CN117548694B - 一种环境可调的高性能激光增材***及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种环境可调的高性能激光增材***及制造方法，包括：高压舱***包括高压舱主体、原料腔与溶液构造腔，所述高压舱主体用于盛放溶液，溶液环境构造***包括溶液传感器、气‑液控制模块，气‑液控制模块根据溶液状态传感器的溶液状态参数在所述溶液构造腔内构造、监测、调节溶液环境；激光增材制造***的激光头设置在所述保护罩形成的保护区域内，气瓶组提供特殊成分气体以在溶液环境内形成局部干区；金属粉末与激光相互作用形成液态熔池，激光头执行复杂的运动轨迹和逐层沉积合金粉末。本发明有效调控熔池冶金过程中缺陷的形成，显著提升增材制造材料内部冶金结合质量和力学性能。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造领域，尤其涉及一种环境可调的高性能激光增材***及制造方法。
背景技术
激光增材制造技术是一种以激光为能量源，基材表面进行熔化形成熔池，同时向熔池内添加粉末材料，通过逐层叠加的方式，实现金属材料的三维立体成型。激光具有能量密度高的特点，可实现难加工金属的制造，比如航空航天领域采用的钛合金、高温合金等，同时激光增材制造技术还具有不受零件结构限制的优点，可用于结构复杂、难加工以及薄壁零件的加工制造。然而，针对常压大气氛围激光增材制造构件内部冶金缺陷显著降低材料的服役性能，成型件耐腐蚀性能不足，外观不够美观影响其产品质量、成品率及市场应用的难题。如常压下大气氛围下激光增材制造高氮钢存在气孔率极高，氮损失严重，力学性能差的问题；常压大气氛围下的激光增材制造在逐层制造过程中热积累逐渐增加，冷却速率难以进一步提升；常压大气氛围下激光增材制造过程中不可避免地产生大量高温氧化的氧化皮，氧化皮在逐层沉积过程中被重熔进入熔池，形成大量氧化物夹杂和局部裂纹敏感点，降低沉积层冶金质量，削弱力学性能；常压大气氛围下激光增材制造产品耐蚀性难以进一步提高；常规水下激光增材制造难以模拟实际高泥沙水下环境、核电厂水下环境、化工厂溶液等多种极端工业环境中激光增材制造修复过程。
中国专利CN219590168U，公开了一种深水激光增材压力环境模拟实验装置，包括压力罐、 水箱和控制器，该装置通过压力罐作为模拟水下压力环境的载体，以控制工件在三个维度上进行协同运动；通过控制器进行自动联动工作并对送粉量、激光功率、熔覆路径、离焦量进行精确控制； 通过气体控制组件来精准控制保护气、送粉气的压力和流量并对压力参数和流量参数进行实时记录；通过激光熔覆组件来进行激光的产生、传导、整流和聚焦，通过高压送粉器来连续稳定输送粉末状材料，通过压力控制泵组来模拟水下高压环境，具有精准高效、操作简便的优点。
然而，首先，该装置的设计思想仅限制于实现在水下压力环境的激光增材制造，未能反过来合理利用环境为提高增材制造成形质量服务；其次，该装置仅实现水下环境的构建，无法构建多种溶液环境，且缺乏具体详细的溶液构造方式和构造溶液所设计的具体结构。最后，该装置无法针对水环境开展实时检测，反馈并实时调整溶液状态。
中国专利CN219590168U, 公开了一种海洋宽温域非稳态模拟环境下水下变压增材修复试验装置。为了解决现有的水下激光增材修复模拟试验装置存在对实际的极端海洋环境因素考量与耦合性不足的问题。该水下变压增材修复试验装置中的主水箱呈凹字形空腔结构，主水箱的内凹处形成第一腔室，主水箱的内部空腔形成第二腔室，第一腔室和第二腔室的侧壁上设置有补水-排水喷嘴组；水压模拟调节***包括耐压密封舱、过渡舱、两个高压储气罐和进排气喷嘴等，三向移动手臂设置在耐压密封舱的顶壁上，水下激光枪头固定在三向移动手臂上并位于待修复工件上方。该发明能实现海水环境的影响因素可控调节，从而在实验室条件下实现模拟环境下多种极端工况下的水下激光增材修复模拟试验。
然而，首先该装置的设计思想限制于实验室条件下模拟多种极端海洋工况的水下激光增材修复实验，未能反过来合理利用环境为提高增材制造成形质量服务；其次，该装置仅实现热带、极地、深海等水下环境的构建，涉及到调节海水盐度、温度、压力和流速，未能突破海洋环境的思维限制，实现多种溶液中的增材制造；再者，该装置仅局限于调节海水环境的溶液盐度、温度、压力和流速等参数，调节参数有限，调节的溶液种类单一，且无法在必要的时候基于制液***及时补充所消耗的溶液。
发明内容
针对常压大气氛围激光增材制造构件内部冶金缺陷显著降低材料的服役性能，成型件耐腐蚀性能不足，外观不够美观影响其产品质量、成品率及市场应用的难题, 本发明提供了一种环境可调的高性能激光增材***以及制造方法，本发明能够在控制一定压力的溶液介质中进行激光增材制造，通过调整环境气体成分、压力、溶液介质特征，有效调控熔池冶金过程中缺陷的形成，能够显著提升增材制造材料内部冶金结合质量和力学性能，提高产品的耐腐蚀性能和外型美观性。此外，本发明通过调节溶液成分，可模拟实际海洋、湖泊、江河、核电站压水堆、化工厂储液罐等环境可实现多种环境下的激光增材制造的模拟实验研究。
本申请提供了 一种环境可调的高性能激光增材***，包括：高压舱***、溶液环境构造***、激光增材制造***；
所述高压舱***包括高压舱主体、原料腔与溶液构造腔，所述高压舱主体用于盛放溶液，所述原料腔用于长期盛放不同的原料液；
溶液环境构造***包括溶液传感器与气-液控制模块，气-液控制模块根据溶液状态传感器的溶液状态参数在所述溶液构造腔内构造、监测、调节溶液环境；
所述激光增材制造***包括激光器、激光头、送粉器、保护罩、气瓶组与基板，所述激光头设置在所述保护罩形成的保护区域内，气瓶组提供特殊成分气体以在溶液环境内形成局部干区；所述激光器产生激光传输至激光头，激光折射汇聚于基板的预设点形成微熔池，送粉器向所述激光头传输金属粉末，金属粉末与激光相互作用形成液态熔池，激光头执行复杂的运动轨迹和逐层沉积合金粉末。
在一些实施方式中，所述高压舱主体的横截面呈圆形，沿所述高压舱主体的外壁向高压舱主体的中心方向，由外到内依次设置原料腔、溶液构造腔和工作腔；所述原料腔为沿圆周均匀分布的多个独立腔室，每个独立腔室用于长期存放不同原料液；
所述溶液构造腔设置在所述原料腔的外部，为环形的单一腔室；所述原料腔和所述溶液构造腔底部均设置有一向下的倾斜面；所述工作腔用于构建激光增材制造所需的特种溶液环境。
