CN104001917A - 一种基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置及方法，包括铺粉装置，以及自上而下通过管路依次连接的送料装置、粉末汇集装置、粉末混合控制装置；送料装置包括三个粉料筒，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；粉末汇集装置包括粉末汇集室；粉末混合控制装置；粉料筒通过管路连接粉末汇集室，并在这段管路上自上而下依次设置有流量控制器、气体动力发生器；粉末汇集室与粉末混合控制装置接口处设有限压阀门。采用本装置及方法制备的梯度功能材料无明显界面或分层，加工过程中可以在基板水平面和垂直面内实现梯度变化，具有良好的空间连续性，并可以实现高熔点金属的直接熔化成型，扩展了梯度功能材料的使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及激光选区熔化成型技术领域，尤其涉及一种基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置及方法。
背景技术
随着国防高科技及能源技术的发展，对材料性能的要求变得越来越苛刻，有时根据外界环境的不同，对同一材料的不同部位有不同的特殊要求，在这种情况下，梯度功能材料(Functionally Graded Material，简称FGM)扮演者越来越重要的角色。FGM是以计算机辅助设计为基础，采用先进的材料制备技术，使材料的组成，结构沿厚度方向呈梯度变化，从而使材料的性能也呈梯度变化的一种新型材料。从材料的结构角度来看，梯度功能材料与均一材料、复合材料不同。它是选用两种(或多种)性能不同的材料，通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。从材料的组合方式来看，梯度功能材料可分为金属/合金，金属/非金属，非金属/陶瓷、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等多种组合方式，因此可以获得多种特殊功能的材料。除此之外，梯度功能材料的组分结构及物性参数都呈连续变化，同一材料的两侧具有不同的性质或功能且能完美结合，由于其本身优异的性能，梯度功能材料已经引起了各国材料研究学者的高度重视，迄今为止，已经研究出了多种制备梯度功能材料的方法并制备出许多体系的梯度功能材料。
梯度功能材料的设计思想是以实现特殊功能为目标，通过合适的方法和手段完成材料的制备。主要的制备方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、化学气相沉积法、物理气相层积法、激光熔覆法、自蔓延高温合成法等。但常规的制备方法一般只能制造尺寸小、形状简单的梯度功能材料。开发和应用新的制备技术，如仿生法、微波合成与烧结法、分子自组装法、无压浸渗法、超分子复合法、快速成型法、形变与马氏体相变法等，深入研究电、磁、光、高能射线等对工艺的影响，为梯度材料的制备提供更广阔的途径。
近些年，激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，简称SLM)在金属零件3D打印领域得到了越来越多的应用，SLM技术是一种基于激光熔化金属粉末的3D打印技术，采用增材制造的基本原理，即先采用计算机设计出零件的三维模型，然后通过专用软件对三维模型进行切片分层，得到截面的轮廓数据，然后导入快速成形设备，设备根据轮廓数据，控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末，逐步堆叠成三维金属零件。与传统的加工方法相比，SLM技术的优势在于能直接制造具有高精度、复杂几何结构、组织致密、机械性能良好的金属零件。
目前SLM技术只能对单一的金属材料进行增材制造，而随着科技的发展，复杂的环境对功能零件的要求越来越高，为了实现具有特殊功能、特殊要求的金属零件3D打印，基于SLM技术的梯度功能材料及装置的制备必将会带来新的创新与突破。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置及方法；其结构简单、开发成本低，能够实现多种高熔点金属材料及复杂结构件的直接成型。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置，包括铺粉装置，以及自上而下通过管路依次连接的送料装置、粉末汇集装置、粉末混合控制装置；
所述送料装置包括三个粉料筒1-1，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；
所述粉末汇集装置包括粉末汇集室2-1；
