CN105734560B - 用于双层梯度激光增材制造的八路同轴送粉喷嘴 - Google Patents

用于双层梯度激光增材制造的八路同轴送粉喷嘴 Download PDF

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刘爽
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    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides

Abstract

本发明提供了一种用于双层梯度激光增材制造八路同轴送粉喷嘴，在激光熔覆过程中，采用该八路同轴送粉喷嘴送粉，实现一次扫描双层成型。所述八路送粉口分布与传统四路同轴送粉喷嘴的四路送粉口分布基本相同，但采用了内四路、外四路的分布模式，并保证该喷嘴内四路喷射粉末的汇聚点上方与外四路喷射粉末的汇聚点邻接；通过内、外路同步送粉，在激光熔覆过程中将双层熔覆层一次扫描成型，解决了传统采用四路送粉喷嘴进行梯度激光熔覆工艺繁琐的问题，且有效避免了分层成型导致熔覆层产生裂纹等缺陷的问题。

Description

用于双层梯度激光增材制造的八路同轴送粉喷嘴
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种八路同轴送粉喷嘴，适用于双层梯度激光增材制造工艺。
背景技术
激光熔化沉积(Laser Melting Deposition,LMD)是从激光熔覆(LaserCladding)技术发展而来的一种金属增材制造技术工艺，是将3D打印的“叠层累加”原理和激光熔覆技术有机结合，以金属粉末为加工原料，通过“激光熔化-快速凝固”过程逐层沉积，从而形成金属零件的制造技术。基本步骤为利用激光的高能量使得金属粉末和基材发生熔化，在基材上形成熔池，熔化的粉末在熔池上方沉积，冷却凝固后在基材表面形成熔覆层。如中国专利文献CN102453901B公开的为油钻杆表面制备WC(碳化钨)硬质合金耐磨带的方法，高功率激光束辐照工件表面的同时同步为激光熔覆送入合金粉末，合金粉末在熔池内发生快速熔化和凝固，形成耐磨抗蚀熔覆层。LMD在新型汽车制造、航天、航空、新型武器装备中的高性能特种零件和民用工业中的高精尖零件的制造领域，尤其是在常规方法很难加工的梯度功能材料、超硬材料和金属间化合物材料的零件快速制造以及大型模具的直接快速制造领域具有极好的应用前景。
一般的LMD工艺常用传统的四路同轴送粉喷嘴进行单层激光熔覆，加工工艺存在缺陷。如石油行业的石油钻井的设备要求表面有很好的耐磨性能，需要进行两次激光熔覆形成两层，第一层使用Ni基粉末，第二层使用Ni+WC混合粉末。现有的LMD工艺受所用的传统四路送粉喷嘴所限，粉末一次只能汇聚于一处，形成两层表面需要先后分别进行第一层和第二层的激光熔覆，工艺过程繁琐；在第一层上面进行第二层的激光熔覆时，对第一层的熔覆层会产生回火效应；另外，两次激光熔覆之间有时间间隔，在进行第二层激光熔覆时，表面温度会下降，熔覆层表面易产生裂纹，影响熔覆层质量。因此，研发开发一种新的适于双层梯度激光熔覆的送粉喷嘴乃是当务之急。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供用于双层梯度激光增材制造方法的八路同轴送粉喷嘴，使用该送粉喷嘴可在激光熔覆中一次扫描双层成型，简化了梯度激光熔覆工艺，且避免熔覆层裂纹等缺陷的产生。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种八路同轴送粉喷嘴，包括喷嘴体上分布的激光束通道和八个送粉口，所述激光束通道和送粉口均为喷嘴体上的通孔，所述送粉口围绕激光束通道中心轴均匀对称分布，所述八个送粉口分为四个内路送粉口和四个外路送粉口，所述内路送粉口与激光束通道中心轴的距离小于外路送粉口与激光束通道(2)中心轴的距离；所述四个内路送粉口沿出粉方向的延长线汇聚于粉末汇聚点一，所述四个外路送粉口沿出粉方向的延长线汇聚于粉末汇聚点二，所述粉末汇聚点一与粉末汇聚点二邻接且距离喷嘴体比粉末汇聚点二近，一般八路同轴送粉喷嘴向下送粉，此时粉末汇聚点一位于粉末汇聚点二上方。
优选地，所述激光束通道为圆台形孔或圆柱形孔。
本发明技术方案提供了支持内、外路送粉口同步送粉的送粉喷嘴，使外路粉末汇聚点与内路粉末汇聚点相邻，在激光熔覆过程中一次扫描双层成型，解决了传统梯度激光熔覆工艺繁琐的问题，且有效避免分层成型导致熔覆层产生裂纹等缺陷的问题。
附图说明
图1a为本发明八路同轴送粉喷嘴结构立体图；
图1b为本发明八路同轴送粉喷嘴结构正视图；
图1c为本发明八路同轴送粉喷嘴结构俯视图；
图2为本发明八路同轴送粉喷嘴工作原理示意图。
其中：1：喷嘴体；2：激光束通道；31：内路送粉口；32：外路送粉口；P1：粉末汇聚点一；P2：粉末汇聚点二；4：送粉管。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明。
本实施例八路同轴送粉喷嘴结构如图1a、1b和1c所示，圆台形的激光束通道2和八个送粉口为喷嘴体1上开出的通孔，该八路同轴送粉喷嘴装配在激光加工头上时，激光束沿激光束通道2的中心轴通过；从图1c中喷嘴体1的顶部看，所述八个送粉口均匀分布在以激光束通道2的中心轴为圆心的两个圆周上，其中四个为分布在较小半径圆周上的内路送粉口31，其余四个为分布在较大半径圆周上的外路送粉口32；如图1a和1b所示，所有送粉口均喷嘴体1顶部到底部为完全贯通，且送粉口沿送粉方向向中心轴倾斜会聚。