在一些实施方式中，所述原料液的种类不少于1种；原料液互相混合形成过渡溶液，多种成分溶液以预设先后次序配置，经充分反应且成分均匀的溶液形成目标溶液；
所述气-液控制模块包括气瓶组、多个气体通道，液体通道、气路电控阀门和液路电控阀，通过气路电控阀门和液路电控阀控制所述原料腔、所述溶液构造腔的压力以及液体的流动；
所述溶液状态传感器设置于所述工作腔的侧壁上，实时监测工作腔内溶液环境的状态参数。
在一些实施方式中，每个原料腔上均至少设置一个进液通道、一个进气通道和一个出气通道；每个进液通道、进气通道和出气通道上均设置有电控阀门；溶液原料通过原料腔进液通道进入原料腔内，添加原料液；原料腔内多余的气体通过原料腔出气通道排出高压舱主体，高压气体通过原料腔进气通道向原料腔内的溶液原料施加压力；电控阀门用于控制其对应流经气体或流经液体的流量和压力。
在一些实施方式中，溶液构造腔上部设置有一出气通道和一进气通道，溶液构造腔的底部设置有一进液通道和一排液通道；溶液构造腔的出气通道、进气通道、进液通道和排液通道上分别设置有独立的电控阀门；原料腔内的原料液按照溶液配置的先后顺序，通过溶液构造腔的进液通道向溶液构造腔内通入原料液，形成过渡溶液；溶液构造腔内多余的气体通过溶液构造腔的出气通道排出高压舱；
溶液构造腔内底部设置有一搅拌器，所述搅拌器搅拌并均匀化溶液构造腔内的液体，形成目标溶液；高压气体通过溶液构造腔的进气通道进入溶液构造腔，为溶液构造腔内的液体施加压力；
所述目标溶液或所述过渡溶液通过溶液构造腔的排液通道排出高压舱；所述溶液构造腔底部与所述工作腔之间沿圆周布置有若干个工作腔进液通道，且在工作腔进液通道上有电控阀门；所述溶液构造腔内的目标溶液在压力作用下，通过工作腔进液通道注入工作腔内;
所述高压舱***还包括高压舱盖与排气阀；所述高压舱盖设置于高压舱主体上方，在所述高压舱盖设置有至少一个排气口，排气口设有排气阀，通过所述排气阀的开合程度调节高压舱主体的压力。
在一些实施方式中，所述工作腔侧壁上设置有多个溶液状态传感器，所述溶液状态传感器用于实时监测并反馈溶液状态参数；
所述气-液控制模块根据所设定的溶液状态参数，对比所述溶液状态传感器的实时数据，设定所需的目标溶液成分和配置目标溶液成分的工艺步骤，通过调节多个溶液构造腔进液通道上电控阀门，控制不同成分溶液原料进入溶液构造腔内的流量和先后顺序，配置特定的目标溶液；通过调节溶液构造腔内的压力将溶液构造腔内的目标溶液注入到工作腔内，以调节工作腔内溶液状态参数；
所述溶液状态参数，包括液位压力、溶液温度、溶液pH值、溶液含氧量、溶液电导率、溶液粘度、浊度、溶液成分、溶液浓度。
在一些实施方式中，所述激光器、送粉器和气瓶组设置于高压舱外部，机械手、激光头和保护罩设置于高压舱内部；所述机械手一端固定于所述高压舱主体内壁，另一端固定连接保护罩；所述激光头固定于保护罩内，机械手通过保护罩带动激光头沿预设轨迹运动；
所述激光器产生激光通过光纤传输至激光头，激光折射汇聚于基板上的预设点；所述送粉器向所述激光头传输金属粉末，金属粉末汇聚与激光汇聚于同一点，激光、粉末、基板相互作用形成液态熔池；所述气瓶组用于提供多种类型的高压气体，每种高压气体均设置有对应的供气电控阀，高压气体传输至保护罩内，并从保护罩底部排出进入高压舱，从而在激光头底部形成局部保护区域。
第二方面，本发明提供一种环境可调的高性能激光增材制造方法，应用于如上任意一项所述的一种环境可调的高性能激光增材***及制造方法中，包括以下步骤：
步骤S1、根据待制备样品的材料特性及工艺需求，确定溶液特性和保护气体特性；
步骤S2、配置所需的溶液成分、粉末材料成分及保护气体成分，确定激光增材制造工艺参数及运行参数；
步骤S3、确定激光增材制造扫描路径，制备激光增材所需原材料；
步骤S4、控制激光头运行至指定位置，关闭并密封好高压舱***；
步骤S5、通过气瓶组和溶液构造***，构建激光增材所需的气体环境和溶液环境；
步骤S6、通过激光增材制造***控制激光头运行至指定位置，合金粉末输送至激光头，合金粉末和激光汇聚于基板表面，形成液态熔池；
步骤S7、在激光增材过程中，根据溶液状态参数和实际需求，基于溶液构造***，配置特定溶液，及时调整溶液的状态参数；
步骤S8、逐层打印，直至所有层数打印完毕。
在一些实施方式中，所述步骤S5中通过气瓶组和溶液构造***，构建激光增材所需的气体环境和溶液环境，具体为，
获取溶液状态传感器的状态参数，所述溶液状态参数包括：液位压力、溶液温度、溶液pH值、溶液含氧量、溶液电导率、溶液粘度、浊度、溶液成分、溶液浓度；
根据所设定的溶液状态参数，对比所述溶液状态传感器的状态参数，设定所需的目标溶液成分和配置目标溶液成分的工艺步骤，调节多个溶液构造腔进液通道上电控阀门，控制不同成分溶液原料进入溶液构造腔内的流量和先后顺序，配置特定的目标溶液；
通过调节溶液构造腔内的压力将溶液构造腔内的目标溶液注入到工作腔内，以调节工作腔内溶液状态参数；
或，在所述溶液环境为pH小于7的酸性溶液环境下，所述步骤S7还包括：
步骤S71、每打印完一单道，控制所述激光头移开，使沉积层浸泡于所述溶液环境中，直至沉积层表面的氧化皮、焊斑或污垢溶解，并在沉积层表面形成氧化膜；溶液传感器实时监测溶液环境，根据溶液状态参数和实际需求，基于溶液构造***，配置特定溶液，及时调整溶液的状态参数以维持溶液环境。
在一些实施方式中，在步骤S6中，所述激光增材制造***的激光光斑直径为2~4mm， 激光功率为2000~5000 W，扫描线速度为 800 ~1500 mm/min，送粉量为10~30 g/min，单层内道与道之间的搭接率为30%~60%，沉积层高度为0.4~1.5 mm，送粉气体流量为15~25L/min, 送粉气压力比高压舱内的压力高0.3 MPa；
在步骤S7中，排液气流量为1.5~3.0 m3/h，排液气的压力大于高压舱内压力0.2 ~0.3 MPa；
所述溶液为在室温室压下为液态且不易燃易***的液体，包括纯水、酸洗钝化液、具有防锈特性的溶液、pH小于7的酸性溶液、pH大于7的碱性溶液、模拟工业生产过程的溶液环境或模拟实际江、河、湖、海的溶液环境；所述合金粉末包括铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、钛合金粉末、镁合金粉末、铝合金粉末及铜合金粉末；合金粉末为球形，粉末的等效粒径范围为20~150 μm。
