CN105817626B - 一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法，该装置包括至少两个金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台、气氛保护装置；所述气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；熔融涂覆头连接至金属熔炼单元的下端，三维成形平台设置在熔融涂覆头的下方；激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台的一侧，送粉器设置在三维成形平台的另一侧；金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台均设置在气氛保护装置内。本发明能够实现金属材料高效、高质量、低成本零件及梯度构件的增材制造。

Description

一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及熔融涂覆成形装置及方法，尤其是一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法。
背景技术
增材制造技术(又称为“3D打印”)正在快速改变着传统的生产和生活方式，其核心思想是将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照零件的三维CAD模型的分层数据，将离散态的成形材料逐步结合在一起，形成一个个分层截面，继而逐层堆积形成实体零件，无需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，缩短研制周期。目前，相对成熟的金属件增材制造技术主要有激光快速成形，如选区激光熔融(Selective Laser Malting，SLM)、直接金属烧结(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)和激光净近成形(Laser Engineering NetShaping，LENS)；电子束快速成形，如电子束熔融(Electron Beam Melting，EBM)，等离子快速成形，如等离子溶剂直接制造(Plasma Powder Deposition Manufacturing，PPDM)；电弧熔积快速成形，如电弧直接制造技术(Arc Direct Rapid Prototyping Manufacturing，ADRPM)等。
功能梯度材料(Functionally Graded Materials，FGMs)是指一类在结构和组成要素上连续或准连续变化，从而获得能相应于结构与组成变化而渐变的非均质复合材料，其不同于传统的均质材料，从宏观上来看，它是一个非均质材料，但也不同于传统的复合材料，没有明显界面。目前，用于制备功能梯度材料的常规方法很多，从陶瓷和金属微粒出发有粉末冶金法、等离子喷涂法和自蔓延高温合成法(SHS)等。从气相出发有物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)，另外还有电沉积法、离心铸造法、热分解法、扩散法、溶胶—凝胶法、离子交换法和氧化还原法等，但上述方法均存在层间结合强度不足、受零件复杂程度所限等问题。利用激光快速成形技术制备功能梯度材料是近年来快速发展的新技术，其原理是通过改进激光成形系统的送粉装置，使其可以同时输送两种或两种以上的粉末来制备功能梯度材料。但该方法制备的功能梯度材料仍存在层间结合力不足，成形件致密度不足，材料分布不均等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法，其能够实现金属材料高效、高质量、低成本零件及梯度构件的增材制造。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，包括至少两个金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台、气氛保护装置；所述气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；所述熔融涂覆头连接至金属熔炼单元的下端，所述三维成形平台设置在熔融涂覆头的下方；所述激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台的一侧，所述送粉器设置在三维成形平台的另一侧；所述金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台均设置在气氛保护装置内；所述气氛保护装置为手套箱。
进一步，上述金属熔炼单元包括自上而下依次设置的密封装置、加热元件、冷却装置、温度及气压监测元件、与涂覆头相连接的熔体内流道接口。
