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本發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 法及設備。方法根據待成形金屬構件切片輪廓形狀確定成型缸的內部 結構，使各鋪粉層的金屬粉末盡量只處于待成形金屬構件切片輪廓形 狀對應的區域，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。設備包括一個或多個成型缸，該成型缸的內部結構與待成 形金屬構件切片輪廓形狀相匹配。本發明通過使用鑲塊以及與金屬構 件切片輪廓形狀相適應的異形基板，實現了針對不同金屬構件

本發明公開了一種梯度溫度場主動調控系統及其控制方法，系 統由溫度場監控系統、加熱系統和控制系統；溫度場監控系統用于測 量成形區域 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，加熱系統根據控制系統指令對成型缸的 底部和四周進行溫度場的分區獨立實時調節，以實現在加工過程中整 個加工區域的溫度場恒定，保證已加工區域與未加工區域處于合理的 溫度梯度，避免熱應力導致構件翹曲、變形、開裂。本

激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM)技術是近20年來信息技術、新材料技術與制造技術多學科融合發展的先進制造技術。增材制造依據CAD數據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從傳統的宏觀外形制造向宏微結構一體化制造發展提供了新契機。激光增材制造（LAM）系統由五個子系統組成：（1）激光加熱系統；（2）工作臺及數控系統；（3）同軸供粉系統；（4）惰性氣體保護箱（手套箱）；（5）循環水冷卻系統。 激光增材制造的產品和零件可以不受形狀、結構復雜程度及尺寸大小的限制。擺脫了傳統“去除”加工法的局限性，可以生產傳統方法難以加工或不能加工的形狀復雜的零件。可成形材料有碳鋼、不銹鋼、高溫合金、鈦合金、銅合金、復合陶瓷等。可廣泛應用于航空航天、人工假體、國防工業和機械工業產品的制造。

受控電弧增材制造技術，是一種高效低成本增材制造技術。本技術主要包括受控電弧增材制造(3D打印)系統裝備和和工藝技術，并且能夠實現大型零部件產品的整體增材成形，研發了機器人受控電弧增材成形系統裝備和工藝、數控專機型受控電弧增材成形系統裝備和工藝，可實現不銹鋼、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打印技術新的發展方向，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、重型機械等各行業獲得

3D打印加建筑，利用層層堆積的基本原理，采用工業機器人逐層重復鋪設材料層構建自由形式的建筑結構的新興技術。建筑3D打印機的構成和傳統打印機基本一樣，主要包括控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質等。建筑3D打印機根據電腦上設計的完整的三維模型數據，通過一個運行程序將材料分層打印輸出并逐層疊加，最終將計算機上的三維模型變為建筑實物。目前項目已經在江北新區有實體展示，處于可以產業化階段。

西安交通大學自 1993 年開始增材制造（3D 打印）技術研究，是國內最早開展增材制造技術研究的單位之一。經過二十年的發展，西安交通大學形成了多種增材制造工藝和裝備，建立了以快速制造系統為特色工程應用的研究隊伍，產生了以盧秉恒院士為學術帶頭人的“增材制造”教育部創新團隊。研究團隊依托機械制造系統工程國家重點實驗室（西安交通大學）開展基礎研究，在高分子材料、金屬、陶瓷、復合材料、智能材料的增材制造等方面取得進展，多項技術成果處于國內領先、國際先進平。為推動 3D 打印技術的產業化，在 2000 年成立“教育部快速成形制造工程研究中心”（市場經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）。建立了一套支撐產品快速開發的快速制造系統，研制、生產和銷售 16 個型號的激光快速成型設備、快速模具設備及三維檢測設備。同時開展快速原型制作、快速模具制造以及逆向工程服務。產品在全國各院校、汽車、電器等企業銷售應用十多年，客戶近萬家。近年協助政府和企業在多個地區成功建立產學研結合的推廣基地、快速成形制造服務制造中心。