本申请提供了一种环境可调的高性能激光增材***以及制造方法，本发明能够在控制一定压力的溶液介质中进行激光增材制造，通过调整环境气体成分、压力、溶液介质特征，有效调控熔池冶金过程中缺陷的形成，能够显著提升增材制造材料内部冶金结合质量和力学性能，提高产品的耐腐蚀性能和外型美观性。此外，本发明通过调节溶液成分，可模拟实际海洋、湖泊、江河、核电站压水堆、化工厂储液罐等环境可实现多种环境下的激光增材制造的模拟实验研究。
附图说明
图1为本发明所提供一种环境可调的高性能激光增材制造***的结构示意图；
图2为图1中A-A截面图；
图3为本发明所提供的一种环境可调的高性能激光增材制造方法的流程示意图；
图4为本发明所提供的空气激光增材制造高氮钢和水环境中激光增材制造高氮钢金相图，其中a为空气激光增材制造高氮钢样品的横截面宏观图像、b为水环境中激光增材制造高氮钢样品的横截面宏观图像、c为水环境中激光增材制造高氮钢样品的横截面微观图像、d为空气激光增材制造高氮钢样品的横截面微观图像；
图中：100、高压舱主体；101、原料腔；102、溶液构造腔；103、工作腔；104、倾斜面；105、搅拌器；106、高压舱盖；107、排气阀；201、原料腔出气电控阀；202、原料腔进液电控阀；203、原料腔进气电控阀；204、溶液构造腔进液电控阀；205、溶液构造腔出气电控阀；206、溶液构造腔进气电控阀；207、溶液构造腔排液电控阀；208、工作腔进液电控阀；209、溶液状态传感器；301、激光器；302、光纤；303、激光头；304、送粉器；305、机械手；306、保护罩；307、基板；308、气瓶组；309、供气电控阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
实施例一
图1为本申请所提供的一种环境可调的高性能激光增材***及制造方法的示意图，本发明提供了一种环境可调的高性能激光增材***以及制造方法，本发明能够在控制一定压力的溶液介质中进行激光增材制造，通过调整环境气体成分、压力、溶液介质特征，有效调控熔池冶金过程中缺陷的形成，能够显著提升增材制造材料内部冶金结合质量和力学性能，提高产品的耐腐蚀性能和外型美观性。此外，本发明通过调节溶液成分，可模拟实际海洋、湖泊、江河、核电站压水堆、化工厂储液罐等环境可实现多种环境下的激光增材制造的模拟实验研究。
本申请提供了一种环境可调的高性能激光增材***及制造方法，包括：高压舱***、溶液构造***、激光增材制造***。其中，高压舱***包括高压舱主体100、原料腔101与溶液构造腔102，所述高压舱主体100用于盛放溶液，所述原料腔101用于长期盛放不同的原料液；
溶液环境构造***包括溶液传感器、搅拌器105与气-液控制模块，气-液控制模块根据溶液状态传感器209的溶液状态参数在所述溶液构造腔102内构造、监测、调节溶液环境；
所述激光增材制造***包括激光器301、激光头303、送粉器304、保护罩306、气瓶组308与基板307，所述激光头303设置在所述保护罩306形成的保护区域内，气瓶组308提供特殊成分气体以在溶液环境内形成局部干区；所述激光器301产生激光传输至激光头303，激光折射汇聚于基板307的预设点形成微熔池，送粉器304向所述激光头303传输金属粉末，金属粉末与激光相互作用形成液态熔池，激光头303执行复杂的运动轨迹和逐层沉积合金粉末。
如图2所示，在高压舱***内，沿高压舱主体100的内壁往高压舱中心方向，由外到内依次设置原料腔101、溶液构造腔102和工作腔103；所述原料腔101为沿圆周均匀分布的多个独立腔室，每个独立腔室用于长期存放不同原料液；所述溶液构造腔102设置在所述原料腔101的外部，为环形的单一腔室；所述原料腔101和所述溶液构造腔102底部均设置有一向下的倾斜面104；所述工作腔103用于构建激光增材制造所需的特殊的溶液环境。
所述高压舱***包括高压舱盖106与排气阀107；所述高压舱盖106设置于高压舱主体100上方，在所述高压舱盖106设置有至少一个排气口，排气口设有排气阀107，通过所述排气阀107的开合程度调节高压舱主体100的压力。高压舱主体100内可为多种高压气体，对溶液环境提供预设的压力。
溶液构造***中包括溶液传感器、搅拌器105与气-液控制模块，气-液控制模块根据溶液状态传感器209的溶液状态参数在所述溶液构造腔102内构造、监测、调节溶液环境。原料液设置于原料腔101中，在每个独立腔室中长期存放不同的原料液。原料液互相混合形成过渡溶液，多种成分溶液以预设先后次序配置，经充分反应且成分均匀的溶液形成目标溶液。
所述气-液控制模块包括气瓶组308、多个气体通道，液体通道、气路电控阀门和液路电控阀，通过气路电控阀门和液路电控阀控制所述原料腔101、所述溶液构造腔102的压力以及液体的流动；
每个原料腔101上均至少设置一个进液通道、一个进气通道和一个出气通道；每个进液通道、进气通道和出气通道上均设置有电控阀门。具体的，原料腔101出气通道上设置有原料腔出气电控阀201，原料腔101进液通道上设置有原料腔进液电控阀202，原料腔101进气通道上设置有原料腔进气电控阀203。
溶液原料通过原料腔101进液通道进入原料腔101内，添加原料液；原料腔101内多余的气体通过原料腔101出气通道排出高压舱主体100，高压气体通过原料腔101进气通道向原料腔101内的溶液原料施加压力；电控阀门用于控制其对应流经气体或流经液体的流量和压力。
溶液构造腔102上部设置有一出气通道和一进气通道，溶液构造腔102的底部设置有一进液通道和一排液通道；溶液构造腔102的出气通道、进气通道、进液通道和排液通道上分别设置有独立的电控阀门。溶液构造腔102进液通道上设置有溶液构造腔进液电控阀204，溶液构造腔102出气通道上设置有溶液构造腔出气电控阀205， 溶液构造腔102进气通道上设置有溶液构造腔进气电控阀206，溶液构造腔102排液通道上设置有溶液构造腔排液电控阀207。
原料腔101内的原料液按照溶液配置的先后顺序，通过溶液构造腔102的进液通道向溶液构造腔102内通入原料液，形成过渡溶液；溶液构造腔102内多余的气体通过溶液构造腔102的出气通道排出高压舱。