进一步，上述的金属熔炼单元的加热方式是电阻、感应加热或微波加热。
进一步，上述气压驱动装置包括气源、减压阀、连接管路和动态密封元件；所述气源依次通过减压阀、连接管路和动态密封元件连接至金属熔炼单元的上端；在连接管路上还设置有流量控制器；所述连接管路还有一支路连接至气氛保护装置。
进一步，上述气压驱动装置与金属熔炼单元连接处设有密封盖、垫圈及冷却部件。
进一步，上述熔融涂覆头由上至下包括有加热保温元件、涂覆内流道和可拆卸的涂覆头出口元件；所述熔融涂覆头上还设置有测温元件；所述熔融涂覆头还设有与金属熔炼单元连接的锁紧元件及密封垫圈。
进一步，上述激光表面辅助重熔装置包括激光器、聚焦镜、光纤管路、冷却元件；所述聚焦镜设置在激光器的激光出口，所述光纤管路设置在聚焦镜的出射端，且所述光纤管路的光出口端朝向三维成形平台的工作面。
进一步，上述送粉器包括载粉气源，所述载粉气源通过管路连接有储料元件，所述储料元件的端部连接送粉通道，所述送粉通道的出口端朝向三维成形平台的工作面；所述的三维成形平台为旋转式成形平台或非回转式成形平台。
本发明还提出一种基于上述金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置的成形方法，包括以下步骤：
步骤1：根据成形件需求，成形材料的属性，确定需要加热熔化金属的质量，将成形材料经表面去氧化皮、干燥处理；
步骤2：将步骤1处理后的材料放入金属熔炼单元中，用密封装置进行密封；
步骤3：开启气氛保护装置，使金属熔炼单元部分结构、熔融涂覆头、送粉通道、激光表面辅助重熔装置的光纤管路、三维成形平台都在惰性气体的保护下工作，根据成形材料特性，确定手套箱内的水氧含量范围，开启气源向成形腔体内通入惰性气体；
步骤4：启动金属熔炼单元的加热元件和水冷装置，根据材料熔点，设定加热温度，调整温升曲线，确保金属材料的熔炼质量；
步骤5：开启涂覆头加热保温元件，设定预热温度及保温时间，成形基板的预热温度、调节气压驱动装置的压力范围，及动态密封元件的工作状态；
步骤6：开启激光表面辅助重熔装置，熔化已经涂覆成形表面，在已成形层与熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池，实现不同成形层间的冶金结合；
步骤7：当金属熔炼单元的保温时间、熔融涂覆头的预热时间、成形基板的预热温度达到设定时，打开气压驱动装置、三维运动平台的旋转轴，调节运动参数，根据成形件的分层数据，金属熔体通过熔体内流道、熔融涂覆头，开始涂覆第一层成形；当第二层开始涂覆时，调整旋转轴转速、三维成形平台移动，按照步骤6所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池，实现不同成形层间冶金结合；
步骤8：当成形件为非回转类梯度功能构件时，将成形基板固定于三维运动平台，调节成形基板与熔融涂覆头的间距、设定基板的预热温度；重复步骤5-7实现非回转类梯度功能构件第一层涂覆成形；成形第二层时，运动平台下降、移动；按照步骤6所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池，保证不同成形层间冶金结合；
当成形件为回转类梯度功能构件时，根据需求在两个熔炼单元中熔炼不同的金属原料、设定不同材料的熔炼温度、保温时间、气压驱动参数、动态密封单元状态、涂覆头预热温度、激光功率，根据成形件材料属性，调整成形平台与熔炼单元之间的位置，在成形完成基体层后，调整成形平台与另一金属熔炼单元的位置，在气压驱动装置及激光表面辅助重熔装置作用下，重复步骤5-7实现回转类梯度功能构件的熔融涂覆成形。
进一步，以上成形方法中：在涂覆成形过程中，利用送粉器实现金属成形件及梯度构件的增强相颗粒植入；在载粉气源气压作用下，调节气体压力，将送粉腔体内的增强颗粒汇聚到送粉器出口，调节送粉出口与涂覆头的角度，在激光表面辅助重熔装置的重熔下，在成形层表层植入增强相颗粒，提升涂覆成形件的质量，每完成一层涂覆成形，三维运动成形平台下降相应的层厚，在气压驱动装置、激光表面辅助重熔装置的配合下，继续涂覆成形，直至成形件加工完成。
相对于现有技术，本发明的优点及效果为：
(1)本发明提供的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置和方法，设有2个及以上金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置及送粉器、三维成形平台、气氛保护装置。每个金属熔炼单元可单独工作，依据成形构件的材料和功能要求，用不同的金属熔炼单元结合熔融涂覆头实现涂覆成形，得到所需的金属材料梯度构件。该装置以“设计功能优先”原则为前提，在此基础上降低成本、提高成形质量、缩短成形时间，实现金属材料零件及梯度功能构件的增材制造。
