同轴送粉增材制造工艺过程原位观测系统及测试方法
阅读说明：本技术 同轴送粉增材制造工艺过程原位观测系统及测试方法 (In-situ observation system and test method for coaxial powder feeding additive manufacturing process ) 是由 王浩伟 罗升 王洪泽 吴一 廉清 孙华 韩静韬 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种同轴送粉增材制造工艺过程原位观测系统及测试方法；该系统包括X射线产生装置,同轴送粉增材制造设备,X射线观测装置；通过在同轴送粉增材制造设备外搭设X射线产生装置,使用X射线对准所需观测进行同轴送粉增材制造工艺过程的位置,通过光学仪器成像,可以观测同轴送粉增材制造工艺过程中金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化过程,并通过加入钨粉等高熔点颗粒作为示踪粒子的粒子图像测速法,来追踪熔池内部的流动细节,通过分析热输入量的变化对于熔池动态特征演化的影响规律以及建立激光参数与熔池动态特征以及缺陷演化的映射数学模型,从而获得无缺陷的同轴送粉增材制造参数区间。(The invention discloses an in-situ observation system and a test method for a coaxial powder feeding additive manufacturing process; the system comprises an X-ray generating device, coaxial powder feeding additive manufacturing equipment and an X-ray observing device; the method comprises the steps of setting an X-ray generating device outside a coaxial powder feeding additive manufacturing device, aligning the position of a coaxial powder feeding additive manufacturing process to be observed by using X-rays, imaging by using an optical instrument, observing the evolution processes of metal powder melting, keyhole formation, air hole and splashing in the coaxial powder feeding additive manufacturing process, tracking the flow details inside a molten pool by using a particle image velocimetry method in which high-melting-point particles such as tungsten powder and the like are added as tracer particles, analyzing the influence rule of the change of heat input on the dynamic characteristic evolution of the molten pool, and establishing a mapping mathematical model of laser parameters, the dynamic characteristic of the molten pool and defect evolution, thereby obtaining a defect-free coaxial powder feeding additive manufacturing parameter interval.)
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，涉及一种同轴送粉增材制造工艺过程原位观测系统及测试方法；适合于观测各种材料在不同工艺参数下的同轴送粉增材制造工艺过程中金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化过程以及熔池内部的流动情况。
背景技术
同轴送粉增材制造技术由于加工精度高，加工效率高，产品开发周期短，被逐步应用于形状复杂零件的定制化生产，在航空航天领域具有广泛的应用前景。
同轴送粉增材制造过程中，高功率密度的激光照射到金属粉末上，金属粉末吸收激光能量后快速熔化和汽化，形成下凹的液态熔池，液态熔池在蒸发反冲压作用下往下运动形成金属蒸汽孔(匙孔)。由于液态熔池和匙孔被周围的固态金属包围，激光照射下熔池和匙孔的动态演化机理尚不清楚，熔池内部的流动特征不清楚，工艺过程极易引入缺陷，影响零件性能，并且目前并没有很好的观测方法和手段，限制了同轴送粉增材制造工艺过程的研究和发展。