溶液构造腔102内底部设置有一搅拌器105，所述搅拌器105搅拌并均匀化溶液构造腔102内的液体，形成目标溶液；高压气体通过溶液构造腔102的进气通道进入溶液构造腔102，为溶液构造腔102内的液体施加压力。
此外，所述目标溶液或所述过渡溶液可通过溶液构造腔102的排液通道排出高压舱。所述溶液构造腔102底部与所述工作腔103之间沿圆周布置有若干个工作腔103进液通道。所述溶液构造腔进液电控阀204、溶液构造腔出气电控阀205、溶液构造腔进气电控阀206和溶液构造腔排液电控阀207可控制其对应流经气体或流经液体的流量和压力。所述溶液构造腔102内的目标溶液可在压力作用下，通过工作腔103的进液通道，经注入工作腔103内。
所述工作腔103侧壁上设置有多个溶液状态传感器209，所述溶液状态传感器209用于实时监测并反馈溶液状态参数。根据所设定的溶液状态参数，对比所述溶液状态传感器209的实时数据，设定所需的目标溶液成分和配置目标溶液成分的工艺步骤。通过调节多个溶液构造腔102进液通道上的溶液构造腔102电控阀，控制不同成分溶液原料进入溶液构造腔102内的流量和先后顺序，配置特定的目标溶液。通过调节溶液构造腔102内的压力将溶液构造腔102内的目标溶液注入工作腔103内，以调整工作腔103内溶液状态参数，包括：液位压力、溶液温度、溶液pH值、溶液含氧量、溶液电导率、溶液粘度、浊度、溶液成分、溶液浓度等。
根据溶液的状态参数调整溶液的状态，例如当高压舱内的压力值低于预设值时，调节排气阀107的开度，降低排气流量以提高溶液压力；例如在制造高含氮的钢，传统的常压激光增材制造面临着氮溢出，氮流失，形成氮气孔，恶化成型件的力学性能。通过控制溶液处于高压状态，在局部干腔内形成高压氮气保护氛围，从而极大地提高氮在钢中的溶解度，降低氮的析出，提高钢的综合力学性能和防腐性能；例如，当激光增材制造具有高镍和高锰含量钢材时，通过局部的高压氮化，可向钢中进行原位渗氮，提高钢的强度和防腐性能；例如，研究泥沙悬浮液环境中激光增材制不锈钢的实验，研究不同泥沙含量下激光增材制造成型的性能，为实际高泥沙环境下的激光增材制造提供借鉴。
溶液环境构造***在高压舱***内构造特定的溶液环境，不同的溶液环境以及压力环境会直接影响激光增材的成型质量，溶液可以根据需要生产的激光耗材的种类的特性进行调整。相较于传统的模拟溶液，如模拟海水并应用到海洋深水领域，通过控制不同溶液的成分、压力等参数，有效调控熔池冶金过程中缺陷的形成，能够显著提升增材制造材料内部冶金结合质量和力学性能。
示意性地，当所述溶液环境为pH小于7的酸性溶液环境下，每打印完一单道，控制所述激光头移开，使沉积层浸泡于所述溶液环境中，直至沉积层表面的氧化皮、焊斑等污垢溶解，并在沉积层表面形成氧化膜；溶液传感器实时监测溶液环境，根据溶液状态参数和实际需求，基于溶液构造***，配置特定溶液，及时调整溶液的状态参数以维持溶液环境。
不断重复上述过程，直至制备目标成型件。制备完目标成型件后，将成型件在溶液中浸泡一段时间以充分去除成型件表面的氧化皮、焊斑等污垢，同时在成型件表面形成致密的氧化膜，提高成型件的耐腐蚀性能和外型美观性。在运行过程中，当溶液状态传感器检测到增材制造工作溶液环境的浓度过低时，运行溶液构造***，及时配置并补充目标溶液浓度。由此利用特定的液溶环境解沉积层上的氧化皮和焊斑等污垢，显著降低因氧化层的重熔而增加沉积层内的氧化物夹杂，从而降低了成型件的裂纹敏感性，提高了成型件的冶金质量和力学性能，极大地提高不锈钢的耐腐蚀性能和表面美观性。
所述激光增材制造***包括激光器301、机械手305、激光头303、送粉器304、保护罩306、气瓶组308与基板307。所述激光器301、送粉器304和气瓶组308设置于高压舱外部，所述机械手305、激光头303和保护罩306设置于高压舱内部。所述机械手305一端固定于所述高压舱主体100内壁，另一端固定连接保护罩306。所述激光头303固定于保护罩306内，机械手305通过保护罩306带动激光头303沿预设轨迹运动，包括二维、三维运动。所述保护罩306一方面可避免激光头303和溶液接触，另一方面可在激光头303下方排开溶液，形成保护区域，为打印、制造提供适宜的环境。所述激光器301产生激光通过光纤302传输至激光头303，激光折射汇聚于基板307上的预设点。所述送粉器304向所述激光头303传输金属粉末，金属粉末汇聚与激光汇聚于同一点，激光、粉末、基板307相互作用形成液态熔池。
所述气瓶组308用于提供多种类型的高压气体，每种高压气体均设置有对应的供气电控阀309，高压气体传输至保护罩306内，并从保护罩306底部排出进入高压舱，构造高压环境，从而在激光头303底部形成局部保护区域，以提高局部干腔内的气体纯净度，避免传统激光增材中使用空气制造高压环境，使得空气中的氧、氮、水蒸气等与熔池和热影响区发生化学反应，导致焊缝质量下降或产生裂纹、孔洞等缺陷，同时也防止空气中的灰尘、油脂等杂质污染熔池和热影响区，影响焊缝表面的光洁度和外观，降低杂质导致焊缝质量下降或产生裂纹、孔洞等缺陷，影响焊缝表面的光洁度和外观，从而提高本***的产品的成型性能。
激光器301包括多种形式的激光器，包括：半导体激光器、气体激光器、固体激光器等；所述激光包括多种波长的激光，包括：红外光、蓝光及绿光等；所述送粉器304可实现同时送给一种或多种的金属粉末；所述合金粉末包括：铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、钛合金粉末、镁合金粉末、铝合金粉末及铜合金粉末等。合金粉末为球形，粉末的等效粒径范围为20~150μm。所述气瓶组308可提供多种类型的高压气体，包括：高压氮气、高压氩气、高压氦气及高压氧气等。
溶液环境构造***在高压舱***内构造特定的溶液环境，不同的溶液环境以及压力环境会直接影响激光增材的成型质量，溶液可以根据需要生产的激光耗材的种类的特性进行调整。根据不同的工艺需求，溶液一般采用在室温室压下为液态且不易***的液体，其成分包括：纯水；具有防锈特性的溶液，如：磷酸钠溶液、草酸亚铁溶液等；pH小于7的酸性溶液，如：醋酸溶液，稀盐酸溶液，稀硫酸溶液、酸洗钝化溶液等；PH大于7的碱性溶液，如氢氧化钠溶液；含有难溶颗粒的悬浮液；模拟实际江、河、湖、海等多种环境的溶液成分，如高泥沙含量悬浮液、富含微生物的溶液、高盐度的溶液等；模拟实际工业生产过程中的溶液环境，如：核电站压水堆溶液、化工厂内的有机或无机溶液等。
