一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法

摘要

本发明公开了一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法，包括步骤：一、构建激光微区冶金系统；二、确定金属粉末种类并准备足量质量的各类金属粉末；三、移动落料器；四、固定混合粉总质量并根据各类金属粉末质量比控制各类金属粉末输出；五、各类金属粉末的混合及投放；六、完成基体上所有凹槽内混合粉的投放；七、设置激光发生子系统的激光加工参数并进行微区冶金；八、建立激光增材合金试样成分与显微组织的对应关系，并对激光增材合金试样进行微纳米压痕测试；九、训练BP神经网络模型；十、激光增材合金试样材料基因库的建立。本发明高能激光束对预置于基体上凹槽内的混合粉定点微区熔炼，基于激光熔池的强烈对流实现金属材料微区合金化。

说明书

技术领域

本发明属于激光增材技术领域，具体涉及一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法。

背景技术

激光增材制造以一种全新的制造方式快速发展，实现了从传统的“减材制造、等材制造”到“增材制造”的理念转变。以粉末为基础，采用高能激光束通过熔覆的方式，逐层堆积成实体零件的加工技术。激光增材制造技术使产品的开发至投入市场的时间极大地减少，并且使产品开发成本极大地降低，尤其能使产品的制造更快速、柔性、个性化、多样化，在新产品开发和单件小批量生产中具有无可比拟的优势。在激光增材制造构件过程中，由于高能束激光快速熔凝特性导致的非平衡组织和微区应力集中，使得激光增材制造合金的显微组织及性能均不同于传统的加工技术，因而不能充分发挥激光增材制造技术的优势。因此，激光增材“专用合金”的设计是激光增材技术发展道路上迫切需要解决的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法，通过构建激光微区冶金系统，使高能激光束对预置于基体上凹槽内的混合粉定点微区熔炼，基于激光熔池的强烈对流实现金属材料微区合金化，实现多元多组分金属材料的快速制备，对现有合金进行基因库的扩充，实现激光增材合金的高效设计与制备，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、构建激光微区冶金系统：在实验台上水平放置基体，通过给料子系统为基体投放混合粉，通过激光发生子系统将混合粉微区冶金成激光增材合金试样，基体、所述给料子系统和激光发生子系统构成激光微区冶金系统；

基体为陶瓷基体，所述陶瓷基体上开设有N个呈阵列式排列的球冠形的凹槽，所述凹槽所在的球体半径R的取值为5mm～20mm，凹槽的深度h的取值为相邻两个凹槽的间距为0.5cm～1cm，其中，N为不小于100的正整数；

所述给料子系统包括出粉机构、对所述出粉机构输出的多种金属粉末进行混合的混粉器和对混粉器输出的混合金属粉末进行准确投放至凹槽的落料器，落料器安装在可沿空间直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴方向移动的第一三自由度机械手上，混粉器向下倾斜插入至落料器内且固定在落料器上，所述出粉机构包括集粉管和多个单路出粉器，单路出粉器通过单路送粉管与集粉管连通，集粉管的出料端与混粉器的进料端结构尺寸一致，集粉管的出料端和混粉器的进料端连接，单路出粉器为盛放金属粉末且精确输出指定质量金属粉末的粉末状原材料精确自动输送装置，混粉器的出料端安装有出料嘴，所述出料嘴为漏斗形出料嘴，所述漏斗形出料嘴的出料端安装有自动开合门，所述漏斗形出料嘴的侧壁安装有称重传感器，落料器包括圆柱形容器和设置在所述圆柱形容器底部且与所述圆柱形容器加工制作为一体的喇叭形容器，所述喇叭形容器的小口端为落料器的出料端，落料器的出料端的尺寸与凹槽的敞口端尺寸一致；

激光发生子系统输出的高能激光束的末端光斑面积小于凹槽的敞口端面积，激光发生子系统安装在可沿空间直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴方向移动的第二三自由度机械手上；

所述自动开合门、所述第一三自由度机械手、所述第二三自由度机械手和激光发生子系统均由计算机控制，所述称重传感器的信号输出端与所述计算机的信号输入端连接；

步骤二、确定金属粉末种类并准备足量质量的各类金属粉末：根据合金成分设计确定金属粉末种类，选取出粉机构中与金属粉末种类数量一致的单路出粉器，并将各类金属粉末分别足量添加至各个单路出粉器中；

