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本發(fā)明公開了一種具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方 法及設(shè)備。方法根據(jù)待成形金屬構(gòu)件切片輪廓形狀確定成型缸的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)，使各鋪粉層的金屬粉末盡量只處于待成形金屬構(gòu)件切片輪廓形 狀對應(yīng)的區(qū)域，以大幅度減少金屬粉末的用量，并提高高能束增材制 造的功效。設(shè)備包括一個或多個成型缸，該成型缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與待成 形金屬構(gòu)件切片輪廓形狀相匹配。本發(fā)明通過使用鑲塊以及與金屬構(gòu) 件切片輪廓形狀相適應(yīng)的異形基板，實現(xiàn)了針對不同金屬構(gòu)件

本發(fā)明公開了一種梯度溫度場主動調(diào)控系統(tǒng)及其控制方法，系 統(tǒng)由溫度場監(jiān)控系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；溫度場監(jiān)控系統(tǒng)用于測 量成形區(qū)域 XOY 平面及四周的溫度場信息，將獲得的溫度場信息進行 量化處理后反饋給控制系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)指令對成型缸的 底部和四周進行溫度場的分區(qū)獨立實時調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)在加工過程中整 個加工區(qū)域的溫度場恒定，保證已加工區(qū)域與未加工區(qū)域處于合理的 溫度梯度，避免熱應(yīng)力導(dǎo)致構(gòu)件翹曲、變形、開裂。本

激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM)技術(shù)是近20年來信息技術(shù)、新材料技術(shù)與制造技術(shù)多學(xué)科融合發(fā)展的先進制造技術(shù)。增材制造依據(jù)CAD數(shù)據(jù)逐層累加材料的方法制造實體零件，其制造原理是材料逐點累積形成面，逐面累積成為體。這一成形原理給制造技術(shù)從傳統(tǒng)的宏觀外形制造向宏微結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展提供了新契機。激光增材制造（LAM）系統(tǒng)由五個子系統(tǒng)組成：（1）激光加熱系統(tǒng)；（2）工作臺及數(shù)控系統(tǒng)；（3）同軸供粉系統(tǒng)；（4）惰性氣體保護箱（手套箱）；（5）循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。 激光增材制造的產(chǎn)品和零件可以不受形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及尺寸大小的限制。擺脫了傳統(tǒng)“去除”加工法的局限性，可以生產(chǎn)傳統(tǒng)方法難以加工或不能加工的形狀復(fù)雜的零件。可成形材料有碳鋼、不銹鋼、高溫合金、鈦合金、銅合金、復(fù)合陶瓷等。可廣泛應(yīng)用于航空航天、人工假體、國防工業(yè)和機械工業(yè)產(chǎn)品的制造。

受控電弧增材制造技術(shù)，是一種高效低成本增材制造技術(shù)。本技術(shù)主要包括受控電弧增材制造(3D打印)系統(tǒng)裝備和和工藝技術(shù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大型零部件產(chǎn)品的整體增材成形，研發(fā)了機器人受控電弧增材成形系統(tǒng)裝備和工藝、數(shù)控專機型受控電弧增材成形系統(tǒng)裝備和工藝，可實現(xiàn)不銹鋼、高強鋁合金、高強超高強鋼、有色合金等中大型零部件的增材成形零部件。受控電弧增材成形速度10kg/h，表面粗糙度0.5mm，代表了國際3D打印技術(shù)新的發(fā)展方向，可在航空、航天、海洋工程、國防、軌道車輛、新能源、船舶、石油化工、重型機械等各行業(yè)獲得

3D打印加建筑，利用層層堆積的基本原理，采用工業(yè)機器人逐層重復(fù)鋪設(shè)材料層構(gòu)建自由形式的建筑結(jié)構(gòu)的新興技術(shù)。建筑3D打印機的構(gòu)成和傳統(tǒng)打印機基本一樣，主要包括控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質(zhì)等。建筑3D打印機根據(jù)電腦上設(shè)計的完整的三維模型數(shù)據(jù)，通過一個運行程序?qū)⒉牧戏謱哟蛴≥敵霾⒅饘盈B加，最終將計算機上的三維模型變?yōu)榻ㄖ嵨铩Ｄ壳绊椖恳呀?jīng)在江北新區(qū)有實體展示，處于可以產(chǎn)業(yè)化階段。