相较于传统的模拟溶液，如模拟海水并应用到海洋深水领域，通过控制不同溶液成分、浓度等物理化学性质，有效调控熔池冶金过程中缺陷的形成，合理利用环境为提高增材制造成形质量服务，能够显著提升增材制造材料内部冶金结合质量和力学性能。此外本发明还能进一步模拟多种实际溶液环境下的激光增材制造过程。
实施例二
本申请提供了一种环境可调的高性能激光增材制造方法，应用于如实施例一所述的激光增材***中。
如图3所示，包括以下步骤：
步骤S1、根据待制备样品的材料特性及工艺需求，确定溶液特性和保护气体特性；
步骤S2、配置所需的溶液成分、粉末材料成分及保护气体成分，确定激光增材制造工艺参数及运行参数；
步骤S3、确定激光增材制造扫描路径，制备激光增材所需原材料；
步骤S4、控制激光头303运行至指定位置，关闭并密封好高压舱***；
步骤S5、通过气瓶组308和溶液构造***，构建激光增材所需的气体环境和溶液环境；
步骤S6、通过激光增材制造***控制激光头303运行至指定位置，合金粉末输送至激光头303，合金粉末和激光汇聚于基板307表面，形成液态熔池；
步骤S7、在激光增材过程中，根据溶液状态参数和实际需求，基于溶液构造***，配置特定溶液，及时调整溶液的状态参数；
步骤S8、逐层打印，直至所有层数打印完毕；
其中，激光光斑直径为2~4 mm, 激光功率为2000~5000 W, 扫描线速度为 800 ~1500 mm/min，送粉量为10~30 g/min，单层内道与道之间的搭接率为30%~60%，沉积层高度为0.4~1.5 mm。所述送粉气体流量为15~25 L/min, 送粉气压力比高压舱内的压力高0.3MPa；排液气流量为1.5~3.0 m3/h，排液气的压力大于高压舱内压力0.2 ~ 0.3 MPa。
激光增材制造的轨迹包括：“之”字形轨迹、层间十字交叉沉积轨迹、“回”字形沉积扫描轨迹。
当所述溶液环境为pH小于7的酸性溶液环境下，每打印完一单道，控制所述激光头移开，使沉积层浸泡于所述溶液环境中，直至沉积层表面的氧化皮、焊斑等污垢溶解，并在沉积层表面形成氧化膜；溶液传感器实时监测溶液环境，根据溶液状态参数和实际需求，基于溶液构造***，配置特定溶液，及时调整溶液的状态参数以维持溶液环境。
不断重复上述过程，直至制备目标成型件。制备完目标成型件后，将成型件在溶液中浸泡一段时间以充分去除成型件表面的氧化皮、焊斑等污垢，同时在成型件表面形成致密的氧化膜，提高成型件的耐腐蚀性能和外型美观性。在运行过程中，当溶液状态传感器检测到增材制造工作溶液环境的浓度过低时，运行溶液构造***，及时配置并补充目标溶液浓度。由此利用特定的液溶环境解沉积层上的氧化皮和焊斑等污垢，显著降低因氧化层的重熔而增加沉积层内的氧化物夹杂，从而降低了成型件的裂纹敏感性，提高了成型件的冶金质量和力学性能，极大地提高不锈钢的耐腐蚀性能和表面美观性。
实施例三
以在纯水环境中开展激光增材制造高氮钢以降低沉积层气孔率为例，对上述步骤进行进一步解释说明。高氮钢使用背景为油气管道用钢。
采用的高氮钢粉末成分为：C: 0.035 wt%, N: 0.42 wt%, Cr: 18.96 wt%, Ni:0. 16wt%, Mn: 12.60 wt%, Mo: 2.97 wt%, Cu: 0.35 wt%, O: 0.07 wt%, Fe: Balwt%。将高氮钢粉末置于所述送粉器304内。所述的基板307的成分与粉末成分相同的高氮钢，溶液环境为纯水环境，溶液的温度为室温：~20℃，溶液的pH值为7.0，溶液的压力为0.3MPa，溶液的电导率小于20 μs/cm。所述气瓶组308为纯度为99.99%的高纯氮气。采用激光器301为碟片激光器，激光波长为1070 nm的红外激光。
设定激光增材制造工艺参数为：激光光斑直径：3 mm，激光功率：3500 W, 扫描速度：1000 mm/min；送粉速率：28 g/min，送粉气体流量为15 L/min, 送粉气压力为0.6 MPa；排液气为99.99%的高纯度氮气，排液气流量为1.5 m3/h，保持排液气压力大于高压舱内压力0.2 MPa，如高压舱内压力为0.3 MPa, 排液气压力设置为0.5 MPa；搭接率设置为：50%，单层沉积高度：1.0 mm。
激光增材制造***通过所述机械手305，将所述激光头303运行至指定位置，使得粉末焦点，激光焦点共同汇聚于基板307表面，密封好高压舱。打开供气电控阀309，为局部干腔提供气源和微熔池提供保护气体环境。调节排气阀107，逐渐升高高压舱的压力并同步调节排液气压力大于高压舱内压力0.2 MPa，最终稳定高压舱内溶液压力值稳定在0.3MPa，排液气压力稳定在0.5 MPa。
运行激光增材制造***，根据所设定的工艺参数，执行激光增材制造程序，逐层打印，直到所有层数打印完毕。
通过上述的工艺步骤，能在水下高压环境下构建局部高压高氮的环境，从而极大地提高了激光增材制造过程中熔池的氮溶解度。如图4所示，对比在大气环境中激光增材制造高氮钢，采用本发明所述的激光增材制造***及方法，极大地减少了高氮钢材料内部氮气的析出，降低了沉积层的气孔率，提高了沉积层的奥氏体含量，改善了沉积层的综合性能。
实施例四
针对潜艇用TC4钛合金为例，以在模拟不同盐度和不同深度海洋环境中开展TC4钛合金的激光增材制造为例，对本***以及制造方法进行进一步的解释说明。
采用的TC4钛合金成分为：Al：6.041 wt%，V： 4.02 wt%， Fe： 0.021 wt%， O：0.019wt%，N：0.037 wt%，Ti：Bal wt%。将TC4粉末置于所述送粉器304内。基板307的成分与粉末成分相同，采用TC4钛合金基板307。原料液设置由多种无机盐成分，且每种无机盐均为海水的主要成分，如高浓度无机盐溶液，如高浓度氯化钠溶液，高浓度氯化镁溶液，高浓度硫酸镁溶液，高浓度硫酸钙溶液和高浓度硫酸钾溶液。在每个原料腔101内分别设置一种高浓度无机盐成分，此外，部分原料腔101内设置为纯水。
开展在溶液盐度和溶液压力逐渐提升的环境下的激光增材制造。首先在为工作腔103内的溶液成分设置为纯水，设置溶液压力为0.1 MPa，设定保护气体为纯度为99.99%的高压氩气，采用为半导体激光器，激光波长为1070 nm的红外激光。