(2)本发明提供的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法，采用逐层累加涂覆成形的方法，使经金属熔炼单元熔化通过内流道与涂覆头的熔融态金属在热毛细效应及气压驱动元件的作用下实现金属材料零件及梯度构件的增材制造，开发成本低，装置简单，成形效率高、可操作性强。
(3)本发明中使用的激光表面辅助重熔装置，可增强涂覆成形层间结合强度，提高成形件的质量，使成形效果优于直接涂覆成形时的效果。在快速冷却的作用下消除成形层中的气孔、夹杂和微裂纹等缺陷。
(4)本发明装置配有送粉器，在激光表面辅助重熔装置的辅助下，可实现金属零件及梯度构件的表面增强。实现不同金属材料的材料-结构-性能一体化增材制造，为金属材料梯度构件增材制造技术的发展进步起到了积极推动作用。
附图说明
图1为本发明金属材料梯度结构熔融涂覆成形装置总体原理示意图；
图2为直接涂覆成形非回转件的示意图；
图3为直接涂覆成形回转件的示意图。
1-1密封装置；1-2加热元件；1-3熔体内流道；2-1气源；2-2减压阀；2-3连接管路；2-4流量控制器；2-5动态密封元件；3-1加热保温元件；3-2涂覆内流道；3-3可拆卸的涂覆头出口元件；4-1激光器；4-2聚焦镜；5-1载粉气源；5-2储料元件；5-3送粉通道；6三维成形平台；7计算机控制中心；8金属熔体；9局部浅层熔池；10回转类梯度功能构件；11基体层；12成形基板；13手套箱；14惰性气体；15回转类梯度功能构件；17成形基板；18三维运动平台的旋转轴；19增强相颗粒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1-3所示：本发明专利公开一种金属材料梯度结构熔融涂覆成形装置，包括至少两个金属熔炼单元，即熔炼单元A、熔炼单元B；还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置及送粉器、三维成形平台、气氛保护装置。气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；熔融涂覆头连接至金属熔炼单元的下端，所述三维成形平台设置在熔融涂覆头的下方；激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台的一侧，所述送粉器设置在三维成形平台的另一侧；金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台均设置在气氛保护装置内；气氛保护装置为手套箱13。
其中，金属熔炼单元包括自上而下依次设置的密封装置1-1，加热元件1-2、及辅助的冷却装置、温度及气压监测元件、与涂覆头连接的熔体内流道1-3接口。
金属熔炼单元，其熔炼加热方式可以是电阻、感应加热或微波加热。
气压驱动装置包括气源2-1、减压阀2-2、连接管路2-3和动态密封元件2-5；所述气源2-1依次通过减压阀2-2、连接管路2-3和动态密封元件2-5连接至金属熔炼单元的上端；在连接管路2-3上还设置有流量控制器2-4；所述连接管路2-3还有一支路连接至气氛保护装置。气压驱动装置通过一系列元器件、连接管路与金属熔炼单元连接，控制熔体的流量大小。
气压驱动装置与金属熔炼单元连接处设有密封盖、垫圈及冷却部件。
所述的熔融涂覆头由上至下包括有加热保温元件3-1、涂覆内流道3-2和可拆卸的涂覆头出口元件3-3；熔融涂覆头上还设置有测温元件；熔融涂覆头还设有与金属熔炼单元连接的锁紧元件及密封垫圈。熔融涂覆头接头元件为与金属熔体非润湿的材料，优选陶瓷、石墨或人造红宝石。
激光表面辅助重熔装置，包括激光器4-1、聚焦镜4-2、光纤管路、冷却元件；聚焦镜4-2设置在激光器4-1的激光出口，光纤管路设置在聚焦镜4-2的出射端，且光纤管路的光出口端朝向三维成形平台的工作面。
送粉器包括载粉气源5-1，载粉气源5-1通过管路连接有储料元件5-2，储料元件5-2的端部连接送粉通道5-3，送粉通道5-3的出口端朝向三维成形平台的工作面；所述的三维成形平台为旋转式成形平台或非回转式成形平台。
三维成形平台6，包括旋转式成形平台和非回转式成形平台。
上述成形装置成形金属材料梯度构件的增材制造(3D打印)的方法，包括以下步骤：
步骤1：根据成形件需求，成形材料的属性，确定需要加热熔化金属的质量，将成形材料(丝材、棒料、块体)经表面去氧化皮、干燥处理；
步骤2：将处理后的材料放入熔炼单元A或熔炼单元B中，用密封装置1-1进行密封，安装压力及温度监测装置；
步骤3：熔炼单元部分结构、整个熔融涂覆头、送粉出口5-3、激光光纤出口、三维成形平台6都在惰性气体14的保护下工作，根据成形材料特性，确定手套箱13内的水氧含量范围，向成形腔体内通入惰性气体；
步骤4：启动金属熔炼单元的加热元件1-2、水冷装置，根据材料熔点，设定加热温度，调整温升曲线，确保金属材料的熔炼质量；