西安交通大學(xué)自 1993 年開始增材制造（3D 打印）技術(shù)研究，是國內(nèi)最早開展增材制造技術(shù)研究的單位之一。經(jīng)過二十年的發(fā)展，西安交通大學(xué)形成了多種增材制造工藝和裝備，建立了以快速制造系統(tǒng)為特色工程應(yīng)用的研究隊伍，產(chǎn)生了以盧秉恒院士為學(xué)術(shù)帶頭人的“增材制造”教育部創(chuàng)新團隊。研究團隊依托機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室（西安交通大學(xué)）開展基礎(chǔ)研究，在高分子材料、金屬、陶瓷、復(fù)合材料、智能材料的增材制造等方面取得進展，多項技術(shù)成果處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進平。為推動 3D 打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，在 2000 年成立“教育部快速成形制造工程研究中心”（市場經(jīng)營主體為陜西恒通智能機器有限公司），2007 年成立“快速制造國家工程研究中心”（市場經(jīng)營主體為西安瑞特快速制造工程研究有限公司）。建立了一套支撐產(chǎn)品快速開發(fā)的快速制造系統(tǒng)，研制、生產(chǎn)和銷售 16 個型號的激光快速成型設(shè)備、快速模具設(shè)備及三維檢測設(shè)備。同時開展快速原型制作、快速模具制造以及逆向工程服務(wù)。產(chǎn)品在全國各院校、汽車、電器等企業(yè)銷售應(yīng)用十多年，客戶近萬家。近年協(xié)助政府和企業(yè)在多個地區(qū)成功建立產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的推廣基地、快速成形制造服務(wù)制造中心。

基于粉床熔融形式的SLM技術(shù)可以視為一種新型、高效、清潔的粉末冶金工藝，利用激光快速凝固的特點，更容易實現(xiàn)摻雜增強金屬基材料、梯度復(fù)合金屬基材料的制備。 一、項目分類 關(guān)鍵核心技術(shù)突破 二、成果簡介 金屬激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)適合加工具有“小批量”、“定制式”、“形狀復(fù)雜”特征的零件，與航空航天、生物醫(yī)療領(lǐng)域的零部件、器械的制作需求有很高的契合度。作為一種典型的激光增材制造工藝，激光選區(qū)熔化具有更高的成形分辨率和更低的使用門檻，可以實現(xiàn)高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件快速制造。此外，基于粉床熔融形式的SLM技術(shù)可以視為一種新型、高效、清潔的粉末冶金工藝，利用激光快速凝固的特點，更容易實現(xiàn)摻雜增強金屬基材料、梯度復(fù)合金屬基材料的制備。 三、主要技術(shù)指標 1.激光器功率高達800W，預(yù)熱溫度達300℃，氧含量低至20 ppm； 2.多尺寸（160×160 mm，120×120 mm ，ø100 mm）成型缸任意切換； 3.雙循環(huán)凈化系統(tǒng)，保證工作腔的清潔。 四、知識產(chǎn)權(quán) 1.一種用于直接制造金屬骨科植入物的激光選區(qū)熔化專用設(shè)備，專利號：201610341144.2 2.3D打印機鋪粉機構(gòu)及其打印方法，申請?zhí)枺?01811095024.4 3.一種適用于選區(qū)熔化成形的送粉鋪粉裝置，專利號：201820036929.3 4.一種3D打印機鋪粉粉末回收裝置，申請?zhí)枺?01811115016.1 五、成果圖片  圖1 激光選區(qū)熔化設(shè)備SLM RAP-Ⅳ樣機（自研）   圖2 小尺寸圓缸打印試驗樣件

面向大尺寸高精度陶瓷及其復(fù)合材料復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的成形，基于面曝光技術(shù)，開發(fā)了專用大尺寸陶瓷增材制造成形裝備及相關(guān)工藝。 技術(shù)特征 基于面曝光技術(shù)的陶瓷預(yù)制體成形設(shè)備可成形ZrO2、Al2O3陶瓷預(yù)制體，利用微透鏡陣列聚焦及光斑微偏移技術(shù)，分辨率可提升到37.5μm，結(jié)合收縮預(yù)測技術(shù)，大大提高陶瓷成形精度，成形尺寸達270mm×300mm×450mm，成形相對精度達到±1%，同時配套研發(fā)了無缺陷脫脂與燒結(jié)工藝，燒結(jié)樣件致密度可達97%。

面向大尺寸高精度陶瓷及其復(fù)合材料復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的成形，基于面曝光技術(shù)，開發(fā)了專用大尺寸陶瓷增材制造成形裝備及相關(guān)工藝。技術(shù)特征基于面曝光技術(shù)的陶瓷預(yù)制體成形設(shè)備可成形ZrO2、Al2O3陶瓷預(yù)制體，利用微透鏡陣列聚焦及光斑微偏移技術(shù)，分辨率可提升到37.5μm，結(jié)合收縮預(yù)測技術(shù)，大大提高陶瓷成形精度，成形尺寸達270mm×300mm×450mm，成形相對精度達到±1%，同時配套研發(fā)了無缺陷脫脂與燒結(jié)工藝，燒結(jié)樣件致密度可達97%。應(yīng)用范圍:該項目研發(fā)了高精度結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形的增材制造裝備，并開展了相關(guān)工藝的研究，解決了工程陶瓷材料難以成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難題。項目所涉及技術(shù)可成功制備低介陶瓷無源器件、仿生多孔結(jié)構(gòu)與吸波超結(jié)構(gòu)等，可在航空航天、衛(wèi)星、雷達等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