设定激光增材制造工艺参数：激光光斑直径：3 mm，激光功率：1500 W, 扫描速度：1000 mm/min；送粉速率：10 g/min，送粉气体流量为15 L/min, 送粉气压力为0.6 MPa；排液气为99.99%的高纯度氮气，排液气流量为1.5 m3/h，保持排液气压力大于高压舱内压力0.2 MPa；搭接率设置为：50%，单层沉积高度：0.6 mm。
通过机械手305控制激光头303运行至指定位置，使得粉末焦点、激光焦点共同汇聚于加工基板307表面。密封好高压舱。打开供气电控阀309，为局部干区提供气源和微熔池提供保护气体环境。调节排气阀107，使得高压舱的表压稳定在0.1 MPa。
运行激光增材制造***，根据所设定的工艺参数，执行激光增材制造程序，逐层打印，直到所有层数打印完毕。
接着，将激光头303定位至第二个打印目标位置，设定工作腔103内的溶液成分为海水，设置溶液压力为0.5 MPa。设定需要在纯水环境中添加的高浓度海水溶液成分和配置工艺流程。
调节原料腔进气电控阀203，控制原料腔101内的压力为0.1 MPa。根据配置目标溶液的成分，调节每个溶液构造腔进液电控阀204的流量，按照目标溶液配置的先后顺序，依次向溶液构造腔102内注入一定量的纯水、氯化钠、氯化镁、硫酸镁、硫酸钙和硫酸钾原料液。关闭溶液构造腔102的进液电控阀，与此同时，开启搅拌器105以充分搅拌均匀化溶液构造腔102内的液体，从而形成目标溶液。然后，调节溶液构造腔进气电控阀206，保持溶液构造腔102内的压力为0.2 MPa，打开调节工作腔进液电控阀208，向工作腔103内注入一定量的目标溶液，从而调节工作腔103内溶液环境成分。当溶液构造腔102内有多余的废液时，在向溶液构造腔102内施加压力的同时，调节溶液构造腔排液电控阀207，向高压舱外排出废液。
调节所述排气阀107，逐渐升高高压舱的压力至0.5 MPa，并同步调节排液气压力为0.7 MPa, 送粉气压力为0. 8MPa。
运行激光增材制造***，执行激光增材制造程序，逐层打印，直到所有层数打印完毕。
重复上述溶液成分调节过程、压力控制过程和激光增材制造过程，在高压舱内构建不同成分的溶液环境及局部高压氩气环境。极大地提高激光增材制造钛合金熔池的凝固速率，抑制了钛合金的高温氧化，细化钛合金沉积层的晶粒尺寸，改善激光增材制造钛合金的综合性能，实现在多种溶液环境、多种溶液压力下的激光增材制造成型。为模拟实际多种海洋环境，多种海水深度下的激光增材制造钛合金提供借鉴。
实施例五
针对溶液环境中增材制造低合金高强钢为例，在多种溶液环境中增材制造低合金高强钢，制备低氧化物夹杂，高冶金质量，高力学性能、高耐蚀的增材制造低合金高强钢。以下将对本***以及制造方法进行进一步的解释说明。
采用的低合金高强钢(HSLA)粉末成分为：C: 0.016 wt.%, Cr: 0.66 wt.%, Mo:0.6 wt.%, Ni: 2.30 wt.%, Si: 0.03 wt.%, Mn: 0.95 wt.%, Nb: 0.03 wt.%, Cu:1.30 wt.%, S 0.008 wt.%, P: 0.019 wt.%, 其余为Fe。HSLA粉末置于所述送粉器304内。基板307的成分与粉末成分相同。原料液设置为强酸溶液和防锈剂，强酸溶液为高浓度盐酸，防锈剂可为高浓度水溶性防锈剂或高浓度油溶性防锈剂或高浓度乳化性防锈剂等。
在每个原料腔101内分别设置一种高浓度酸性溶液或一种高浓度防锈剂，此外，部分原料腔101内设置为纯水。
开展在强盐酸性溶液环境中的激光增材制造。首先在为工作腔103内的溶液成分设置为纯水，设置溶液压力为0.1 MPa，设定保护气体为纯度为99.99%的高压氩气，采用为半导体激光器301，激光波长为1070 nm的红外激光。
设定激光增材制造工艺参数：激光光斑直径：3 mm，激光功率：1500 W, 扫描速度：1000 mm/min；送粉速率：10 g/min，送粉气体流量为15 L/min, 送粉气压力为0.6 MPa；排液气为99.99%的高纯度氮气，排液气流量为1.5 m3/h，保持排液气压力大于高压舱内压力0.2 MPa；搭接率设置为：50%，单层沉积高度：0.6 mm。
根据配置目标强酸性溶液的浓度，调节溶液构造腔进液电控阀204的流量，向溶液构造腔102内注入一定量的浓盐酸和纯水。关闭溶液构造腔102的进液电控阀，与此同时，开启搅拌器105以充分搅拌均匀化溶液构造腔102内的液体，从而形成目标溶液。然后，调节溶液构造腔进气电控阀206，保持溶液构造腔102内的压力为0.2 MPa，打开调节工作腔进液电控阀208，向工作腔103内注入一定量的目标溶液。
通过机械手305控制激光头303运行至指定位置，使得粉末焦点、激光焦点共同汇聚于加工基板307表面。密封好高压舱。打开供气电控阀309，为局部干区提供气源和微熔池提供保护气体环境。调节排气阀107，使得高压舱的表压稳定在0.1 MPa。
运行激光增材制造***，每打印完一个单道后，机械手305移开激光头303，使沉积层浸泡在酸性溶液中，利用酸性溶液溶解沉积层上的氧化皮，待氧化皮完全溶解在酸环境中后，机械手305将激光头303重新运动到待加工位置，继续制备新的沉积层。不断重复上述过程，制备目标成型件。在运行过程中，当溶液状态传感器209检测到增材制造工作溶液环境的浓度过低时，运行溶液构造***，及时配置并补充目标溶液浓度。由此利用溶液环境溶解沉积层上的氧化层，显著降低因氧化层的重熔而增加沉积层内的氧化物夹杂，从而降低了成型件的裂纹敏感性，提高了成型件的冶金质量和力学性能。
当成型件制备完毕后，将溶液构造腔102内的酸性液体排出高压舱。然后配置防锈剂成分，根据配置目标防锈剂成分，调节溶液构造腔进液电控阀204的流量，向溶液构造腔102内注入一定量的多种阻锈剂溶液和纯水。关闭溶液构造腔102的进液电控阀，与此同时，开启搅拌器105以充分搅拌均匀化溶液构造腔102内的液体，从而形成目标溶液。调节溶液构造腔进气电控阀206，保持溶液构造腔102内的压力为0.2 MPa，打开调节工作腔进液电控阀208，向工作腔103内注入一定量混合防锈剂溶液。将成型件浸泡于防锈剂溶液中一段时间，在激光增材成型件表面形成致密的氧化物薄膜或生成难溶盐或生成难溶络合物，从而原位提高激光增材制造成型件的耐腐蚀性能和表面美观性。