步骤5：当待成形件为回转件时，将三维运动平台的旋转轴18固定于三维运动平台6上，通过计算机控制中心7调整三维运动平台6的位置，使旋转轴轴线与涂覆头中心垂直相交；调整三维运动平台6与涂覆头底部的间距H；
步骤6：将待成形件CAD模型，导入分层数据处理软件，设定成形层厚及三维运动平台6相关运动参数；
步骤7：开启涂覆头加热保温元件3-1，根据要求设定预热温度及保温时间，成形基板17的预热温度、调节气压驱动单元的压力范围，及动态密封单元的工作状态；
步骤8：上述步骤结束时，开启激光表面辅助重熔装置的光路元件，小功率的激光器4-1出光、经过隔离器、聚焦镜4-2可以熔化已经涂覆成形表面，在已成形层与熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池9，实现不同成形层间的冶金结合；
步骤9：当金融熔炼单元的保温时间、熔融涂覆头的预热时间、基板的预热温度达到设定时，打开气压驱动装置、三维运动平台的旋转轴18，调节运动参数，根据成形件的分层数据，金属熔体8通过熔体内流道1-3、熔融涂覆头，开始涂覆第一层成形；当第二层开始涂覆时，调整旋转轴转速、运动平台移动，按照步骤8所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池9，实现不同成形层间冶金结合；
步骤10：当成形件为非回转类梯度功能构件时，将成形基板12固定于三维运动平台6，调节成形基板12与熔融涂覆头的间距、设定成形基板12的预热温度；重复步骤6-9实现非回转件第一层涂覆成形；成形第二层时，运动平台移动；按照步骤8所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池9，保证不同成形层间冶金结合；
步骤11：当成形件为回转类梯度功能构件时，需要根据需求在金属熔炼单元A、B中熔炼不同的金属原料、设定不同材料的熔炼温度、保温时间、气压驱动参数、动态密封单元状态、涂覆头预热温度、激光功率，根据成形件材料属性，调整成形平台与熔炼单元之间的位置，在成形完成基体层后，调整成形平台与另一金属熔炼单元的位置，在气压驱动装置及激光表面辅助重熔装置作用下，重复步骤5-10实现回转类梯度功能构件15的熔融涂覆成形；
步骤12：在涂覆成形过程中，利用送粉器可实现金属成形件及梯度构件的增强相颗粒19植入；在载粉气源5-1气压作用下，调节气体压力，将送粉腔体(即储料元件5-2)内的增强颗粒汇聚到送粉器出口(即送粉通道5-3出口)，调节送粉出口与涂覆头的角度，在激光表面辅助重熔装置的重熔下，在成形层表层植入增强相颗粒19，提升涂覆成形件的质量，每完成一层涂覆成形，三维运动成形平台6下降相应的层厚，在气压驱动装置、激光表面辅助重熔装置的配合下，继续涂覆成形，直至成形件加工完成。
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所陈述例子的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、替代、简化、组合、修饰，均应视为等效的更换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，包括至少两个金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台、气氛保护装置；
所述气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；
所述熔融涂覆头连接至金属熔炼单元的下端，所述三维成形平台(6)设置在熔融涂覆头的下方；
所述激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台(6)的一侧，所述送粉器设置在三维成形平台(6)的另一侧；
所述金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台(6)均设置在气氛保护装置内；
所述气氛保护装置为手套箱(13)。
2.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，所述金属熔炼单元包括自上而下依次设置的密封装置(1-1)、加热元件(1-2)、冷却装置、温度及气压监测元件、与涂覆头相连接的熔体内流道(1-3)接口。
3.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，所述的金属熔炼单元的加热方式是电阻、感应加热或微波加热。
4.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，所述气压驱动装置包括气源(2-1)、减压阀(2-2)、连接管路(2-3)和动态密封元件(2-5)；所述气源(2-1)依次通过减压阀(2-2)、连接管路(2-3)和动态密封元件(2-5)连接至金属熔炼单元的上端；在连接管路(2-3)上还设置有流量控制器(2-4)；所述连接管路(2-3)还有一支路连接至气氛保护装置。
