8-回形水槽；9-氣動模塊；10-底座；11-液壓升降模塊；12-可升降工作臺；13-成形件；14-粉末；15-導(dǎo)軌，16-鋪粉模塊。

具體實施方式

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置，主要是通過激光沖擊強化模塊和選擇性激光熔化成形模塊交替工作、自由切換(如圖1、2所示)，實現(xiàn)了在成形件成形過程中同時對成形件進(jìn)行激光沖擊強化，有效解決了增材制造中內(nèi)應(yīng)力造成成形件易于變形開裂的“控形”和冶金缺陷導(dǎo)致疲勞性能較差的“控性”難題，提高成形件的疲勞強度和力學(xué)性能，實現(xiàn)成形件的高效高質(zhì)量整體加工。

參見圖1與圖2，圖1為本發(fā)明一種實施例的主視圖，圖2為圖1的俯視圖(除激光沖擊強化模塊和選擇性激光熔化成形模塊)。如圖所示，一種激光熱力逐層交互增材制造的組合裝置。

在進(jìn)行選擇性激光熔化前，鋪粉模塊16通過導(dǎo)軌15間歇往復(fù)運動，均勻地在可升降工作臺12上鋪粉，鋪粉完成后自動復(fù)位至初始位置(如圖2所示)，不影響后續(xù)選擇性激光熔化成形模塊和激光沖擊強化模塊作業(yè)。

在選擇性激光熔化成形模塊3作業(yè)時(如圖3所示)，通過機械手控制其運動軌跡，此時，防水層4在安全區(qū)域，不會影響選擇性激光熔化成形模塊作業(yè)。

選用選擇性激光熔化成形的參數(shù)為：光斑直徑為80μm，激光波長為1.08μm，激光功率為600w，掃描速度為800mm/s，鋪粉層厚為0.2mm，進(jìn)行選擇性激光熔化成形，在一層粉料熔化之后，選擇性激光熔化成形模塊3結(jié)束作業(yè)，激光沖擊強化模塊1將對其進(jìn)行激光沖擊強化。

在激光沖擊強化模塊作業(yè)前(如圖4和5所示)，選擇性激光熔凝成形模塊3通過機械手離開可升降工作臺12上方；同樣地，在激光沖擊強化模塊作業(yè)時(如圖4和5所示)，通過機械手控制其運動軌跡。

選用激光沖擊強化的參數(shù)為：光斑直徑為3mm，脈寬為10ns，脈沖能量8j，橫向和縱向搭接率均為50％，進(jìn)行激光沖擊強化，在激光沖擊強化之后，激光沖擊強化模塊結(jié)束作業(yè)，可升降工作臺(12)通過液壓升降模塊(11)下降一定高度(一般小于1mm，因為激光沖擊強化的影響層深度約為1mm)，為后續(xù)的鋪粉作業(yè)留出空間。

鋪粉模塊16進(jìn)行鋪粉后，選擇性激光熔化成形模塊3將進(jìn)行下一層粉料熔化。

如此，選擇性激光熔化模塊3和激光沖擊強化模塊1交替作業(yè)、自由切換，直至完成對指定成形件的加工。最后，防水層4通過電機帶動螺紋絲杠7移動至成形件13上方，通過滾筒5轉(zhuǎn)動一定角度，使上一次使用過的防水層偏離成形件13外表面，新的防水層通過氣動模塊9下降至低于成形件外表面1mm處，使新的防水層與成形件外表面貼合。噴水模塊2隨激光沖擊強化模塊一起作業(yè)，為成形件外表面激光沖擊強化提供了約束層，防水層及回形水槽的設(shè)計避免水飛濺或淹沒成形件13及粉末(如圖2所示)，且水槽中的水可循環(huán)使用。

激光沖擊強化之后，激光沖擊強化模塊1和噴水模塊2結(jié)束作業(yè)，防水層4通過氣動模塊9上升至初始高度，與成形件分離，并通過電機帶動螺紋絲杠7復(fù)位至初始位置，進(jìn)行下一個成形件的加工。