实施例六
针对溶液环境中增材制造不锈钢为例，在酸洗钝化液中增材制造不锈钢，制备低氧化物夹杂，高冶金质量，高力学性能、高耐蚀的增材制造不锈钢。以下将对本***以及制造方法进行进一步的解释说明。
采用的316L不锈钢作为原料，316L不锈钢粉末成分为：C: 0.017 wt.%, Si: 0.46wt.%, Mn: 1.2 wt.%, Cr: 17.05 wt.%, Mo: 2.8 wt.%, Ni: 11.28 wt.%, Al: 0.002wt.%, Ti: 0.006 wt.%, 其余为Fe。316L粉末置于所述送粉器304内。基板307的成分与粉末成分相同。原料液设置为酸洗钝化液，具体为硝酸型酸洗钝化液。
在每个原料腔101内分别设置一种高浓度硝酸型酸洗钝化液，部分原料腔101内设置为纯水。硝酸型酸洗钝化液可以在较短的时间内溶解不锈钢表面的氧化皮、油污、焊斑等污垢，并在不锈钢表面形成致密的氧化膜，极大地提高不锈钢的耐腐蚀性能和表面美观性。
开展在硝酸型酸洗钝化液环境中的激光增材制造。首先在为工作腔103内的溶液成分设置为纯水，设置溶液压力为0.1 MPa，设定保护气体为纯度为99.99%的高压氩气，采用为半导体激光器301，激光波长为1070 nm的红外激光。
设定激光增材制造工艺参数：激光光斑直径：3 mm，激光功率：1500 W, 扫描速度：1000 mm/min；送粉速率：10 g/min，送粉气体流量为15 L/min, 送粉气压力为0.6 MPa；排液气为99.99%的高纯度氮气，排液气流量为1.5 m3/h，保持排液气压力大于高压舱内压力0.2 MPa；搭接率设置为：50%，单层沉积高度：0.6 mm。
根据配置目标硝酸型酸洗钝化液浓度。调节溶液构造腔进液电控阀204的流量，向溶液构造腔102内注入一定量的硝酸型酸洗钝化液和纯水。关闭溶液构造腔102的进液电控阀，与此同时，开启搅拌器105以充分搅拌均匀化溶液构造腔102内的液体，从而形成目标溶液。然后，调节溶液构造腔进气电控阀206，保持溶液构造腔102内的压力为0.2 MPa，打开调节工作腔进液电控阀208，向工作腔103内注入一定量的目标溶液。
通过机械手305控制激光头303运行至指定位置，使得粉末焦点、激光焦点共同汇聚于加工基板307表面。密封好高压舱。打开供气电控阀309，为局部干区提供气源和微熔池提供保护气体环境。调节排气阀107，使得高压舱的表压稳定在0.1 MPa。
运行激光增材制造***，每打印完一个单道后，机械手305移开激光头303，使沉积层浸泡在硝酸型酸洗钝化液中，利用硝酸型酸洗钝化液溶解沉积层表面氧化皮，待沉积层上的氧化皮完全溶解在硝酸型酸洗钝化液中后，机械手305将激光头303重新运动到待加工位置，继续制备新的沉积层。不断重复上述过程，制备目标成型件。制备完目标成型件后，将成型件在硝酸型酸洗钝化液中浸泡一段时间以充分去除成型件表面的氧化皮、焊斑等污垢，同时在成型件表面形成致密的氧化膜，提高成型件的耐腐蚀性能和外型美观性。
在运行过程中，当溶液状态传感器209检测到增材制造工作溶液环境的浓度过低时，运行溶液构造***，及时配置并补充目标溶液浓度。由此利用硝酸型酸洗钝化液溶解沉积层上的氧化皮和焊斑等污垢，显著降低因氧化层的重熔而增加沉积层内的氧化物夹杂，从而降低了成型件的裂纹敏感性，提高了成型件的冶金质量和力学性能。此外，硝酸型酸洗钝化液还能在成型件表面形成致密的氧化膜，极大地提高不锈钢的耐腐蚀性能和表面美观性。
传统的装置仅限制于在实验室条件下模拟多种极端海洋工况的水下激光增材修复实验，未能反过来合理利用环境为提高增材制造成形质量服务。本申请所采用的溶液环境的构建方式及构建溶液环境所涉及的详细结构，均与传统的设备不同。为实现多种溶液环境下的激光增材制造，并合理利用环境参数，如气体环境压力，气体环境成分、溶液成分、溶液强制冷却，溶液与增材制造成型件之间的相互作用，可实现高冶金结合、高力学性能，高耐腐蚀性能，高外型美观性，低沉积缺陷，低氧化物夹杂，低裂纹敏感的增材制造。
本发明基于溶液状态传感器，能实时监测溶液的多种状态，包括：溶液压力，溶液温度、溶液成分、溶液浓度、溶液pH值等参数。基于所获取的传感器数据实时监测，并在必要的时候基于制液***及时补充所消耗的溶液。因此，本发明能针对不局限于海水的溶液环境参数，基于传感器针所检测的溶液环境参数种类，实时实现在增材制造过程中的参数检测和基于溶液构建***实时调节溶液成分，合理利用环境为提高增材制造成形质量服务。
相较于以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种环境可调的高性能激光增材***，其特征在于，包括：高压舱***、溶液环境构造***、激光增材制造***；
所述高压舱***包括高压舱主体、原料腔与溶液构造腔，所述高压舱主体用于盛放溶液；
溶液环境构造***包括溶液传感器与气-液控制模块，气-液控制模块根据溶液状态传感器的溶液状态参数在所述溶液构造腔内构造、监测以及调节溶液环境；
所述激光增材制造***包括激光器、激光头、送粉器、保护罩、气瓶组与基板，所述激光头设置在所述保护罩形成的保护区域内，气瓶组提供所需成分的保护气体以在溶液环境内形成局部干区；所述激光器产生激光传输至激光头，激光折射汇聚于基板的预设点形成微熔池，送粉器向所述激光头传输金属粉末，金属粉末与激光相互作用形成液态熔池，激光头执行复杂的运动轨迹和逐层沉积金属粉末；
所述高压舱主体的横截面呈圆形，沿所述高压舱主体的内壁向高压舱主体的中心方向，由外到内依次设置原料腔、溶液构造腔和工作腔；所述原料腔为沿高压舱主体内壁圆周均匀分布的多个独立腔室，每个独立腔室用于长期存放不同原料液；
所述溶液构造腔设置在所述原料腔的外部，为环形的单一腔室；所述原料腔和所述溶液构造腔底部均设置有一向下的倾斜面；所述工作腔用于构建激光增材制造所需的溶液环境。
2.根据权利要求1所述的一种环境可调的高性能激光增材***，其特征在于，原料液互相混合形成过渡溶液，多种成分溶液以预设先后次序配置，经充分反应且成分均匀的溶液形成目标溶液；
所述气-液控制模块包括气瓶组、多个气体通道，液体通道、气路电控阀门和液路电控阀，通过气路电控阀门和液路电控阀控制所述原料腔、所述溶液构造腔的压力以及液体的流动；
