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CN111151748A - 一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法 - Google Patents

一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法 Download PDF

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CN111151748A CN201911423458.7A CN201911423458A CN111151748A CN 111151748 A CN111151748 A CN 111151748A CN 201911423458 A CN201911423458 A CN 201911423458A CN 111151748 A CN111151748 A CN 111151748A
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China
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molten pool
laser
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ceramic
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陈长军
蔡诚
张敏
王雪峰
张莹
梅笠
卢俊
卢航
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Jiangsu Ckylaser Equipment Co ltd
Suzhou University
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Jiangsu Ckylaser Equipment Co ltd
Suzhou University
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Abstract

本发明公开了一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，包括：S10、变化不同的激光参数组合进行激光增材制造实验，同时记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，并得到熔池最高温度；S20、对得到的样品进行测试实验，从而确定最优激光参数组合及其对应的熔池停留时间和熔池最高温度数据，并作为参考数据存储在系统中；S30、在激光增材制造验证或生产中，当熔池停留时间、熔池最高温度和激光参数的关系不符合参考数据时，根据所述参考数据改变激光参数，以使激光参数、熔池热历史曲线和熔池停留时间符合参考数据。本方法可实现在线监测与控制的目的，变事后检测为事中干预，对发展绿色制造、智能制造业、增材制造具有更为深远的现实意义。