5.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，所述气压驱动装置与金属熔炼单元连接处设有密封盖、垫圈及冷却部件。
6.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，所述熔融涂覆头由上至下包括有加热保温元件(3-1)、涂覆内流道(3-2)和可拆卸的涂覆头出口元件(3-3)；所述熔融涂覆头上还设置有测温元件；所述熔融涂覆头还设有与金属熔炼单元连接的锁紧元件及密封垫圈。
7.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，所述激光表面辅助重熔装置包括激光器(4-1)、聚焦镜(4-2)、光纤管路、冷却元件；所述聚焦镜(4-2)设置在激光器(4-1)的激光出口，所述光纤管路设置在聚焦镜(4-2)的出射端，且所述光纤管路的光出口端朝向三维成形平台(6)的工作面。
8.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，所述送粉器包括载粉气源(5-1)，所述载粉气源(5-1)通过管路连接有储料元件(5-2)，所述储料元件(5-2)的端部连接送粉通道(5-3)，所述送粉通道(5-3)的出口端朝向三维成形平台(6)的工作面；所述的三维成形平台(6)为旋转式成形平台或非回转式成形平台。
9.一种基于上述权利要求1-8任意一项金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据成形件需求，成形材料的属性，确定需要加热熔化金属的质量，将成形材料经表面去氧化皮、干燥处理；
步骤2：将步骤1处理后的材料放入金属熔炼单元中，用密封装置(1-1)进行密封；
步骤3：开启气氛保护装置，使金属熔炼单元部分结构、熔融涂覆头、送粉通道(5-3)、激光表面辅助重熔装置的光纤管路、三维成形平台都在惰性气体(14)的保护下工作，根据成形材料特性，确定手套箱(13)内的水氧含量范围，开启气源(2-1)向成形腔体内通入惰性气体；
步骤4：启动金属熔炼单元的加热元件(1-2)和水冷装置，根据材料熔点，设定加热温度，调整温升曲线，确保金属材料的熔炼质量；
步骤5：开启涂覆头加热保温元件(3-1)，设定预热温度及保温时间，成形基板(17)的预热温度、调节气压驱动装置的压力范围，及动态密封元件(2-5)的工作状态；
步骤6：开启激光表面辅助重熔装置，熔化已经涂覆成形表面，在已成形层与熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池(9)，实现不同成形层间的冶金结合；
步骤7：当金属熔炼单元的保温时间、熔融涂覆头的预热时间、成形基板(17)的预热温度达到设定时，打开气压驱动装置、三维运动平台的旋转轴(18)，调节运动参数，根据成形件的分层数据，金属熔体(8)通过熔体内流道(1-3)、熔融涂覆头，开始涂覆第一层成形；当第二层开始涂覆时，调整旋转轴转速、三维成形平台移动，按照步骤6所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池(9)，实现不同成形层间冶金结合；
步骤8：当成形件为非回转类梯度功能构件时，将成形基板固定于三维运动平台，调节成形基板与熔融涂覆头的间距、设定基板的预热温度；重复步骤5-7实现非回转类梯度功能构件第一层涂覆成形；成形第二层时，运动平台下降、平移；按照步骤6所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池(9)，保证不同成形层间冶金结合；
当成形件为回转类梯度功能构件时，根据需求在两个熔炼单元中熔炼不同的金属原料、设定不同材料的熔炼温度、保温时间、气压驱动参数、动态密封单元状态、涂覆头预热温度、激光功率，根据成形件材料属性，调整成形平台与熔炼单元之间的位置，在成形完成基体层后，调整成形平台与另一金属熔炼单元的位置，在气压驱动装置及激光表面辅助重熔装置作用下，重复步骤5-7实现回转类梯度功能构件的熔融涂覆成形。
10.根据权利要求9所述的成形方法，其特征在于，在涂覆成形过程中，利用送粉器实现金属成形件及梯度构件的增强相颗粒(19)植入；在载粉气源(5-1)气压作用下，调节气体压力，将送粉腔体内的增强颗粒汇聚到送粉器出口，调节送粉出口与涂覆头的角度，在激光表面辅助重熔装置的重熔下，在成形层表层植入增强相颗粒(19)，提升涂覆成形件的质量，每完成一层涂覆成形，三维运动成形平台(6)下降相应的层厚，在气压驱动装置、激光表面辅助重熔装置的配合下，继续涂覆成形，直至成形件加工完成。
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