所述粉末混合控制装置，包括自上而下依次设置的缓冲筛网3-1、搅拌叶片3-2、控制开关3-3、供粉口3-4；
所述粉料筒1-1通过管路连接粉末汇集室2-1，并在这段管路上自上而下依次设置有流量控制器1-2、气体动力发生器1-3；
所述粉末汇集室2-1与粉末混合控制装置接口处设有限压阀门2-2。
所述粉料筒1-1与粉末汇集室2-1的管路接口处还设置有密封垫圈1-4。
所述铺粉装置包括控制铺粉装置运动的小电机4-1、铺粉刷4-2、粉料槽4-3。
所述缓冲筛网3-1的网格为300目；所述搅拌叶片3-2包括上下两个叶片。
上述制备装置制备金属粉末并完成零件3D打印的方法，包括如下步骤：
步骤1：首先按照用量，取三种金属粉末，即Co金属粉末、Cr金属粉末、Mo金属粉末，分别进行干燥处理；
步骤2：将干燥处理后的三种金属粉末，分别装入各个粉料筒中，粉料筒加盖、密封，打开气体保护装置11，向成型室内通入保护气；
步骤3：确定铺粉层厚，根据铺粉面积，计算供粉体积V，按照每种金属粉末的比例，调节各流量控制阀1-2的开度；
步骤4：启动气体动力发生器1-3，各粉末在气体动力作用下开始沿管路进行输送，当其中一种金属粉末的供给达到所需用量时，停止相应的粉末输送；
步骤5：上述三种金属粉末进入粉末汇集室2-1中，在气体冲击的作用下，对金属粉末进行初步混合，此时粉末汇集室2-1内压力升高；
步骤6：当粉末汇集室2-1内气压达到设定值时，打开限压阀门2-2，继续向粉末汇集室2-1输送金属粉末；
步骤7：在粉末汇集室2-1的气压作用下，金属粉末经过缓冲筛网3-1时得到缓冲，先通过的金属粉末在搅拌叶片3-2的作用下继续混合，得到CoCrMo梯度功能材料；
步骤8：当三种金属粉末混合输送完毕时，打开控制开关3-3，移动铺粉装置4，当供粉口3-4的b点与的接口a点相对时，制备好的CoCrMo梯度功能材料送入铺粉装置，于此同时，铺粉装置4携带粉末开始运动，将粉末铺在成型缸5表面；
步骤9：上述步骤结束时，启动打印机的光路系统，激光器10出光，经过隔离器9、扩束镜8、f-θ镜7进入加工平面，熔化粉末并成型，多余的粉末进入粉末收集器6内，即完成一次铺粉；
步骤10：每完成完成一次铺粉后，成型缸5下降一个加工层厚，然后继续进行粉末混合、铺送，直至加工完成。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)、本发明实现了梯度功能材料制备和供应，在此基础上，充分发挥了激光选区熔化技术的优势，可以直接制造具有功能梯度和任意复杂内部结构的金属零件，提高零件的综合性能。
(2)、装置简单，开发成本低，可操作性强，创新度较高，可以根据成分的比例要求进行粉末的配置和供应。
(3)、可以实现高熔点金属合金材料的加工，扩大了加工材料的范围，为金属零件3D打印技术的进一步应用奠定基础。
附图说明
图1为本发明基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置与现有成型装置结合应用示意图。
图2是本发明基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置原理图。
图3为图2供粉口与铺粉装置的局部放大图。
图4为图3铺粉装置的侧视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1--4所示。本发明公开了一种基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置，包括铺粉装置，以及自上而下通过管路依次连接的送料装置、粉末汇集装置、粉末混合控制装置；
所述送料装置包括三个粉料筒1-1，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；
所述粉末汇集装置包括粉末汇集室2-1；
所述粉末混合控制装置，包括自上而下依次设置的缓冲筛网3-1、搅拌叶片3-2、控制开关3-3、供粉口3-4；
所述粉料筒1-1通过管路连接粉末汇集室2-1，并在这段管路上自上而下依次设置有流量控制器1-2、气体动力发生器1-3；
所述粉末汇集室2-1与粉末混合控制装置接口处设有限压阀门2-2。
所述粉料筒1-1与粉末汇集室2-1的管路接口处还设置有密封垫圈1-4。
所述铺粉装置包括控制铺粉装置运动的小电机4-1、铺粉刷4-2、粉料槽4-3。
所述缓冲筛网3-1的网格为300目；所述搅拌叶片3-2包括上下两个叶片。
上述制备装置制备金属粉末并完成零件3D打印的方法，通过如下步骤实现：
步骤1：首先按照用量，取三种金属粉末，即Co金属粉末、Cr金属粉末、Mo金属粉末，分别进行干燥处理；
步骤2：将干燥处理后的三种金属粉末，分别装入各个粉料筒中，粉料筒加盖、密封，打开气体保护装置11，向成型室内通入保护气；