步骤三、移动落料器：利用第一三自由度机械手移动落料器至基体上指定的凹槽位置处，使落料器的出料端对准凹槽的敞口端，且落料器的出料端与指定的凹槽的敞口端接触且无缝隙；

步骤四、固定混合粉总质量并根据各类金属粉末质量比控制各类金属粉末同时输出：根据公式计算合金成分设计确定的金属粉末种类中第i类金属粉末的质量m_i，其中，M为混合粉的总质量，ρ_i为第i类金属粉末占的混合粉总质量的百分比，K为金属粉末种类数量，第i类金属粉末放置在第i个单路出粉器中；

根据K类金属粉末质量比，计算机控制K类金属粉末同时输出；

步骤五、各类金属粉末的混合及投放：单路出粉器中金属粉末通过单路送粉管输入至集粉管，集粉管中的各类金属粉末再输入至混粉器，混粉器中混合后的各类金属粉末下滑至出料嘴位置处，当称重传感器采集的混合后的各类金属粉末的总质量为M时，计算机控制自动开合门开启，混合后的各类金属粉末投放至落料器中，经喇叭形容器的小口端落入指定的凹槽内后执行步骤六；当称重传感器采集的混合后的各类金属粉末的总质量不等于M时，第一三自由度机械手将落料器移动至基体外，计算机控制自动开合门开启，混合后的各类金属粉末投放至落料器中，经喇叭形容器的小口端落入回收容器中后执行步骤三；

步骤六、更换新的凹槽，将新的凹槽视为指定的凹槽后循环步骤三，直至完成基体上所有凹槽内混合粉的投放；

步骤七、设置激光发生子系统的激光加工参数并进行微区冶金：利用第一三自由度机械手将落料器移动至基体外，利用第二三自由度机械手将激光发生子系统移动至基体上方，使激光发生子系统输出的高能激光束的末端光斑对准凹槽的敞口端，利用激光发生子系统设置输出的高能激光束的激光功率为1000W～3000W，每个凹槽内混合粉微区冶金方式均相同；

任一凹槽内混合粉微区冶金过程：开启激光发生子系统，激光发生子系统输出的高能激光束对凹槽内混合粉快速定点熔化，高能激光束作用于凹槽，实现无外应力的熔区快速自对流冶金，得到激光增材合金试样；

步骤八、建立激光增材合金试样成分与显微组织的对应关系，并对激光增材合金试样进行微纳米压痕测试：采用光镜以及扫描电镜对每个激光增材合金试样进行扫描观测，获取每个激光增材合金试样的显微组织参数，所述显微组织参数包括多个相形态参数，每个所述相形态参数均包括相长度、相宽度和相体积分数；

针对每个激光增材合金试样的各成分质量与每个激光增材合金试样的显微组织参数建立对应关系；

同时，对每个激光增材合金试样进行微纳米压痕测试，获取每个激光增材合金试样的硬度和弹性模量；

步骤九、训练BP神经网络模型：以激光增材合金试样的各成分质量为BP神经网络模型的输入层节点，以激光增材合金试样的显微组织参数、硬度和弹性模量为BP神经网络模型的输出层节点，训练BP神经网络模型；

步骤十、激光增材合金试样材料基因库的建立：以微区熔炼成型的激光增材合金试样来充实激光增材合金试样材料基因库，利用BP神经网络模预测新的激光增材合金试样的硬度和弹性模量，实现激光增材合金试样材料基因库的扩充。

上述的一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法，其特征在于：所述金属粉末为单质金属粉末或中间合金粉末，所述金属粉末的粒径为45μm～150μm。

上述的一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法，其特征在于：所述混粉器向下倾斜45°插入至落料器内。

上述的一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法，其特征在于：所述混合粉位于凹槽内的高度不高于凹槽的深度。