所述溶液状态传感器设置于所述工作腔的侧壁上，实时监测工作腔内溶液环境的状态参数。
3.根据权利要求2所述的一种环境可调的高性能激光增材***，其特征在于，每个原料腔上均至少设置一个进液通道、一个进气通道和一个出气通道；每个进液通道、进气通道和出气通道上均设置有电控阀门；溶液原料通过原料腔进液通道进入原料腔内，添加原料液；原料腔内多余的气体通过原料腔出气通道排出高压舱主体，高压气体通过原料腔进气通道向原料腔内的溶液原料施加压力；电控阀门用于控制其对应流经气体或流经液体的流量和压力。
4.根据权利要求2所述的一种环境可调的高性能激光增材***，其特征在于，溶液构造腔上部设置有一出气通道和一进气通道，溶液构造腔的底部设置有一进液通道和一排液通道；溶液构造腔的出气通道、进气通道、进液通道和排液通道上分别设置有独立的电控阀门；原料腔内的原料液按照溶液配置的先后顺序，通过溶液构造腔的进液通道向溶液构造腔内通入原料液，形成过渡溶液；溶液构造腔内多余的气体通过溶液构造腔的出气通道排出高压舱；
溶液构造腔内底部设置有一搅拌器，所述搅拌器搅拌并均匀化溶液构造腔内的液体，形成目标溶液；高压气体通过溶液构造腔的进气通道进入溶液构造腔，为溶液构造腔内的液体施加压力；
所述目标溶液或所述过渡溶液通过溶液构造腔的排液通道排出高压舱；所述溶液构造腔底部与所述工作腔之间沿工作腔侧壁圆周布置有若干个工作腔进液通道，且在工作腔进液通道上有电控阀门；所述溶液构造腔内的目标溶液在压力作用下，通过工作腔进液通道注入工作腔内;
所述高压舱***还包括高压舱盖与排气阀；所述高压舱盖设置于高压舱主体上方，在所述高压舱盖设置有至少一个排气口，排气口设有排气阀，通过所述排气阀的开合程度调节高压舱主体的压力。
5.根据权利要求4所述的一种环境可调的高性能激光增材***，其特征在于，所述工作腔侧壁上设置有多个溶液状态传感器，所述溶液状态传感器用于实时监测并反馈溶液状态参数；
所述气-液控制模块根据所设定的溶液状态参数，对比所述溶液状态传感器的实时数据，设定所需的目标溶液成分和配置目标溶液成分的工艺步骤，通过调节多个溶液构造腔进液通道上电控阀门，控制不同成分原料液进入溶液构造腔内的流量和先后顺序，配置目标溶液；通过调节溶液构造腔内的压力将溶液构造腔内的目标溶液注入到工作腔内，以调节工作腔内溶液状态参数；
所述溶液状态参数，包括液位压力、溶液温度、溶液pH值、溶液含氧量、溶液电导率、溶液粘度、浊度、溶液成分和/或溶液浓度。
6.根据权利要求4所述的一种环境可调的高性能激光增材***，其特征在于，所述激光器、送粉器和气瓶组设置于高压舱外部，机械手、激光头和保护罩设置于高压舱内部；所述机械手一端固定于所述高压舱主体内壁，另一端固定连接保护罩；所述激光头固定于保护罩内，机械手通过保护罩带动激光头沿预设轨迹运动；
所述激光器产生激光通过光纤传输至激光头，激光折射汇聚于基板上的预设点；所述送粉器向所述激光头传输金属粉末，金属粉末汇聚与激光汇聚于同一点；所述气瓶组用于提供多种类型的高压气体，每种高压气体均设置有对应的供气电控阀，高压气体传输至保护罩内，并从保护罩底部排出进入高压舱，从而在激光头底部形成局部保护区域。
7.一种环境可调的高性能激光增材制造方法，其特征在于，应用于如权利要求1~6任意一项所述的一种环境可调的高性能激光增材***，包括以下步骤：
步骤S1、根据待制备样品的材料特性及工艺需求，确定溶液特性和保护气体特性；
步骤S2、配置所需的溶液成分、金属粉末成分及保护气体成分，确定激光增材制造工艺参数；
步骤S3、确定激光增材制造扫描路径；
步骤S4、控制激光头运行至指定位置，关闭并密封好高压舱***；
步骤S5、通过气瓶组和溶液构造***，构建激光增材制造所需的气体环境和溶液环境；
步骤S6、通过激光增材制造***控制激光头运行至指定位置，金属粉末输送至激光头，金属粉末和激光汇聚于基板表面，形成液态熔池；
步骤S7、在激光增材过程中，根据溶液状态参数和实际需求，基于溶液构造***，配置溶液，及时调整溶液的状态参数；
步骤S8、逐层打印，直至所有层数打印完毕。
8.根据权利要求7所述的一种环境可调的高性能激光增材制造方法，其特征在于，所述步骤S5中通过气瓶组和溶液构造***，构建激光增材所需的气体环境和溶液环境，具体为，
获取溶液状态传感器的状态参数，所述溶液状态参数包括：液位压力、溶液温度、溶液pH值、溶液含氧量、溶液电导率、溶液粘度、浊度、溶液成分和/或溶液浓度；
根据所设定的溶液状态参数，对比所述溶液状态传感器的状态参数，设定所需的目标溶液成分和配置目标溶液成分的工艺步骤，调节多个溶液构造腔进液通道上电控阀门，控制不同成分原料液进入溶液构造腔内的流量和先后顺序，配置目标溶液；
通过调节溶液构造腔内的压力将溶液构造腔内的目标溶液注入到工作腔内，以调节工作腔内溶液状态参数。
9.根据权利要求7所述的一种环境可调的高性能激光增材制造方法，其特征在于，在所述溶液环境为pH小于7的酸性溶液环境下，所述步骤S7还包括：
步骤S71、每打印完一单道，控制所述激光头移开，使沉积层浸泡于所述溶液环境中，直至沉积层表面氧化皮、焊斑或污垢溶解，并在沉积层表面形成氧化膜；溶液传感器实时监测溶液环境，根据溶液状态参数和实际需求，基于溶液构造***，配置溶液，及时调整溶液的状态参数以维持溶液环境。
10.根据权利要求7所述的一种环境可调的高性能激光增材制造方法，其特征在于，在步骤S6中，所述激光增材制造***的激光光斑直径为2~4 mm， 激光功率为2000~5000 W，扫描线速度为 800 ~1500 mm/min，送粉量为10~30 g/min，单层内道与道之间的搭接率为30%~60%，沉积层高度为0.4~1.5 mm，送粉气体流量为15~25 L/min, 送粉气压力比高压舱内的压力高0.3 MPa；
在步骤S7中，排液气流量为1.5~3.0 m3/h，排液气的压力大于高压舱内压力0.2 ~ 0.3MPa；所述溶液为在室温室压下为液态且不易燃易***的液体；所述金属粉末包括铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、钛合金粉末、镁合金粉末、铝合金粉末及铜合金粉末；金属粉末为球形，粉末的等效粒径范围为20~150 μm。
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