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高速摄像机在激光3D打印及表面处理研究中的应用

      随着激光3D打印以及高速摄像技术的蓬勃发展,针对激光熔融沉积成形及表面控性的研究成为热点,在航空航天领域具有重要的应用价值(如图1所示),可帮助实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、致密净成形,是航天领域、高精尖复杂零部件研制的最佳技术路径,有助于规模化、产业化应用。


(图1)多路送粉式激光3D打印航空发动机叶片

      对复杂合金的激光熔融沉积和表面重熔机理研究与应用可明显优化3D打印零件的机械性能。高速摄像技术在此过程中可助力实时捕捉液态金属熔池形貌及精确调控的表面完整性。液态熔池的形成与凝固标志着金属材料形态及性能的转变,在高能激光束的照射作用下,汇聚于光斑处的球形金属粉末颗粒迅速熔化形成了液态熔池,随着激光束的快速移动,熔池迅速凝固后便形成了打印层。熔池的形成过程虽短暂,却包含丰富的物理化学规律,不同打印工艺参数下零件的机械性能和表面质量也各不相同(如视频1、图2所示)。

(视频1)


(图2)激光熔融沉积成形表面(左)及激光重熔后的表面(右)

      激光重熔技术作为激光3D打印成形件表面处理改性的一种重要手段,可有效提高零件表面质量和成形组织的致密度。但如何将激光熔融沉积和重熔工艺进行有效结合,揭示混合工艺下的材料组织和力学性能的变化规律仍然鲜有研究和报道。因此,东北大学先进制造及其自动化技术研究所辛博老师及其科研团队对其进行了一系列实验探析深层机理


(视频2)

      研究重点关注了激光重熔处理对熔覆层金属组织和力学性能(包括气孔、硬度和拉伸性能)的影响机理。在熔覆层孔隙率分析的基础上,通过优化激光重熔功率,并利用COMSOL有限元仿真软件进行温度场分析,实现激光3D打印性能分析和激光重熔工艺的优化。图3为拍摄激光熔融沉积和重熔工艺下的液态金属熔池形成过程实验(采用千眼狼5KF20高速摄像机拍摄,1920×1080@3000 fps)。可以看出实际形成的熔池的边界线与COMSOL温度场仿真获得的316L不锈钢合金液相温度线高度吻合。


(图3)激光熔融沉积(左)和激光重熔(右)下的液态熔池拍摄图像及其温度场仿真

除研究液态金属熔池形貌这一局部现象外,在激光3D打印前的金属粉末颗粒实时输送和混合过程中,高速摄像技术亦有重要应用价值。在实际应用时,金属粉粒能否准确、均匀地汇聚在高能激光束的光斑中心位置将直接决定熔覆层的表面质量,所以研究载气驱动下的金属粉末流动轨迹就显得尤为重要,而这一切的前提是对高速流动粉粒的精确捕捉,需要3000 fps以上的高频图像采集与快速传输。因此,高速摄像机凭借超高的时空分辨率及图像传输速度,将成为激光3D打印及表面处理领域内的科研人员实验装置中不可或缺的一环