激光直接沉积设计方法及激光直接沉积成形系统

本发明涉及高速激光直接沉积，特别是一种激光直接沉积设计方法及激光直接沉积成形系统。

背景技术：

1、激光直接沉积技术由于制造尺寸不受限制、材料自由度高，广泛应用于航空航天、生物医疗等领域。然而，沉积效率一直是大型金属零件激光直接沉积技术大规模应用的瓶颈问题。若只是一味提高扫描速度和激光功率来提高打印效率，常规激光直接沉积则会产生裂纹、气孔等缺陷。因此，激光直接沉积研究热点是兼顾沉积质量和沉积效率的新技术。高速激光直接沉积技术在常规激光直接沉积技术的基础上改变了粉末颗粒的熔化形式，从而提高了沉积效率，获得了低表面粗糙度、低孔隙率、高显微硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性的沉积层，实现了保证沉积质量的同时提高沉积效率。

2、在高速激光直接沉积过程中，粉末在熔池上方被熔化，再以熔融状态射入熔池。这种新型的粉末熔化形式是提升沉积质量和沉积效率的重要原因。高速激光直接沉积设计决定了粉末的熔化形式，现有研究主要通过设计粉束流离焦量和激光功率等沉积工艺参数保证粉末在射入熔池前达到熔融状态。然而，粉末的熔化形式和激光束与粉束流的相互作用有关，喷嘴结构参数通过影响粉束流的空间分布同样会影响粉末的熔化形式。因此，研究兼顾喷嘴结构参数和沉积工艺参数的高速激光直接沉积设计方法是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种激光直接沉积设计方法及激光直接沉积成形系统，使成形面上的粉末浓度和温度分布满足高速激光直接沉积要求。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种激光直接沉积设计方法，包括以下步骤：

3、s1、确定初始参数；所述初始参数包括喷嘴结构参数和沉积工艺参数，所述喷嘴结构参数包括喷嘴个数、喷嘴出口直径、喷射角和喷嘴径向半径；所述沉积工艺参数包括激光功率、载运气流量、送粉率、粉末粒径、激光离焦量、粉束离焦量和扫描速度；

4、s2、模拟不同喷嘴结构参数和沉积工艺参数下的单粉束流粉末浓度和温度，依据单粉束流粉末浓度和温度计算所有初始参数对单粉束流粉斑尺寸、粉斑偏心距和粉末温度的敏感性因子；

5、s3、根据所述敏感性因子选取初始参数中的关键参数，调整所述关键参数。

6、本发明通过光-粉耦合模拟获取成形面上的粉末浓度和温度分布，同步设计喷嘴结构参数和沉积工艺参数，使得成形面上的粉末浓度和温度分布满足高速激光直接沉积要求。本发明的方法简单易行、设计效率高。

7、步骤s2中，单粉束流粉末浓度c和温度t的计算公式为：

8、

9、

10、其中，m为送粉率，n为喷嘴个数，β为粉束流发散角，vp为粉末颗粒速度，i为激光功率，re为喷嘴出口直径，cp为粉末颗粒比热容，lm为熔化潜热，mm为粉末颗粒熔化质量，le为汽化潜热，sp为粉末颗粒表面积，a为吸收率，hp为对流换热系数，γ为伽马函数，ε为辐射率，σ为玻尔兹曼常数，me为粉末颗粒汽化质量，k为超高斯阶数，p为激光功率，ρp为粉末颗粒密度，qext为消光系数，t0为环境温度，rl为超高斯激光半径。xpi,ypi,zpi为坐标系{pi}中点的坐标，坐标系{pi}的原点与喷嘴出口中心位置重合，zpi轴沿单粉束流轴线，方向与粉末颗粒的运送方向相反，xpi轴与激光束轴线在同一平面内，方向由坐标系{pi}原点指向激光束轴线，ypi轴根据zpi轴和xpi轴由空间直角坐标系右手定则确定；xw,yw,zw为坐标系{w}中点的坐标，zw0为坐标系{pi}的原点在坐标系{w}中z轴方向上的坐标，坐标系{w}的原点位于激光束轴线与成形面的交点处，zw轴沿激光束轴线，方向与激光束的传输方向相反，xw轴方向与激光直接沉积时的扫描方向相同，yw轴根据zw轴和xw轴由空间直角坐标系右手定则确定。

11、步骤s2中，敏感性因子m的计算公式为：其中，u表示任一初始参数，uk表示该初始参数对应的第k个值，uk表示该初始参数的第k个值对应的特征，nm表示该初始参数中值的个数。