鋁及其合金是工程應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料之一。傳統(tǒng)的鋁合金零件通過鑄造、鍛造和粉末冶金等方法制造，與這些傳統(tǒng)制造過程相關(guān)的工具設(shè)備增加了制造成本和交付周期。3D打印技術(shù)由于為制造設(shè)計提供了豐富的自由度而廣泛應(yīng)用于工程零件的制造。現(xiàn)有3D打印技術(shù)中，選擇性激光熔化（SLM）是發(fā)展最為廣泛的方法之一。但是SLM工藝中的冶金缺陷如許多裂紋、球化和氣孔導(dǎo)致只有有限數(shù)量的金屬適合該種工藝，且具備滿足要求的密度、微觀結(jié)構(gòu)和強度。中南大學(xué)粉末冶金研究院李瑞迪研究員和新西蘭奧克蘭大學(xué)、中車工業(yè)研究院有限公司等單位合作通過對合金元素進行調(diào)控和熱處理工藝的探索，發(fā)展了一種適用于SLM制備工藝，具有良好抗裂性和高強度Al-Mg-Si-Sc-Zr合金。相關(guān)論文以題為“Developing a high-strength Al-Mg-Si-Sc-Zr alloy for selective laser melting: crack-inhibiting and multiple strengthening mechanisms”于4月13日在金屬材料頂級期刊《Acta Materialia》在線發(fā)表。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.060在該項工作中，研究人員設(shè)計了一系列Al-Mg（-Si）-Sc-Zr合金，并用霧化合金粉末進行3D打印制備。在沒有Si元素的情況下，Al-xMg-0.2Sc-0.1Zr（x=1.5,3.0,6.0wt.%）合金在制備過程中均易發(fā)生熱裂紋，平均裂紋密度隨Mg含量的增加而增大。發(fā)現(xiàn)在Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr合金中加入1.3wt%的Si能夠有效地抑制SLM過程中的熱裂紋，同時細化制備合金的微結(jié)構(gòu)，從而提高打印試樣的力學(xué)性能。圖1：不同成分的打印樣品晶粒尺寸和形貌EBSD分析結(jié)果：（a）1.5 wt%Mg，合金1；（b）3.0 wt%Mg，合金2；（c）6.0 wt%Mg，合金3；（d）6.0 wt%Mg+1.3 wt%Si，合金4。晶體學(xué)取向用倒極圖（IPF）表示。圖2：Mg和Si元素對試樣斷裂行為的影響。（a）不同合金成分（合金1，合金2，合金3，合金4）的拉應(yīng)力應(yīng)變曲線。（b-e）合金1（b）、合金2（c）、合金3（d）、合金4（e）的斷口SEM圖像。通過對合金成分的進一步微調(diào)，研究人員設(shè)計了一種新型合金Al-8.0Mg-1.3Si-0.5Mn-0.5Sc-0.3Zr。這種新合金具有明顯的細化微觀組織，由亞微米胞體和胞體中存在的共晶Al3（Sc，Zr）納米粒子（2-15nm）和粒間Al-Mg2Si共晶（Mg2Si直徑10-100nm）組成。打印試樣中形成了高密度的層錯和獨特的9R相。試樣的拉伸強度和延伸率分別達到497MPa和11%。經(jīng)過時效處理后，試樣的拉伸強度達到550MPa，塑性在8%～17%之間。除了固溶強化、晶界強化和納米顆粒強化外，高密度層錯也有助于強化。圖3：不同組分（a1-4）合金#4；（b1-4）合金#5的SLM打印樣品的細晶區(qū)TEM圖像：（a1-2）合金4的胞狀結(jié)構(gòu)；（a3-4）合金的柱狀結(jié)構(gòu)；（b1-5）合金（b2）的胞狀結(jié)構(gòu)是（b1）的暗場圖像；（b3-4）合金的柱狀組織#5；圖（a2），（a4），（b2）和（b4）顯示了晶間共晶組織；（b5）是SLM-printed Alloy#5細胞的干HAADF圖像和主要元素（Al、Mg、Si、Sc、Mn和Zr）的相應(yīng)EDX圖譜。圖4：（a）SLM打印合金#5時效前后的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。曲線“#5”表示打印合金#5；曲線“#5-HT1”表示360℃時效8h的合金#5；曲線“#5-HT2”表示300℃時效8h的合金#5。（b）在合金#5-HT2斷裂處拉伸試樣的透射電鏡顯示具有高密度位錯和SFs的變形組織。（c）沿[001]方向的變形亞晶中滑移帶和滑移方向的HRTEM圖像。（d）在（-100）面上用（c）圖中標記區(qū)域的傅里葉逆變換圖像顯示出高密度位錯。這項研究成果通過在原有3D打印Al-Mg-Sc-Zr合金中添加Si元素，形成了精細打印微觀組織，獲得了無裂紋的打印合金成分。隨后通過熱處理時效工藝引入高密度層錯并細化晶粒，開發(fā)出了一種具有低熱裂敏感性和高強度的新型鋁鎂合金。這項工作提供了一種解決和消除SLM工藝中的冶金缺陷的鋁鎂合金成分設(shè)計方法和熱處理工藝，推動了SLM制造技術(shù)的工程應(yīng)用。