同轴送粉增材制造工艺与激光选区融化工艺的重要区别是粉末的传递方式，同轴送粉增材制造工艺依靠的是送粉器实时传递粉末，而激光选区融化工艺主要是通过铺粉，所以同轴送粉增材制造工艺的粉末动态沉积使得该过程与激光焊接、激光选区熔化增材制造的熔池产生显著的差异，熔池流动，气孔和缺陷演化的规律也发生了明显的变化。由于其激光功率很高，且传递的粉末是动态的过程，激光和粉末的作用过程更加复杂，熔池内部的流动更加剧烈复杂，属于多物理场耦合的一个过程，极易引入缺陷，所以对于熔池内部的流动细节的观测更为关键。目前对于该缺陷的观测，大多数使用试样法，观看金相，并不能采用原位观测的方式进行动态观测，以及观测熔池内部的流动情况，更不能量化分析，或利用高速相机的方法很难观测到熔池内部的情况，单纯的X射线成像技术虽能定性的观测到熔池内部的一些金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化过程，但是对于熔池内部的流动情况和以及传热传质行为并不能观测到，且无法使用动力学和运动学方法定量分析空洞等缺陷形成流体力学机理，从而限制对同轴送粉增材制造过程的定量分析，以及限制了结合数值模拟的方法进行缺陷机理进行定量分析。
本发明提供了同轴送粉增材制造工艺过程原位观测系统及测试方法，通过X射线观测技术结合在金属粉末中添加高熔点的示踪粒子的粒子图像测速法，该技术方案除了可以对同轴送粉增材制造工艺过程中金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化过程进行直接观测，并能够通过X射线观测示踪粒子的运动行为就可以追踪熔池内部的流动细节，以及气孔等缺陷界面处流体的运动行为，并且可以量化运动速度等参数，从而可以很方便结合数值模拟方法定量分析同轴送粉增材制造技术的缺陷形成的机理，并且可以定量分析热输入量的变化对于熔池动态特征演化的影响规律以及建立激光参数与熔池动态特征，以及缺陷演化的映射数学模型，从而获得无缺陷的同轴送粉增材制造参数区间。
发明内容
针对现有技术的改进需求，本发明提供一种基于X射线成像技术的同轴送粉增材制造工艺过程原位观测系统及测试方法；适合于观测各种材料在不同工艺参数下的同轴送粉增材制造工艺过程中金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化过程以及熔池内部的流动情况。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明涉及同轴送粉增材制造工艺过程原位观测系统，所述观测系统包括：
a、同轴送粉增材制造设备，
包括粉末供应装置10-4，所述粉末供应装置10-4的粉末里加入示踪颗粒20-4；
b、X射线观测设备，
包括X射线光源20-1和光路系统，所述光路系统包括反射镜20-7、准直透镜20-8、聚焦镜20-9和成像装置20-10；
X射线光源20-1对准基板20-5上的加工区域20-3，X射线穿过准加工区域20-3后，经过X射线闪烁计数器20-6到反射镜20-7，再到准直透镜20-8、聚焦镜20-9，最后到成像装置20-10；
c、图像显示处理设备30，
通过光路系统采集到得图像数据信息，并将数据传递给图像显示处理设备30。
该原位观测系统实现了有效的集成，在增材制造设备的打印区域前方设置X射线观测设备，当调试好参数后，X射线光源对准所需观测的增材制造工艺过程区域，即加工区域20-3，在金属粉末内部加入高熔点示踪颗粒20-4，设置好增材制造设备参数，开始进行同轴送粉增材制造过程，采集同轴送粉增材制造过程金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化以及熔池流动的细节，在图像显示处理设备30中处理数据信息。
其中同轴送粉增材制造设备，包括所有使用同轴送粉制造工艺的设备。作为本发明的一个实施方案，所述同轴送粉增材制造设备还包括激光器10-1、激光发射器10-3；激光器10-1通过光纤10-2连接到激光发射器10-3；粉末供应装置10-4对准加工区域20-3，且设置在基板20-5上方。
其中同轴送粉增材制造的材料可以是铝合金，钛合金，镁合金，复合材料等以及其他可以用于同轴送粉增材制造工艺的粉末材料。作为本发明的一个实施方案，所述粉末选自金属基粉末。所述金属粉末选自铝合金粉末、钛合金粉末、镁合金粉末中的一种或几种。
其中产生X射线光源20-1的X射线产生装置可以是任何可以产生X射线的装置，包括同步辐射。作为本发明的一个实施方案，所述系统还包括X射线产生装置，所述X射线产生装置为同步辐射X射线产生装置，产生X射线光源20-1。
其中示踪颗粒20-4为熔点高于金属粉末沸点的颗粒，且不与金属粉末反应，示踪颗粒20-4在金属粉末里的体积比例在1％-5％之间，由于过多的异质粉末会干涉熔池内金属液体的真实运动，过少不易被观测到。作为本发明的一个实施方案，所述示踪颗粒20-4选用颗粒粒径在10μm～100μm之间，这是由于X射线观测装置的分辨率所限制，颗粒不能太小；颗粒过大，惯性力过大，会影响熔池内部流体的真实流动。
其中基板20-5的尺寸一般不超过X射线的穿透能力的尺寸，一般在垂直X射线方向不超过100mm。作为本发明的一个实施方案，基板20-5的尺寸为不超过X射线的穿透能力的尺寸，且在垂直X射线方向的不超过100mm。
其中X射线与同轴送粉增材制造设备间的观测窗口20-2(具体设置在X射线与准加工区域20-3之间)应使用不会对光有太大的散射和消耗的材料，且厚度不超过10mm。作为本发明的一个实施方案，X射线与准加工区域20-3间的观测窗口20-2选用聚酰亚胺材料，且厚度不超过10mm。
第二方面，本发明涉及同轴送粉增材制造工艺过程原位观测测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一，提供所述同轴送粉增材制造设备，设置好工艺参数，使之能够正常进行工作并在粉末供应装置10-4的金属粉末里加入示踪颗粒20-4，使之与金属粉末混合均匀；
步骤二，启动X射线观测设备，让X射线光源20-1对准所需观测的加工区域20-3，并设置好参数和调试好设备，使之进入工作状态；
步骤三，启动同轴送粉增材制造设备，开始进行增材制造过程，打印试样；
