CN107513712B - 一种提升激光熔覆成型多孔金属零部件均匀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种提升激光熔覆成型多孔金属零部件均匀性的方法。激光器用于为激光熔覆过程提供能量来源，同时激光器还配有工业机器人辅助用于激光束的自由移动；同轴送粉器用于为激光熔覆过程稳定地输送金属与发泡剂的混合粉末，同轴送粉器搭载于激光器上；稳恒磁场发生器用于输出强度可调的定向均匀磁场，在搭载过程中，熔覆基体置于稳恒磁场发生器的居中位置；直流电源用于为基体材料输出电流值可调的直流电源，直流电源的正负极与熔覆基体相连通。本发明的方法可以在熔池内施加均匀的体积作用力，减小或者抵消气体的上浮力，使其在材料中的分布更为均匀。可以使得多孔金属材料中的气孔尺寸均有更好的一致性。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种提升激光熔覆成型多孔金属零部件均匀性的方法。
背景技术
多孔材料是指在材料制备过程中，人为预留孔隙特征以实现特殊功能需求的材料。对于多孔金属材料来说，不但保留了金属材料的导电性、导热性、延展性以及可焊性等功能需求，而且还具有密度低、比强度高、比表面积大、透气性好、减振、阻尼、隔音、电磁屏蔽等多种结构及物理性能。目前，多孔金属在微型反应器、过滤净化、催化、应用结构、医用植入等方面取得了较为广泛的应用。
以往的多孔材料的制备方法主要有吹气法、溶体发泡法、熔模铸造法、沉积法等多种方法。利用激光快速成型的原理实现多孔金属材料的制备目前也得到了广泛的关注。激光快速成型是利用切片分层原理，将复杂的三维制造转换为二维制造的叠加，并在高能激光束的作用下实现粉末的融化以及三维堆积成型。将激光熔覆所选用的金属粉末与NH4HCO3、TiH2等发泡剂进行一定比例的混合，即可实现多孔金属零部件的快速成型。
然而熔池中的气体因密度远小于金属溶体，所以在熔池中的气体存在较大的上浮力。与此相关，以往的多孔金属材料制备方法存在一定的局限性，比如多孔结构尺寸及孔隙分布不均匀；为改善孔隙分布所加入的增粘剂使得金属材料中存在一定比例的脆性相等。在激光熔覆过程中，施加电磁力以减小或者抵消气体的上浮力，可以为这个问题的解决带来新的思路。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种在激光熔覆成型多孔金属零部件的过程中，气孔特征具有更好的均匀性的方法。其在激光熔覆过程中同时施加电磁作用力，改善气体的受力状态，使其在材料中的分布更为均匀。
本发明的技术方案：
一种提升激光熔覆成型多孔金属零部件均匀性的方法，该方法所用的系统，包括激光器1、同轴送粉器2、稳恒磁场发生器3、直流电源4和熔覆基体5；激光器1用于为激光熔覆过程提供能量来源，同时激光器2还配有工业机器人辅助用于激光束的自由移动；同轴送粉器2用于为激光熔覆过程稳定地输送金属与发泡剂的混合粉末，同轴送粉器2搭载于激光器1上；稳恒磁场发生器3用于输出强度可调的定向均匀磁场，在搭载过程中，熔覆基体5置于稳恒磁场发生器3的居中位置；直流电源4用于为基体材料输出电流值可调的直流电源，直流电源4的正负极与熔覆基体5相连通；激光器1在熔覆基体5上进行熔覆动作的同时，同轴送粉器2为熔覆过程同步输送熔覆粉末；
具体步骤如下：
1)按照本领域常规的清洗方法清洗熔覆基体5：将熔覆基体5浸没在丙酮溶液中，在30-40℃温度下，用超声波清洗机清洗20-25分钟，借此去除熔覆基体5表面污垢；清洗完成后，吹干熔覆基体5表面残留的丙酮溶液；