12、步骤s3的具体实现过程包括：

13、减小喷嘴出口直径，减小喷射角，进而减小多粉束流粉斑直径；

14、增大激光功率，减小送粉率和粉末粒径，使单粉束流光束中心粉末温度高于粉末熔点且最高粉末温度不超过粉末沸点；

15、增加喷嘴个数，使粉末温度分布为圆形；

16、减小扫描速度，增大熔池宽度，保证所有熔融粉末射入到基底熔池中。

17、进一步地，本发明中，减小喷嘴出口直径至0.8mm，减小喷射角至17°，以减小多粉束流粉斑直径至1.24mm。

18、进一步地，本发明中，增大激光功率至2780w，减小送粉率至8.5g/min，减小粉末粒径至35μm，使单粉束流光束中心粉末温度高于粉末熔点且最高粉末温度不超过粉末沸点。

19、进一步地，本发明中，增加喷嘴个数至14个。

20、进一步地，本发明中，减小扫描速度至13.5m/min，增大熔池宽度至1.24mm。

21、本发明中，所述基底熔池宽度与多粉束流粉末熔化区域宽度相等。

22、本发明还提供了一种激光直接沉积成形系统，包括设置于基板上方的用于喷出粉束流的多个喷嘴，设置于喷嘴上方的用于聚焦激光束的聚焦透镜，所述激光束在所述基板上形成的光斑位置即基地熔池，所述多个喷嘴的粉束流喷出位置均朝向所述基地熔池；所述喷嘴的结构参数和沉积工艺参数(关键参数)根据本发明上述方法确定。

23、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过光-粉耦合模拟获取成形面上的粉末浓度和温度分布，同步设计喷嘴结构参数和沉积工艺参数以使成形面上的粉末浓度和温度分布满足高速激光直接沉积要求。本发明简单易行、设计效率高、考虑全面，为高速激光直接沉积设计提供了一种新的设计流程。

技术特征：

1.一种激光直接沉积设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的激光直接沉积设计方法，其特征在于，步骤s2中，单粉束流粉末浓度c和温度t的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的激光直接沉积设计方法，其特征在于，步骤s2中，敏感性因子m的计算公式为：其中，u表示任一初始参数，uk表示该初始参数对应的第k个值，uk表示该初始参数的第k个值对应的特征，nm表示该初始参数中值的个数。

4.根据权利要求1～3之一所述的激光直接沉积设计方法，其特征在于，步骤s3中，所述关键参数包括喷嘴出口直径、喷射角、激光功率、喷嘴个数和扫描速度；调整所述关键参数的具体实现过程包括：

5.根据权利要求4所述的激光直接沉积设计方法，其特征在于，减小喷嘴出口直径至0.8mm，减小喷射角至17°，以减小多粉束流粉斑直径至1.24mm。

6.根据权利要求4所述的激光直接沉积设计方法，其特征在于，增大激光功率至2780w，减小送粉率至8.5g/min，减小粉末粒径至35μm，使单粉束流光束中心粉末温度高于粉末熔点且最高粉末温度不超过粉末沸点。

7.根据权利要求4所述的激光直接沉积设计方法，其特征在于，增加喷嘴个数至14个。

8.根据权利要求4所述的激光直接沉积设计方法，其特征在于，减小扫描速度至13.5m/min，增大熔池宽度至1.24mm。

9.根据权利要求4所述的激光直接沉积设计方法，其特征在于，所述基底熔池宽度与多粉束流粉末熔化区域宽度相等。

10.一种激光直接沉积成形系统，包括设置于基板上方的用于喷出粉束流的多个喷嘴，设置于喷嘴上方的用于聚焦激光束的聚焦透镜，所述激光束在所述基板上形成的光斑位置即基地熔池，所述多个喷嘴的粉束流喷出位置均朝向所述基地熔池；其特征在于，所述喷嘴的结构参数和沉积工艺参数根据权利要求1～9之一所述方法确定；优选地，喷嘴的结构参数和沉积工艺参数包括喷嘴出口直径、喷射角、激光功率、喷嘴个数和扫描速度。

技术总结本发明公开了一种激光直接沉积设计方法及激光直接沉积成形系统，确定初始参数；所述初始参数包括喷嘴结构参数和沉积工艺参数，所述喷嘴结构参数包括喷嘴个数、喷嘴出口直径、喷射角和喷嘴径向半径；所述沉积工艺参数包括激光功率、载运气流量、送粉率、粉末粒径、激光离焦量、粉束离焦量和扫描速度；模拟不同喷嘴结构参数和沉积工艺参数下的单粉束流粉末浓度和温度，依据单粉束流粉末浓度和温度计算所有初始参数对单粉束流粉斑尺寸、粉斑偏心距和粉末温度的敏感性因子；利用所述敏感性因子调整喷嘴结构参数和沉积工艺参数。本发明同步设计喷嘴结构参数和沉积工艺参数，使成形面上的粉末浓度和温度分布满足高速激光直接沉积要求。技术研发人员：张屹,郑凯元,赵鹏辉,罗耀恩受保护的技术使用者：湖南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5