Description

一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法。
背景技术
激光增材制造的过程不同于传统材料的减材制造，传统减材制造在经过铸造、锻造、加工后，采用X射线、超声等检测方法来确定材料是否合格，对于不合格的产品做报废处理或者采用焊接等方法进行补救。但激光增材制造由于是采用层层叠加而生产出来的，如同盖楼房一样层层累加，在盖楼房时(等同增材制造加工过程中)，如果不能发现缺陷，将带来巨大的损失，因此在线监测非常重要，在监测与监控的质量监控方面要显著区别于传统的制造方法。
对增材制造来说，通常情况下，每一道激光扫描能熔化并重新凝固数层粉末，粉末层的厚度通常为20μm至几个mm。在每一次激光照射后将额外的粉末从工作区刮掉(铺粉)或者直接送上新的粉末(送粉)进行熔化，然后重复上述过程，直到构建出一个坚固的三维(3D)零件。每一个“构建”过程包含数以千计的分层，因此每次运行需要花费几小时、几十到几百个小时。每一次“构建”可以生成数十个相同或不同的零件。
金属基含陶瓷相材料由于综合了金属的强度高、韧性好和塑性变形能力强、综合机械性能好以及陶瓷强化相的高硬度、高耐磨的优点，可以得到在耐磨件的工作表面形成一定厚度的陶瓷金属复合层，以复合层承受磨损，金属基体起承载作用。这种局部复合的方式既能提高耐磨件的耐磨性，又能保证其整体韧性。在选用时，陶瓷颗粒强化相是复合材料中的主要耐磨相，必须具有比基体更高的硬度和熔点才能有效地保护基体，同时陶瓷颗粒要与基体具有良好的界面结合性能，这样才能保证在服役过程中不会整体脱落。为了达到以上要求，激光增材制造陶瓷相的时候，陶瓷颗粒和金属基体必须具有一定程度的界面结合能，这样制备出来的符合材料才具有最佳的使用性能。陶瓷与金属结合主要有三种情况，一种是几乎没有界面结合能，此时的陶瓷颗粒只是像金银中镶嵌的宝石一样，两者只是机械结合，此时的复合材料在服役过程中，陶瓷强化相很容易剥落而早期失效。第二种是陶瓷与金属具有较为恰当(适宜)的界面结合能，此时的陶瓷与金属基体是冶金结合，具有最佳的服役性能。第三种是陶瓷强化相与金属的界面结合能过大，即陶瓷强化相与金属结合(冶金结合)的界面能过大，此时陶瓷本身的性能已经受到损伤，得到的复合材料的性能虽然比第一种情形要好，但不是我们所期望的，因为这种情况相当于花了冤枉钱。没有实现价值的最大化。综合上述问题一起考虑，特别是那些对结构起到关键作用的零件，广泛应用增材制造技术所要面临的重大挑战是成品的合格性以及如何检定其合格性。最近，关于增材制造的一些报道都在呼吁借助在线、闭环的过程控制和传感器来确保增材制造的质量、一致性和再现性。在线质量监测，有利于减少浪费，这将免除通常在构建(修改为构件)后进行的检测或破坏性测试。传统的陶瓷涂层的制造是没有在线监测的，都是事后检验，一旦发现不合格，造成巨大的浪费。所以在线监测制备含陶瓷强化相的复合材料迫在眉睫。
随着冶金机械、石油化工、水泥、轮船、航空航天、轨道交通等行业的高速发展，在激光设备价格下降、自动化程度提高的影响下，对增材制造质量的要求越来越高，现有的质量检测方法已无法满足现有制造业对激光增材制造的质量要求和自动化的现实需求。因此，需要针对激光增材制造设计一种在线监测方法。综上所述，如何有效地解决激光增材制造质量要求难以满足等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种稳定可靠，可实时监测的激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法。其采用如下技术方案：
一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，其包括以下步骤：
S10、变化不同的激光参数组合进行激光增材制造实验，同时记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，并得到熔池最高温度；
S20、对得到的样品进行测试实验，从而确定最优激光参数组合及其对应的熔池停留时间和熔池最高温度数据，并作为参考数据存储在系统中；
S30、在激光增材制造验证或生产中，当熔池停留时间、熔池最高温度和激光参数的关系不符合参考数据时，根据所述参考数据改变激光参数，以使激光参数、熔池热历史曲线和熔池停留时间符合参考数据。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S10具体包括：
通过分别固定激光功率P、激光扫描速度V和送粉速率Mp三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，根据所述热历史曲线得到粉末加热、熔化和气化、开始凝固以及相应的时间和熔池的最高温度；
或者，通过分别固定激光功率P、激光扫描速度V和铺粉厚度三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，根据所述热历史曲线得到粉末加热、熔化和气化、开始凝固以及相应冷却的时间和熔池的最高温度。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S20具体包括：
选取经过着色处理无气孔和裂纹的样品，经过肉眼观察，其成形质量符合使用要求的样品，进行金相、扫描电镜分析、硬度测试、摩擦磨损测试和冲击试验，经过实验后，得到陶瓷相与金属基体的结合良好、摩擦磨损性能和冲击韧性满足使用要求的最佳组合来确定激光加工工艺参数，并存储在系统中作为正式生产或验证加工的工艺参数值。
作为本发明的进一步改进，所述激光参数包括激光功率和扫描速度。
作为本发明的进一步改进，根据激光功率检测器调整所述激光功率和扫描速度。
作为本发明的进一步改进，利用红外高温计记录熔池热历史曲线。
本发明的有益效果：
本发明激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法通过实时采集熔池热历史曲线和熔池停留时间；当采集的熔池热历史曲线(熔池最高温度)和熔池停留时间特征不符合预先存储的激光功率P(扫描速度)与熔池最高温度、熔池停留时间的关系时，则根据激光功率P(扫描速度)与熔池最高温度和熔池停留时间的关系调整激光功率P(扫描速度)以使采集的熔池最高温度、熔池停留时间均符合预先存储的激光功率P(扫描速度)与熔池最高温度、熔池停留时间的对应关系。从而实现在线监测与控制的目的，变事后检测为事中干预，对发展绿色制造、智能制造业、增材制造具有更为深远的现实意义。同时可以避免事后破坏性检测不易操作、损失巨大的弊端。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明中实施例中激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
如图1所示，一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，其包括以下步骤：
S10、变化不同的激光参数组合进行激光增材制造实验，同时记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，并得到熔池最高温度；