步骤3：确定铺粉层厚，根据铺粉面积，计算供粉体积V，按照每种金属粉末的比例，调节各流量控制阀1-2的开度；
步骤4：启动气体动力发生器1-3，各粉末在气体动力作用下开始沿管路进行输送，当其中一种金属粉末的供给达到所需用量时，停止相应的粉末输送；
步骤5：上述三种金属粉末进入粉末汇集室2-1中，在气体冲击的作用下，对金属粉末进行初步混合，此时粉末汇集室2-1内压力升高；
步骤6：当粉末汇集室2-1内气压达到设定值时，打开限压阀门2-2，继续向粉末汇集室2-1输送金属粉末；
步骤7：在粉末汇集室2-1的气压作用下，金属粉末经过缓冲筛网3-1时得到缓冲，先通过的金属粉末在搅拌叶片3-2的作用下继续混合(由上而下，每一截面都得到均匀混合)，得到CoCrMo梯度功能材料；
步骤8：当三种金属粉末混合输送完毕时，打开控制开关3-3，移动铺粉装置4，当供粉口3-4的b点与的接口a点相对时，制备好的CoCrMo梯度功能材料送入铺粉装置，于此同时，铺粉装置4携带粉末开始运动，将粉末铺在成型缸5表面；
步骤9：上述步骤结束时，启动打印机的光路系统，激光器10出光，经过隔离器9、扩束镜8、f-θ镜7进入加工平面，熔化粉末并成型，多余的粉末进入粉末收集器6内，即完成一次铺粉；
步骤10：每完成完成一次铺粉后，成型缸5下降一个加工层厚，然后继续进行粉末混合、铺送，直至加工完成。
采用本装置制备的梯度功能材料无明显界面或分层，装置加工过程中可以在基板水平面和垂直面内实现梯度变化，具有良好的空间连续性。另外，该方法可以实现高熔点金属的直接熔化成型，扩展了梯度功能材料的使用范围。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置，包括铺粉装置，其特征在于：还包括自上而下通过管路依次连接的送料装置、粉末汇集装置、粉末混合控制装置；
所述送料装置包括三个粉料筒，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；
所述粉末汇集装置包括粉末汇集室；
所述粉末混合控制装置，包括自上而下依次设置的缓冲筛网、搅拌叶片、控制开关、供粉口；
所述粉料筒通过管路连接粉末汇集室，并在这段管路上自上而下依次设置有流量控制器、气体动力发生器；
所述粉末汇集室与粉末混合控制装置接口处设有限压阀门。
2.根据权利要求1所述的基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置，其特征在于：所述粉料筒与粉末汇集室的管路接口处还设置有密封垫圈。
3.根据权利要求2所述的基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置，其特征在于：所述铺粉装置包括控制铺粉装置运动的小电机、铺粉刷、粉料槽。
4.根据权利要求2所述的基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置，其特征在于：所述缓冲筛网的网格为300目；所述搅拌叶片包括上下两个叶片。
5.采用权利要求1至4中任一项所述制备装置制备金属粉末并完成零件3D打印的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：首先按照用量，取三种金属粉末，即Co金属粉末、Cr金属粉末、Mo金属粉末，分别进行干燥处理；
步骤2：将干燥处理后的三种金属粉末，分别装入各个粉料筒中，粉料筒加盖、密封，打开气体保护装置，向成型室内通入保护气；
步骤3：确定铺粉层厚，根据铺粉面积，计算供粉体积V，按照每种金属粉末的比例，调节各流量控制阀的开度；
步骤4：启动气体动力发生器，各粉末在气体动力作用下开始沿管路进行输送，当其中一种金属粉末的供给达到所需用量时，停止相应的粉末输送；
步骤5：上述三种金属粉末进入粉末汇集室中，在气体冲击的作用下，对金属粉末进行初步混合，此时粉末汇集室内压力升高；
步骤6：当粉末汇集室内气压达到设定值时，打开限压阀门，继续向粉末汇集室输送金属粉末；
步骤7：在粉末汇集室的气压作用下，金属粉末经过缓冲筛网时得到缓冲，先通过的金属粉末在搅拌叶片的作用下继续混合，得到CoCrMo梯度功能材料；
步骤8：当三种金属粉末混合输送完毕时，打开控制开关，移动铺粉装置，当供粉口的b点与的接口a点相对时，制备好的CoCrMo梯度功能材料送入铺粉装置，于此同时，铺粉装置携带粉末开始运动，将粉末铺在成型缸表面；
步骤9：上述步骤结束时，启动打印机的光路系统，激光器出光，经过隔离器、扩束镜、f-θ镜进入加工平面，熔化粉末并成型，多余的粉末进入粉末收集器内，即完成一次铺粉；
步骤10：每完成完成一次铺粉后，成型缸下降一个加工层厚，然后继续进行粉末混合、铺送，直至加工完成。
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