增减混合装备上的温度调控技术最新进展

增减混合3D打印设备，有其独到的使用场景。但相关技术，存在诸多难题。例如温度调控技术。


一、激光送粉的近净成形技术：

是直接能量沉积技术的一种。该技术的优势在于：

1)      激光束的能量密度高，加热速度快，对基材的热影响较小，引起工件的变形小；

2)      控制激光的输入能量，可将基材的稀释作用限制在极低的程度，从而保持了原熔覆材料的优异性能；

3)      激光熔覆涂层与基材之间形成冶金结合，且生成组织细小。这些特点使得激光近净成形技术近十年来在材料表面改性、增材制造与修复再制造等方面受到高度的重视。

二、混合技术的优势：

基于激光送粉的近净成形与五轴联动的加工中心装备的结合，形成了独特的增减混合五轴联动增材装备。结合两种工艺的优势，使用一套控制系统，可以实现混合的特殊工艺，将直接能量沉积技术的工艺适应性大幅提高。国际上有很多著名的机床公司有类似的产品，国内也有较为成熟稳定的产品，在装备和工艺方面研究较为深入企业。

三、温度调控的作用：

增减混合装备技术，并非简单的两种工艺混合，同时要解决异种工艺的协调控制工艺，直接能量沉积技术的固有技术问题。其中无论控形和控性，对于因能量输入输出引起的温度变化加以监视和控制，都是非常有意义的事情。

（１）温度控制的作用一，降低裂纹敏感性：

裂纹是大面积激光熔覆和大件增材制造技术中比较棘手的问题。熔覆层中存在残余应力是裂纹产生的原因。由于激光束的快速加热，使得熔覆层完全熔化而基体微熔，熔覆层和基体材料间产生很大的温度梯度，在随后的快速凝固过程中，形成的温度梯度和热膨胀系数的差异造成熔覆层与基体体积收缩不一致，熔覆层受到周围环境(处于冷态的基体) 的约束，因此在熔覆层中形成拉应力。当局部拉应力超过材料的强度极限时，就会产生裂纹。试验表明，在熔覆前对零件或者基板进行预热和熔覆后的在线近似回火处理均会显著降低裂纹敏感性。

（２）温度控制的作用二，提高温度梯度，控制凝固组织形貌：

有研究表明，基板预热温度越低, 激光沉积成形过程中基板与覆材的温差越大 ,使得该方向的温度梯度越高 ,则易于形成细长密集的近似并行生长的枝晶 .基板预热温度越高 ,激光沉积成形过程中基板与覆材的温差越小, 使得该方向的温度梯度越低;而较慢的散热过程使得凝固过程相对放缓, 使得枝晶在高温凝固过程中会有更多的时间长得粗壮,凝固组织从而容易形成等轴晶。

控制激光金属直接成形过程环境温度，可以控制零件内部组织为柱状晶且定向生长，即成形程是一个定向凝固的过程。

目前主要使用高速凝固法(HRS)和液态金属冷却法(LMC)两种铸造工艺制备镍基单晶高温合金。对于第三代镍基单晶高温合金, 相比HRS工艺, LMC工艺显著降低合金的一次枝晶间距和显微孔洞的(铸态孔和固溶孔)体积分数, 而合金的共晶体积分数有所增加。激光直接能量沉积技术近似配合温度控制，原理近似LMC工艺，可实现单晶合金的制备。使用特殊的材料配合温度控制，则可以制备非晶合金。

四、五轴旋转工作台上的空间温度调控系统：

空间的温度监控包括加热系统，冷却系统和监控系统。基础温控系统包括加热装置，隔热装置，冷却装置，每种装置都带有温度测量仪器，将数据反馈到控制系统，由系统根据需要随时调整各部位的温度。其中加热装置最高可达到表面400℃，升温过程在1小时以内。隔热装置主要隔断工作台内部器件的热量传导，保证电子元件和运动部件的正常运转。冷却装置采用水或者液态气体，配合主轴上端的气体冷却可实现快速局部和整体制冷。

上图集成在工作台上的基础温度控制系统。

上图采用外部移动的加热装置，可以实现对零件整体温度保持。