步骤四，打印好试样后，工艺结束后，关闭同轴送粉增材制造设备，关闭X射线观测设备，使用图像显示处理设备30采集的图像信息处理数据信息。
步骤五，如若更改工艺参数和材料重复步骤二、步骤三及步骤四，直至实验结束。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的同轴送粉增材制造工艺过程原位观测系统及测试方法，实现了对增材制造工艺过程中同轴送粉增材制造工艺过程中金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化过程以及熔池内部的流动细节进行观测，并通过采用加入示踪颗粒的方法，结合X射线观测，可以定量测得观测区域熔池内部的流动特点和流动速度等量化的参数信息，可以结合数值模拟技术定量化分析熔池内部的动力学和运动学特征，如熔池内部液体的流动方向和速度等信息，为优化数值模拟的模型提供了良好的参照，从而为增材制造过程缺陷产生机制和工艺优化方案提供了解决方法。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的同轴送粉增材制造工艺过程原位同步辐射观测方法；
图2为增材制造工艺过程中同轴送粉增材制造工艺过程中金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化过程以及熔池内部的流动细节的观测示意图；
其中，激光器10-1，光纤10-2，激光发射器10-3，粉末供应装置10-4，X射线20-1，观测窗口20-2，加工区域20-3，示踪颗粒20-4，基板20-5，X射线闪烁计数器20-6，反射镜20-7，准直透镜20-8，聚焦镜20-9，成像装置20-10，图像显示处理设备30。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
图1是本发明提供的同轴送粉增材制造工艺过程原位观测系统的结构示意图。所述系统包括：
同轴送粉增材制造设备，包括激光器10-1、激光发射器10-3、粉末供应装置10-4；
激光器10-1，与光纤10-2相连，在连接到激光发射器10-3，使粉末供应装置10-4对准加工区域20-3，且设置在基板20-5上方；所述粉末供应装置10-4的粉末里加入示踪颗粒20-4；
X射线观测设备，包括X射线光源20-1和光路系统，所述光路系统包括X射线闪烁计数器20-6、反射镜20-7、准直透镜20-8、聚焦镜20-9、成像装置20-10；
X射线光源20-1对准加工区域20-3，X射线穿过工件后经过X射线闪烁计数器20-6，到反射镜20-7，再到准直透镜20-8、聚焦镜20-9，最后到成像装置20-10；
图像显示处理设备30，
通过光路系统采集到得图像数据信息，并将数据传递给图像显示处理设备30。
在同轴送粉增材制造设备中，激光器10-1可以是蓝激光器、红激光器等，与激光头(激光发射器10-3)，通过光纤10-2相连，粉末供应装置10-4和激光发射器10-3集成在一起，送粉率和激光功率以及扫描速度都是通过同轴送粉增材制造设备控制。
在粉末供应装置10-4中的金属粉末中均匀混合加入示踪颗粒20-4，可以随同轴送粉增材制造设备的粉末供应装置10-4的工作，将金属粉末和示踪颗粒20-4同时送入加工区域20-3。
X射线发生装置产生X射线20-1，通过同轴送粉增材制造工艺加工区域20-3，通过基板20-5，进入光路系统，X射线经过X射线闪烁计数器20-6，到反射镜20-7，再到准直透镜20-8、聚焦镜20-9，最后到成像装置20-10。该成像装置20-10可采用市购的可实现成像的装置，如日本滨松电子生产的X射线TDI相机C12200-461。
图像显示处理设备30通过光路系统采集得到图像数据信息，并将数据传递给图像显示处理设备30。该图像显示处理设备30为市购的能够通过光路系统采集到得图像数据信息并予以处理的设置。如Dell公司的OptiPlex 5080系列。
本实施例还提供了一种基于X射线成像技术的同轴送粉增材制造工艺过程原位观测测试方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，设置好同轴送粉增材制造设备工艺参数，使之能够正常进行工作，在AlSi10Mg金属粉末中加入3％体积分数的金属钨颗粒，粒径在30μm-80μm，使之在金属粉末中均匀分布；
步骤二，启动同步辐射X射线观测设备，让光源对准所需观测的加工区域，并设置好参数和调试好设备，使之进入工作状态，采集图像信息；
步骤三，启动同轴送粉增材制造设备，开始进行增材制造过程，打印试样；
步骤四，打印好试样后，工艺结束后，关闭同轴送粉增材制造设备，关闭X射线相关设备，使用图像处理设备采集的图像信息。
步骤五，如若更改工艺参数和材料重复步骤二、步骤三及步骤四，直至实验结束。
本实施方法中，观测系统实现了有效集成，通过调整X射线观测位置和调整同轴送粉增材制造的工艺参数，对增材制造工艺过程中同轴送粉增材制造工艺过程中金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化过程以及熔池内部的流动细节进行观测，如图2所示，该方案除了可以对同轴送粉增材制造工艺过程中金属粉末熔化、匙孔形成、气孔和飞溅演化过程进行直接观测，并能够通过X射线观测示踪粒子的运动行为就可以追踪熔池内部的流动细节，以及气孔等缺陷界面处流体的运动行为，并且可以量化运动速度等参数，如图2中示踪颗粒的速度分布，从而可以很方便结合数值模拟方法定量分析同轴送粉增材制造技术的缺陷形成的机理，并且可以定量分析热输入量的变化对于熔池动态特征演化的影响规律以及建立激光参数与熔池动态特征，以及缺陷演化的映射数学模型，从而获得无缺陷的同轴送粉增材制造参数区间。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。