本發(fā)明屬于激光增材制造，尤其涉及一種多模激光耦合高效高質(zhì)量增材制造金屬基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

1、金屬基復(fù)合材料是指利用金屬及其合金作為承載基體，采用陶瓷、碳纖維、金屬間化合物等增強(qiáng)材料作為增強(qiáng)相由人工結(jié)合成的材料，包括鐵基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料及鋁基復(fù)合材料等。因?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料往往具有較高的比強(qiáng)度、良好的耐磨性能、較強(qiáng)的抗疲勞性能以及較高的斷裂韌性等優(yōu)異性能，近年來其受到了廣泛的研究。然而，由于金屬基復(fù)合材料內(nèi)部包含有性質(zhì)各異的增強(qiáng)相，其物理化學(xué)性能與金屬基材的性能差異較大，因此傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料制造工藝往往極為復(fù)雜且制造流程長、制造成本高。

2、不同于傳統(tǒng)的鑄件機(jī)械加工的方法，激光增材制造技術(shù)以其獨(dú)特的加工流程在近年來被廣泛應(yīng)用，其具有制造靈活度高、生產(chǎn)流程簡單、制造精度高、加工效率高、智能化程度高以及節(jié)能環(huán)保等顯著優(yōu)勢(shì)，其利用較高的激光能量密度可實(shí)現(xiàn)極高的能量集中，能夠?qū)^大多數(shù)已知的高熔點(diǎn)的材料(包括陶瓷、石墨、碳化鎢等)進(jìn)行加工，因此激光增材制造技術(shù)適合于加工具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合材料構(gòu)件。

3、傳統(tǒng)的激光增材制造技術(shù)往往采用單模態(tài)的連續(xù)高斯光源作為能量源，其能夠?qū)崿F(xiàn)的功能較為單一，針對(duì)金屬基復(fù)合材料內(nèi)部不同性質(zhì)的成分無法針對(duì)性地進(jìn)行工藝優(yōu)化。除此之外，高斯激光的能量分布集中于光斑中心，并向四周逐漸減弱，這會(huì)使得熔池容易出現(xiàn)山峰狀的形貌特征，在后續(xù)的搭接過程中容易使材料出現(xiàn)不平整的波浪狀形貌。這種波浪狀形貌會(huì)使材料表面在進(jìn)一步的加工中受熱不均，進(jìn)一步加劇了材料的不均勻性。微觀來看，由于激光增材制造過程中的凝固速度極快，容易導(dǎo)致制造的金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的組織發(fā)生偏析現(xiàn)象，使得制造的零部件性能不均勻。此外，由于強(qiáng)化相的密度與熔池不同，其在凝固過程中易沉積于熔池底部或漂浮于熔池頂部，這削弱了強(qiáng)化相對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)化效果。從制造效率來看，由于激光的作用方向垂直于構(gòu)件表面，其往往會(huì)使得熔池出現(xiàn)較深較窄的形貌特征，這使得激光輸入的很大一部分能量被浪費(fèi)于熔化基體上，最終導(dǎo)致了制造加工效率的下降。因此，需要基于光束整形技術(shù)開發(fā)一種多模態(tài)激光耦合的增材制造技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)激光增材制造技術(shù)采用單模態(tài)的高斯光源作為能量源，制造金屬基復(fù)合材料零部件形貌不平整，激光能量利用率低且材料組織存在成分偏析的技術(shù)問題，提出一種利用多模態(tài)激光耦合并協(xié)同平頂激光光源，能夠在宏觀上獲得均勻、平整的表面形貌，在微觀上獲得穩(wěn)定均勻的金屬基復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)的高效高質(zhì)量增材制造金屬基復(fù)合材料的方法。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種多模激光耦合高效高質(zhì)量增材制造金屬基復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：

4、(1)采用連續(xù)激光發(fā)生器發(fā)射單模態(tài)連續(xù)高斯激光，采用激光光束整形系統(tǒng)將單模態(tài)連續(xù)高斯激光整形為單模態(tài)連續(xù)平頂激光，此后采用光學(xué)元件將單模態(tài)連續(xù)平頂激光整形為單模態(tài)連續(xù)平頂環(huán)形激光；

5、(2)采用脈沖激光發(fā)生器發(fā)射單模態(tài)脈沖高斯激光，采用激光光束整形系統(tǒng)將單模態(tài)脈沖高斯激光整形為單模態(tài)脈沖平頂激光，此后采用光學(xué)元件將單模態(tài)脈沖平頂激光整形為單模態(tài)脈沖平頂環(huán)形激光；

6、(3)采用振蕩激光發(fā)生器發(fā)射單模態(tài)振蕩高斯激光，采用激光光束整形系統(tǒng)將單模態(tài)振蕩高斯激光整形為單模態(tài)振蕩平頂激光；

7、(4)使單模態(tài)連續(xù)平頂環(huán)形激光、單模態(tài)脈沖平頂環(huán)形激光以及單模態(tài)振蕩平頂激光分別進(jìn)入多模態(tài)耦合激光噴頭中，且脈沖平頂環(huán)形激光的光環(huán)位于連續(xù)平頂環(huán)形激光內(nèi)部，單模態(tài)振蕩平頂激光位于單模態(tài)連續(xù)平頂環(huán)形激光以及單模態(tài)脈沖平頂環(huán)形激光后側(cè)，形成多模態(tài)耦合環(huán)形激光；