其中，所述激光参数包括激光功率和扫描速度。根据激光功率检测器调整所述激光功率和扫描速度。利用红外高温计记录熔池热历史曲线。
步骤S10具体包括：
通过分别固定激光功率P、激光扫描速度V和送粉速率Mp三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，根据所述热历史曲线得到粉末加热、熔化和气化、开始凝固以及相应的时间和熔池的最高温度；
或者，通过分别固定激光功率P、激光扫描速度V和铺粉厚度三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，根据所述热历史曲线得到粉末加热、熔化和气化、开始凝固以及相应冷却的时间和熔池的最高温度。
更具体的，步骤S10包括：
S11、固定激光扫描速度(V＝500mm.s-1)和激光铺粉厚度(tp＝30μm,激光光斑D＝200μm和激光离焦量F＝0，在整个加工过程中保持设备的既有参数不变，如下同)，变化不同的激光功率(P＝300～1200W)进行实验，采用温度记录仪记录熔池热历史曲线和熔池最高温度，得到不同激光功率下的熔池最高温度和熔池停留时间；
S12、固定激光功率(P＝400W)和铺粉厚度(tp＝30μm)，改变激光扫描速度(V＝500～1900mm.s-1)，进行一系列实验，由此得到不同扫描速度的条件下熔池温度的数据；
S13、固定激光功率(P＝400W)和激光扫描速度(700mm.s-1)，改变铺粉厚度(此处选择铺粉的方式，粉末速率tp＝20～40μmin-1)，得到一系列送粉速率与熔池热历史曲线和熔池停留时间；
S20、对得到的样品进行测试实验，从而确定最优激光参数组合及其对应的熔池停留时间和熔池最高温度数据，并作为参考数据存储在系统中；
步骤S20具体包括：
选取经过着色处理无气孔和裂纹的样品，经过肉眼观察，其成形质量符合使用要求的样品，进行金相、扫描电镜分析、硬度测试、摩擦磨损测试和冲击试验，经过实验后，得到陶瓷相与金属基体的结合良好、摩擦磨损性能和冲击韧性满足使用要求的最佳组合来确定激光加工工艺参数，并存储在系统中作为正式生产或验证加工的工艺参数值。
其中，如果在监测的过程中发现熔池最高温度或熔池停留时间的波动超过了系统中存储的数据，由于本次在线监控过程中，选择激光功率(或扫描速度)为变化控制量，系统优先选择最快能够实现改变并达到预期数据的参数组合。采用系统中存储的激光功率、扫描速度和铺粉厚度进行激光增材制造时，测得的熔池最高温度或熔池停留时间发生波动，则激光功率(扫描速度)相应的调整到系统中与之对应的激光功率(扫描速度)中进行加工，以确保激光功率(扫描速度)与熔池最高温度(或熔池停留时间)是对应的。
更具体的，在步骤S11后进行步骤S20得到有效关系式T1，在步骤S12后进行步骤S20得到有效关系式T2，在步骤S13后进行步骤S20得到有效关系式T3，并将有效关系式T1、T2和T3排列在一起，确定激光功率P变化与熔池温度及CT三维数据的关系式T4。
S30、在激光增材制造验证或生产中，当熔池停留时间、熔池最高温度和激光参数的关系不符合参考数据时，根据所述参考数据改变激光参数，以使激光参数、熔池热历史曲线和熔池停留时间符合参考数据。
其中，采用关系式T4，对实际工件进行激光增材制造的在线监测。如果在监测的过程中发现熔池最高温度或熔池停留时间的波动超过了系统中存储的数据，由于本次在线监控过程中，选择激光功率(或扫描速度)为变化控制量，系统优先选择最快能够实现改变并达到预期数据的参数组合。采用系统中存储的激光功率、扫描速度和铺粉厚度进行激光增材制造时，测得的熔池最高温度或熔池停留时间发生波动，则激光功率(扫描速度)相应的调整到系统中与之对应的激光功率(扫描速度)中进行加工，以确保激光功率(扫描速度)与熔池最高温度(或熔池停留时间)是对应的。
本发明提供的一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，通过优化工艺参数，同测试样品测得的数据曲线进行分析计算，得出最合适的激光加工参数，采用该参数进行作为实际测得的数据，进行计算分析，对比有效熔池温度和CT三维数据是否符合事先存储的标准从而实现在线监测和控制的目的。具有可控性好、加工效率高的优点，能够更好的应用于轮船、轨道交通、机械制造等领域需要熔覆并需要较长工作时间的制造场合，更好的适应柔性制造环境，具有更为深远的现实意义。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、变化不同的激光参数组合进行激光增材制造实验，同时记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，并得到熔池最高温度；
S20、对得到的样品进行测试实验，从而确定最优激光参数组合及其对应的熔池停留时间和熔池最高温度数据，并作为参考数据存储在系统中；
S30、在激光增材制造验证或生产中，当熔池停留时间、熔池最高温度和激光参数的关系不符合参考数据时，根据所述参考数据改变激光参数，以使激光参数、熔池热历史曲线和熔池停留时间符合参考数据。
2.如权利要求1所述的激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，其特征在于，所述步骤S10具体包括：
通过分别固定激光功率P、激光扫描速度V和送粉速率Mp三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，根据所述热历史曲线得到粉末加热、熔化和气化、开始凝固以及相应的时间和熔池的最高温度；
或者，通过分别固定激光功率P、激光扫描速度V和铺粉厚度三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池热历史曲线和熔池停留时间，根据所述热历史曲线得到粉末加热、熔化和气化、开始凝固以及相应冷却的时间和熔池的最高温度。
3.如权利要求2所述的激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，其特征在于，所述步骤S20具体包括：
选取经过着色处理无气孔和裂纹的样品，经过肉眼观察，其成形质量符合使用要求的样品，进行金相、扫描电镜分析、硬度测试、摩擦磨损测试和冲击试验，经过实验后，得到陶瓷相与金属基体的结合良好、摩擦磨损性能和冲击韧性满足使用要求的最佳组合来确定激光加工工艺参数，并存储在系统中作为正式生产或验证加工的工艺参数值。
4.如权利要求1所述的激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，其特征在于，所述激光参数包括激光功率和扫描速度。
5.如权利要求4所述的激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，其特征在于，根据激光功率检测器调整所述激光功率和扫描速度。
6.如权利要求1所述的激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法，其特征在于，利用红外高温计记录熔池热历史曲线。
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