上述的一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法，其特征在于：步骤八中所述利用光镜以及扫描电镜对一系列不同成分的激光增材合金试样进行组织观测，然后通过Image-Plus软件对每个激光增材合金试样的显微组织参数进行表征及提取。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过构建激光微区冶金系统，基体采用陶瓷基体，避免与金属熔化后发生润湿作用，且基体上开设多个凹槽，利用给料子系统对基体中的每一个凹槽投放混合粉，凹槽为弧形，利用激光发生子系统输出的高能激光束对凹槽内混合粉快速定点熔化，高能激光束作用于凹槽，实现无外应力的熔区快速自对流冶金，在短时间内快速制备多组不同成分的激光增材合金试样。克服了传统熔炼合金速度慢、易偏析的缺点，便于应用推广。

2、本发明通过在喷嘴的出料嘴低位位置处安装称重传感器，复查给料子系统输出的材料是否准确，当称重传感器采集的混合后的各类金属粉末的总质量不等于预设值时，第一三自由度机械手将导粉器移动至基体外，计算机控制自动开合门开启，混合后的各类金属粉末投放至导粉器中，经喇叭形容器的小口端落入回收容器中，保证每一个凹槽中获取的粉末质量已知，各个金属质量比已知，为材料基因库的建立提供可靠的数据支持，精确可靠。

3、本发明方法步骤简单，通过完成在所有的凹槽中投放金属质量比不同的混合粉后，采用激光发生子系统集中对所有的凹槽中的混合粉进行微区冶金，使高能激光束对预置于基体上凹槽内的混合粉定点微区熔炼，基于激光熔池的强烈对流实现金属材料微区合金化，实现多元多组分金属材料的快速制备，最后，以激光增材合金试样的各成分质量为BP神经网络模型的输入层节点，以激光增材合金试样的显微组织参数、硬度、弹性模量为BP神经网络模型的输出层节点，训练BP神经网络模型，对现有合金进行基因库的扩充，实现激光增材合金的高效设计与制备，便于推广使用。

综上所述，本发明通过构建激光微区冶金系统，使高能激光束对预置于基体上凹槽内的混合粉定点微区熔炼，基于激光熔池的强烈对流实现金属材料微区合金化，实现多元多组分金属材料的快速制备，对现有合金进行基因库的扩充，实现激光增材合金的高效设计与制备，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明给料子系统与基体的配合关系示意图。

图2为本发明激光发生子系统与基体的配合关系示意图。

图3为本发明基体的俯视图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为本发明混合粉与凹槽的配合关系示意图。

图6为本发明激光增材合金试样与凹槽的配合关系示意图。

图7为本发明方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—单路出粉器；2—单路送粉管；3—集粉管；

4—混粉器；8—出料嘴；9—落料器；

10—基体； 11—凹槽； 12—激光发生子系统；

13—高能激光束； 14—混合粉；

15—激光增材合金试样。

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明的一种基于激光微区冶金的材料基因库的建立方法，包括以下步骤：

步骤一、构建激光微区冶金系统：在实验台上水平放置基体10，通过给料子系统为基体10投放混合粉14，通过激光发生子系统12将混合粉14微区冶金成激光增材合金试样15，基体10、所述给料子系统和激光发生子系统12构成激光微区冶金系统；

基体10为陶瓷基体，所述陶瓷基体上开设有N个呈阵列式排列的球冠形的凹槽11，所述凹槽11所在的球体半径R的取值为5mm～20mm，凹槽11的深度h的取值为相邻两个凹槽11的间距为0.5cm～1cm，其中，N为不小于100的正整数；

需要说明的是，基体10采用陶瓷基体，避免与金属粉末发生润湿作用，且基体10上开设多个凹槽11，利用给料子系统对基体10中的每一个凹槽11投放混合粉14，凹槽11为球冠形，利用激光发生子系统12输出的高能激光束13对凹槽11内混合粉快速定点熔化，高能激光束13作用于凹槽11，实现无外应力的熔区快速自对流冶金，在短时间内快速制备多组不同成分的激光增材合金试样15，克服了传统熔炼合金速度慢、易偏析的缺点，便于应用推广。