8、(5)通過送絲器從脈沖平頂環(huán)形激光的中心處輸送金屬基復(fù)合材料絲材；

9、(6)多模態(tài)耦合激光噴頭按照預(yù)設(shè)軌跡移動(dòng)，以一定的速度持續(xù)進(jìn)給金屬基復(fù)合材料絲材，金屬基復(fù)合材料絲材先與脈沖平頂環(huán)形激光接觸，金屬基復(fù)合材料絲材熔化后形成熔池并與基材接觸結(jié)合，隨后熔池與連續(xù)平頂環(huán)形激光接觸以進(jìn)行熔池保溫處理；隨后單模態(tài)振蕩平頂激光與半凝固態(tài)的熔池接觸，并繼續(xù)移動(dòng)，使原本窄而深的熔池變?yōu)閷挾鴾\的熔池；此后熔池凝固后形成焊道，多模態(tài)耦合激光噴頭持續(xù)運(yùn)行最終完成整個(gè)零件的增材制造過程。

10、作為優(yōu)選，步驟(5)中輸送金屬基復(fù)合材料絲材的同時(shí)采用水冷裝置為激光頭降溫，采用氬氣等保護(hù)氣體防止熔池氧化。

11、作為優(yōu)選，還包括基材處理步驟，具體為將基材表面進(jìn)行打磨使其平整光滑，打磨后采用丙酮清洗去除表面污垢。

12、作為優(yōu)選，步驟(6)中脈沖平頂環(huán)形激光的脈沖能量為5-30mj、頻率為20-500hz、脈寬為3-30ns，連續(xù)平頂環(huán)形激光的功率為1000-30000w，振蕩平頂激光激光的功率為200-2500w、振蕩頻率為50-500hz、振幅為0.5-3mm。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：

14、(1)本發(fā)明采用高功率脈沖激光作為供能主激光，能夠熔化金屬基復(fù)合材料中物理化學(xué)性質(zhì)不同的各種物質(zhì)，可以通過增材制造方法加工金屬基復(fù)合材料，拓寬了激光增材制造方法的應(yīng)用場(chǎng)景。

15、(2)本發(fā)明采用脈沖激光加速熔池的流動(dòng)，促進(jìn)熔池內(nèi)部的熱質(zhì)傳輸，減弱由于激光快速凝固導(dǎo)致的元素偏析現(xiàn)象，形成穩(wěn)定均勻的組織。此外，高密度或低密度的強(qiáng)化相在強(qiáng)攪拌作用下能夠均勻分布于熔池內(nèi)部，避免強(qiáng)化相的局部富集現(xiàn)象。

16、(3)本發(fā)明采用脈沖激光在熔池內(nèi)部的固液界面前沿產(chǎn)生“爆炸”效果，有效擊碎凝固前沿生成的枝晶晶臂，提高了凝固時(shí)的晶核數(shù)量，提高了凝固過程中的形核率，最終能夠獲得細(xì)小的晶粒組織，獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。

17、(4)本發(fā)明采用連續(xù)激光有效減緩熔池的冷卻速度，大幅度降低由于熔池的快速凝固而在構(gòu)件中產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力。

18、(5)本發(fā)明采用振蕩激光使熔池形貌由“窄而深”變?yōu)椤皩挾鴾\”，減少了橫向搭接的次數(shù)，且使更多的激光能量作用于絲材的熔化而不是對(duì)基體的熔化。

19、(6)本發(fā)明采用的多模態(tài)激光均為平頂光源，在增材過程中激光能量分布均勻，可以形成平整的加工表面，避免熔池表面呈現(xiàn)出“中間高，兩頭低”的高斯形貌特征，避免高斯形貌特征影響后續(xù)的增材過程。

技術(shù)特征：

1.一種多模激光耦合高效高質(zhì)量增材制造金屬基復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模激光耦合高效高質(zhì)量增材制造金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于：步驟(5)中輸送金屬基復(fù)合材料絲材的同時(shí)采用水冷裝置為激光頭降溫，采用保護(hù)氣體防止熔池氧化。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模激光耦合高效高質(zhì)量增材制造金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于：還包括基材預(yù)處理步驟，具體為將基材表面進(jìn)行打磨使其平整光滑，打磨后采用丙酮清洗去除表面污垢。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模激光耦合高效高質(zhì)量增材制造金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于：步驟(6)中脈沖平頂環(huán)形激光的脈沖能量為5-30mj、頻率為20-500hz、脈寬為3-30ns，連續(xù)平頂環(huán)形激光的功率為1000-30000w，振蕩平頂激光激光的功率為200-2500w、振蕩頻率為50-500hz、振幅為0.5-3mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多模激光耦合高效高質(zhì)量增材制造金屬基復(fù)合材料的方法，所述方法包括前處理、基材預(yù)處理、構(gòu)建多模態(tài)耦合激光及增材制造等步驟。本發(fā)明采用高功率脈沖激光作為供能主激光熔化金屬基復(fù)合材料絲材，同時(shí)加速熔池的流動(dòng)，提高形核率，實(shí)現(xiàn)通過增材制造方法加工金屬基復(fù)合材料零件。采用連續(xù)激光有效減緩熔池的冷卻速度，大幅度降低由于熔池的快速凝固而在構(gòu)件中產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力。采用振蕩激光改善熔池形貌，減少橫向搭接的次數(shù)。本發(fā)明利用多模態(tài)激光耦合并協(xié)同平頂激光光源，獲得宏觀上具有均勻、平整的表面形貌，在微觀上具有穩(wěn)定均勻組織結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合材料加工零件。

技術(shù)研發(fā)人員：翟文正,王湘平,王瑞彤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6