基于粉床熔融形式的SLM技術可以視為一種新型、高效、清潔的粉末冶金工藝，利用激光快速凝固的特點，更容易實現摻雜增強金屬基材料、梯度復合金屬基材料的制備。 一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、成果簡介 金屬激光選區熔化增材制造技術適合加工具有“小批量”、“定制式”、“形狀復雜”特征的零件，與航空航天、生物醫療領域的零部件、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，激光選區熔化具有更高的成形分辨率和更低的使用門檻，可以實現高精度復雜結構零件快速制造。此外，基于粉床熔融形式的SLM技術可以視為一種新型、高效、清潔的粉末冶金工藝，利用激光快速凝固的特點，更容易實現摻雜增強金屬基材料、梯度復合金屬基材料的制備。 三、主要技術指標 1.激光器功率高達800W，預熱溫度達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.雙循環凈化系統，保證工作腔的清潔。 四、知識產權 1.一種用于直接制造金屬骨科植入物的激光選區熔化專用設備，專利號：201610341144.2 2.3D打印機鋪粉機構及其打印方法，申請號：201811095024.4 3.一種適用于選區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，申請號：201811115016.1 五、成果圖片  圖1 激光選區熔化設備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合材料復雜形狀結構的成形，基于面曝光技術，開發了專用大尺寸陶瓷增材制造成形裝備及相關工藝。 技術特征 基于面曝光技術的陶瓷預制體成形設備可成形ZrO2、Al2O3陶瓷預制體，利用微透鏡陣列聚焦及光斑微偏移技術，分辨率可提升到37.5μm，結合收縮預測技術，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%，同時配套研發了無缺陷脫脂與燒結工藝，燒結樣件致密度可達97%。

面向大尺寸高精度陶瓷及其復合材料復雜形狀結構的成形，基于面曝光技術，開發了專用大尺寸陶瓷增材制造成形裝備及相關工藝。技術特征基于面曝光技術的陶瓷預制體成形設備可成形ZrO2、Al2O3陶瓷預制體，利用微透鏡陣列聚焦及光斑微偏移技術，分辨率可提升到37.5μm，結合收縮預測技術，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%，同時配套研發了無缺陷脫脂與燒結工藝，燒結樣件致密度可達97%。應用范圍:該項目研發了高精度結構陶瓷復雜結構成形的增材制造裝備，并開展了相關工藝的研究，解決了工程陶瓷材料難以成形復雜結構的難題。項目所涉及技術可成功制備低介陶瓷無源器件、仿生多孔結構與吸波超結構等，可在航空航天、衛星、雷達等領域得到廣泛的應用。

鋁及其合金是工程應用最廣泛的結構材料之一。傳統的鋁合金零件通過鑄造、鍛造和粉末冶金等方法制造，與這些傳統制造過程相關的工具設備增加了制造成本和交付周期。3D打印技術由于為制造設計提供了豐富的自由度而廣泛應用于工程零件的制造。現有3D打印技術中，選擇性激光熔化（SLM）是發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、球化和氣孔導致只有有限數量的金屬適合該種工藝，且具備滿足要求的密度、微觀結構和強度。中南大學粉末冶金研究院李瑞迪研究員和新西蘭奧克蘭大學、中車工業研究院有限公司等單位合作通過對合金元素進行調控和熱處理工藝的探索，發展了一種適用于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生熱裂紋，平均裂紋密度隨Mg含量的增加而增大。發現在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構，從而提高打印試樣的力學性能。圖1：不同成分的打印樣品晶粒尺寸和形貌EBSD分析結果：（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）的拉應力應變曲線。（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，研究人員設計了一種新型合金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TEM圖像：（a1-2）合金4的胞狀結構；（a3-4）合金的柱狀結構；（b1-5）合金（b2）的胞狀結構是（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EDX圖譜。圖4：（a）SLM打印合金#5時效前后的拉伸應力應變曲線。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計方法和熱處理工藝，推動了SLM制造技術的工程應用。