所述给料子系统包括出粉机构、对所述出粉机构输出的多种金属粉末进行混合的混粉器4和对混粉器4输出的混合金属粉末进行准确投放至凹槽11的落料器9，落料器9安装在可沿空间直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴方向移动的第一三自由度机械手上，混粉器4向下倾斜插入至落料器9内且固定在落料器9上，所述出粉机构包括集粉管3和多个单路出粉器1，单路出粉器1通过单路送粉管2与集粉管3连通，集粉管3的出料端与混粉器4的进料端结构尺寸一致，集粉管3的出料端和混粉器4的进料端连接，单路出粉器1为盛放金属粉末且精确输出指定质量金属粉末的粉末状原材料精确自动输送装置，混粉器4的出料端安装有出料嘴8，所述出料嘴8为漏斗形出料嘴，所述漏斗形出料嘴的出料端安装有自动开合门，所述漏斗形出料嘴的侧壁安装有称重传感器，落料器9包括圆柱形容器和设置在所述圆柱形容器底部且与所述圆柱形容器加工制作为一体的喇叭形容器，所述喇叭形容器的小口端为落料器9的出料端，落料器9的出料端的尺寸与凹槽11的敞口端尺寸一致；

本实施例中，所述混粉器4向下倾斜45°插入至落料器9内。

需要说明的是，在出料嘴8低位位置处安装称重传感器，复查给料子系统输出的材料是否准确，当称重传感器采集的混合后的各类金属粉末的总质量不等于预设值时，第一三自由度机械手将落料器9移动至基体10外，计算机控制自动开合门开启，混合后的各类金属粉末投放至落料器9中，经喇叭形容器的小口端落入回收容器中，保证每一个凹槽11中获取的粉末质量已知，各个金属质量比已知，为材料基因库的建立提供可靠的数据支持，精确可靠，落料器9采用加工制作为一体的圆柱形容器和设置在所述圆柱形容器底部的喇叭形容器，圆柱形容器便于安装混粉器4且接收混合后的各类金属粉末，本实施例中，所述混粉器4向下倾斜45°插入至落料器9内，由于金属粉末之间的发散以及反弹，使得反弹的金属粉末在导粉管内由于自重而下落，设置喇叭形容器的目的是尽快的获取下落的金属粉末且快速的使金属粉末下滑，即被送入高熔点且不会发生润湿作用的凹槽11内。

需要说明的是，粉末状原材料精确自动输送装置采用授权公告号为CN206552699U的粉末状原材料的精确自动输送装置。

激光发生子系统12输出的高能激光束13的末端光斑面积小于凹槽11的敞口端面积，激光发生子系统12安装在可沿空间直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴方向移动的第二三自由度机械手上；

需要说明的是，第一三自由度机械手和第二三自由度机械手结构相同，且均采用授权公告号为CN204772528U的三自由度机械手，

所述自动开合门、所述第一三自由度机械手、所述第二三自由度机械手和激光发生子系统12均由计算机控制，所述称重传感器的信号输出端与所述计算机的信号输入端连接；

本实施例中，所述金属粉末为单质金属粉末或中间合金粉末，所述金属粉末的粒径为45μm～150μm。

步骤二、确定金属粉末种类并准备足量质量的各类金属粉末：根据合金成分设计确定金属粉末种类，选取出粉机构中与金属粉末种类数量一致的单路出粉器1，并将各类金属粉末分别足量添加至各个单路出粉器1中；

步骤三、移动落料器：利用第一三自由度机械手移动落料器9至基体10上指定的凹槽11位置处，使落料器9的出料端对准凹槽11的敞口端，且落料器9的出料端与指定的凹槽11的敞口端接触且无缝隙；

需要说明的是，落料器9的出料端与指定的凹槽11的敞口端接触且无缝隙的目的是避免混合粉14未落入指定的凹槽11而散落在指定的凹槽11外，改变混合粉14的质量以及各个金属粉末的质量比，影响后期冶炼成型的激光增材合金试样15的显微组织参数、硬度和弹性模量。

步骤四、固定混合粉总质量并根据各类金属粉末质量比控制各类金属粉末同时输出：根据公式计算合金成分设计确定的金属粉末种类中第i类金属粉末的质量m_i，其中，M为混合粉14的总质量，ρ_i为第i类金属粉末占的混合粉14总质量的百分比，K为金属粉末种类数量，第i类金属粉末放置在第i个单路出粉器1中；

