增減混合裝備上的溫度調控技術最新進展

增減混合3D打印設備，有其獨到的使用場景。但相關技術，存在諸多難題。例如溫度調控技術。


一、激光送粉的近凈成形技術：

是直接能量沉積技術的一種。該技術的優(yōu)勢在于：

1)      激光束的能量密度高，加熱速度快，對基材的熱影響較小，引起工件的變形小；

2)      控制激光的輸入能量，可將基材的稀釋作用限制在極低的程度，從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能；

3)      激光熔覆涂層與基材之間形成冶金結合，且生成組織細小。這些特點使得激光近凈成形技術近十年來在材料表面改性、增材制造與修復再制造等方面受到高度的重視。

二、混合技術的優(yōu)勢：

基于激光送粉的近凈成形與五軸聯動的加工中心裝備的結合，形成了獨特的增減混合五軸聯動增材裝備。結合兩種工藝的優(yōu)勢，使用一套控制系統(tǒng)，可以實現混合的特殊工藝，將直接能量沉積技術的工藝適應性大幅提高。國際上有很多著名的機床公司有類似的產品，國內也有較為成熟穩(wěn)定的產品，在裝備和工藝方面研究較為深入企業(yè)。

三、溫度調控的作用：

增減混合裝備技術，并非簡單的兩種工藝混合，同時要解決異種工藝的協調控制工藝，直接能量沉積技術的固有技術問題。其中無論控形和控性，對于因能量輸入輸出引起的溫度變化加以監(jiān)視和控制，都是非常有意義的事情。

（１）溫度控制的作用一，降低裂紋敏感性：

裂紋是大面積激光熔覆和大件增材制造技術中比較棘手的問題。熔覆層中存在殘余應力是裂紋產生的原因。由于激光束的快速加熱，使得熔覆層完全熔化而基體微熔，熔覆層和基體材料間產生很大的溫度梯度，在隨后的快速凝固過程中，形成的溫度梯度和熱膨脹系數的差異造成熔覆層與基體體積收縮不一致，熔覆層受到周圍環(huán)境(處于冷態(tài)的基體) 的約束，因此在熔覆層中形成拉應力。當局部拉應力超過材料的強度極限時，就會產生裂紋。試驗表明，在熔覆前對零件或者基板進行預熱和熔覆后的在線近似回火處理均會顯著降低裂紋敏感性。

（２）溫度控制的作用二，提高溫度梯度，控制凝固組織形貌：

有研究表明，基板預熱溫度越低, 激光沉積成形過程中基板與覆材的溫差越大 ,使得該方向的溫度梯度越高 ,則易于形成細長密集的近似并行生長的枝晶 .基板預熱溫度越高 ,激光沉積成形過程中基板與覆材的溫差越小, 使得該方向的溫度梯度越低;而較慢的散熱過程使得凝固過程相對放緩, 使得枝晶在高溫凝固過程中會有更多的時間長得粗壯,凝固組織從而容易形成等軸晶。

控制激光金屬直接成形過程環(huán)境溫度，可以控制零件內部組織為柱狀晶且定向生長，即成形程是一個定向凝固的過程。

目前主要使用高速凝固法(HRS)和液態(tài)金屬冷卻法(LMC)兩種鑄造工藝制備鎳基單晶高溫合金。對于第三代鎳基單晶高溫合金, 相比HRS工藝, LMC工藝顯著降低合金的一次枝晶間距和顯微孔洞的(鑄態(tài)孔和固溶孔)體積分數, 而合金的共晶體積分數有所增加。激光直接能量沉積技術近似配合溫度控制，原理近似LMC工藝，可實現單晶合金的制備。使用特殊的材料配合溫度控制，則可以制備非晶合金。

四、五軸旋轉工作臺上的空間溫度調控系統(tǒng)：

空間的溫度監(jiān)控包括加熱系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。基礎溫控系統(tǒng)包括加熱裝置，隔熱裝置，冷卻裝置，每種裝置都帶有溫度測量儀器，將數據反饋到控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)根據需要隨時調整各部位的溫度。其中加熱裝置最高可達到表面400℃，升溫過程在1小時以內。隔熱裝置主要隔斷工作臺內部器件的熱量傳導，保證電子元件和運動部件的正常運轉。冷卻裝置采用水或者液態(tài)氣體，配合主軸上端的氣體冷卻可實現快速局部和整體制冷。

上圖集成在工作臺上的基礎溫度控制系統(tǒng)。

上圖采用外部移動的加熱裝置，可以實現對零件整體溫度保持。