使用本实施例的八路同轴送粉喷嘴的工作方式如图2所示，内路送粉口31沿出粉方向的延长线汇聚于粉末汇聚点一P1，外路送粉口32沿出粉方向的延长线汇聚于粉末汇聚点二P2，粉末汇聚点一P1位于粉末汇聚点二P2上方，实际加工过程中，可将粉末汇聚点近似为球，则粉末汇聚点一P1下半球与粉末汇聚点二P2上半球相切或近似相切。通常加工过程中激光束沿激光束通道2的中心轴通过八路同轴送粉喷嘴，粉末汇聚点一P1和粉末汇聚点二P2位于激光束光路上。开始制造过程前，在八个送粉口中插入送粉管4，所述送粉管4内径可根据需要选择，外径与送粉口一致，之后将八路同轴送粉喷嘴安装在激光加工头上；制造开始时，调节激光束使其穿过八路同轴送粉喷嘴的激光束通道2辐照在待熔覆基材表面并按照加工要求进行扫描，同时通过八个送粉口中的送粉管4同步向激光束辐照位置送入金属粉末，内路送粉口31和外路送粉口32送入的粉末分别汇聚在位于激光束焦点处的粉末汇聚点一P1和粉末汇聚点二P2处，粉末汇聚点一P1在粉末汇聚点二P2上方并与其邻接，内路送粉口31送入的粉末硬度较高，用以形成外层熔覆层，外路送粉口32送入的粉末硬度较低，用以形成内层熔覆层；利用激光束产生的高热熔化送入的金属粉末和基材，在辐照位置形成熔池，熔化的金属粉末在熔池上方沉积，粉末汇聚点一P1和粉末汇聚点二P2处的金属粉末冷却凝固后分别形成熔覆层，于是经一次激光束扫描即可在待熔覆基材表面同时形成双层熔覆层。传统的四路送粉喷嘴只有一个粉末汇聚点，采用单层成型方式，激光熔覆效率低，采用上述八路送粉喷嘴的送粉方式，一次激光扫描即可实现双层熔覆层成型，大大提高了制造效率。双层同时成型还避免了内层熔覆层的回火效应，避免外层熔覆层在加工过程中产生裂纹。
在石油钻铤、钻杆、钻探等石油产品的专用材料上使用本发明的八路同轴送粉喷嘴进行双层熔覆以说明加工效果。金属粉末采用美国进口合金粉末，内层选用Ni基合金粉末，外层选用Ni+WC混合粉末。首先进行粉末烘干，再对实验件表面进行处理，用砂纸打磨表面至光亮；采用本实施例八路同轴送粉喷嘴进行双层梯度激光熔覆的增材制造，实验件材质分别选择无磁不锈钢、718模具钢和17-4不锈钢；实验件材质为无磁不锈钢时采用传统的八路同轴送粉喷嘴进行单层熔覆加工，以作为对比；激光熔覆设备准备完成后，确定激光功率、扫描速度、送粉率、搭接率等工艺参数；双层熔覆结束后，采用着色探伤的方法对激光熔覆层进行探伤处理。结果发现，采用传统四路同轴送粉喷嘴在无磁不锈钢加工出的熔覆层表面产生裂纹，而采用本实施例的八路同轴送粉喷嘴加工的熔覆层，表面均无裂纹产生。
应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种用于双层梯度激光增材制造的八路同轴送粉喷嘴，包括喷嘴体(1)上分布的激光束通道(2)和若干送粉口，所述激光束通道(2)和送粉口均为喷嘴体(1)上的通孔，所述送粉口围绕激光束通道(2)中心轴均匀对称分布，其特征在于：
所述送粉口数量为八个，分为四个内路送粉口(31)和四个外路送粉口(32)，所述内路送粉口(31)与激光束通道(2)中心轴的距离小于外路送粉口(32)与激光束通道(2)中心轴的距离；所述四个内路送粉口(31)沿出粉方向的延长线汇聚于粉末汇聚点一(P1)，所述四个外路送粉口(32)沿出粉方向的延长线汇聚于粉末汇聚点二(P2)，所述粉末汇聚点一(P1)与粉末汇聚点二(P2)邻接且距离喷嘴体(1)比粉末汇聚点二(P2)近。
2.根据权利要求1所述的八路同轴送粉喷嘴，其特征在于：所述激光束通道(2)为圆台形孔或圆柱形孔。
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Assignee: Nanjing Zhongke Raycham Technology Co., Ltd.

Assignor: NANJING INSTITUTE OF ADVANCED LASER TECHNOLOGY

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Denomination of invention: Eight-way coaxial powder feeding nozzle for double-layer gradient laser material increase manufacturing

Granted publication date: 20180406

License type: Common License

Record date: 20190415

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TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210201

Address after: 241200 Chungu 3D Printing Industrial Park, Fanchang Economic Development Zone, Wuhu City, Anhui Province

Patentee after: Anhui Zhongke Spring Valley Laser Industry Technology Research Institute Co.,Ltd.

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Patentee before: NANJING INSTITUTE OF ADVANCED LASER TECHNOLOGY