根据K类金属粉末质量比，计算机控制K类金属粉末同时输出；

步骤五、各类金属粉末的混合及投放：单路出粉器1中金属粉末通过单路送粉管2输入至集粉管3，集粉管3中的各类金属粉末再输入至混粉器4，混粉器4中混合后的各类金属粉末下滑至出料嘴8位置处，当称重传感器采集的混合后的各类金属粉末的总质量为M时，计算机控制自动开合门开启，混合后的各类金属粉末投放至落料器9中，经喇叭形容器的小口端落入指定的凹槽11内后执行步骤六；当称重传感器采集的混合后的各类金属粉末的总质量不等于M时，第一三自由度机械手将落料器9移动至基体10外，计算机控制自动开合门开启，混合后的各类金属粉末投放至落料器9中，经喇叭形容器的小口端落入回收容器中后执行步骤三；

本实施例中，所述混合粉14位于凹槽11内的高度不高于凹槽11的深度。

需要说明的是，混合粉14的总质量M优选为凹槽11的体积与各类金属粉末中密度最小的金属的密度值的乘积，实现凹槽11可容纳任何质量比的混合粉14。

步骤六、更换新的凹槽11，将新的凹槽11视为指定的凹槽11后循环步骤三，直至完成基体10上所有凹槽11内混合粉14的投放；

步骤七、设置激光发生子系统的激光加工参数并进行微区冶金：利用第一三自由度机械手将落料器9移动至基体10外，利用第二三自由度机械手将激光发生子系统12移动至基体10上方，使激光发生子系统12输出的高能激光束13的末端光斑对准凹槽11的敞口端，利用激光发生子系统12设置输出的高能激光束13的激光功率为1000W～3000W，每个凹槽11内混合粉14微区冶金方式均相同；

任一凹槽11内混合粉14微区冶金过程：开启激光发生子系统12，激光发生子系统12输出的高能激光束13对凹槽11内混合粉14快速定点熔化，高能激光束13作用于凹槽11，实现无外应力的熔区快速自对流冶金，得到激光增材合金试样15；

需要说明的是，通过完成在所有的凹槽11中投放金属质量比不同的混合粉14后，采用激光发生子系统12集中对所有的凹槽11中的混合粉14进行微区冶金，使高能激光束13对预置于基体10上凹槽11内的混合粉14定点微区熔炼，基于激光熔池的强烈对流实现金属材料微区合金化，实现多元多组分金属材料的快速制备。

步骤八、建立激光增材合金试样成分与显微组织的对应关系，并对激光增材合金试样进行微纳米压痕测试：采用光镜以及扫描电镜对每个激光增材合金试样15进行扫描观测，获取每个激光增材合金试样15的显微组织参数，所述显微组织参数包括多个相形态参数，每个所述相形态参数均包括相长度、相宽度和相体积分数；

针对每个激光增材合金试样15的各成分质量与每个激光增材合金试样15的显微组织参数建立对应关系；

同时，对每个激光增材合金试样15进行微纳米压痕测试，获取每个激光增材合金试样15的硬度和弹性模量；

本实施例中，步骤八中所述利用光镜以及扫描电镜对一系列不同成分的激光增材合金试样15进行组织观测，然后通过Image-Plus软件对每个激光增材合金试样15的显微组织参数进行表征及提取。

步骤九、训练BP神经网络模型：以激光增材合金试样15的各成分质量为BP神经网络模型的输入层节点，以激光增材合金试样15的显微组织参数、硬度和弹性模量为BP神经网络模型的输出层节点，训练BP神经网络模型；

步骤十、激光增材合金试样材料基因库的建立：以微区熔炼成型的激光增材合金试样15来充实激光增材合金试样材料基因库，利用BP神经网络模预测新的激光增材合金试样15的硬度和弹性模量，实现激光增材合金试样材料基因库的扩充。

本发明以激光增材合金试样的各成分质量为BP神经网络模型的输入层节点，以激光增材合金试样的显微组织参数、硬度和弹性模量为BP神经网络模型的输出层节点，训练BP神经网络模型，实现激光增材合金的高效设计与制备，对现有合金进行材料基因库的扩充。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。