2)将熔覆基体5置于稳恒磁场发生器3内，使其处在均匀分布的定向磁场环境中。将熔覆基体5放置好后，用夹具进行固定，以免在后续电磁力作用下发生位置移动；
3)将熔覆基体5与直流电源4的正负极相连通。在激光熔覆过程中，熔池内所受电磁力的方向竖直向上，此时可以由左手定则判断熔覆基体5与直流电源4正负极的接通方向；
4)根据熔覆材料的特性及熔覆基体5的尺寸调整稳恒磁场发生器3输出的磁场强度B，调整结束后用高斯计确认磁场强度；
5)调整直流电源4的输出电流值I。因电磁力与重力均为体积力，可以用熔池内电磁力F安与重力G的比值K，衡量所选用的电磁力大小。本发明所选用的K的计算方法如下：
由此可得:
I＝Kρg(S熔+S零+S基)/B
在上述公式中，F安为熔池所受电磁力，G为熔池所受重力，B为磁场强度大小，I熔为熔池内通过的直流电流大小，L熔为熔池长度，I为直流电源所输出的电流大小，S熔为熔池截面积，ρ为基材密度，g为重力加速度，S零为已熔覆成型的零部件截面积，S基为基体截面积。在零部件的熔覆成型过程中，可以根据S零的变化逐渐调整I值的大小。
为实现较好的熔覆气孔均匀性效果，并考虑高温下金属的电阻率变化、发泡剂烧蚀等情况，可选用K＞1的取值，并根据实际的熔覆情况做调整。
6)设置激光器1与同轴送粉器2常用的熔覆参数，如激光功率、光斑直径、送粉量、扫描速度、保护气流量等，进行激光熔覆过程。在激光熔覆过程中，相较于常规的激光熔覆过程，熔池在竖直方向上所受的体积力，除了常规重力G外，还增加了电磁力F安的作用，如图2所示。此时，熔池内气体的上浮力F浮为：
F浮＝ρV气g-KρV气g＝(1-K)ρV气g
其中，V气为熔池内气体的体积。未施加电磁力时，熔池内气体的上浮力为ρV气g，因而通过调整K值的大小，即调整磁场强度B与直流电流值I，熔池内的气体上浮力F浮可以明显减小。因此，施加电磁力后，气体的上浮速度v2将小于未施加电磁力时气体的上浮速度v1，这使得在电磁力作用下，激光熔覆成型多孔金属零部件内的气孔分布具有更好的均匀性。此外由于电磁力的存在，使得熔池各处气体所受的熔液压力差异减小，熔覆结束后，各处的气孔尺寸更加均匀。
7)激光熔覆过程结束后，分别关闭激光器1，稳恒磁场发生器3与直流电源4，获取激光熔覆成型零部件。
本发明的有益效果：
1、可以在熔池内施加均匀的体积作用力，减小或者抵消气体的上浮力，使其在材料中的分布更为均匀。
2、可以使得多孔金属材料中的气孔尺寸均有更好的一致性。
3、不引入额外的添加材料，实验方案简单有效。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2a是激光熔覆过程中，未施加电磁力时，熔池6在竖直方向上的受力状态，v1表示此时气体的上浮速度。
图2b是施加电磁力F安后，熔池6在竖直方向上的受力状态，v2表示施加电磁力后气体的上浮速度，F粘表示熔覆基体5对熔池6的粘附力。
图中：1激光器；2同轴送粉器；3稳恒磁场发生器；4直流电源；5熔覆基体；6熔池；N基体对熔池的支持力；G熔池所受重力。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
1)按照本领域常规的清洗方法清洗熔覆基体5：将熔覆基体5浸没在丙酮溶液中，在30-40℃温度下，用超声波清洗机清洗20-25分钟，借此去除熔覆基体5表面污垢；清洗完成后，吹干熔覆基体5表面残留的丙酮溶液。
2)将熔覆基体5置于稳恒磁场发生器3内，使其处在均匀分布的定向磁场环境中。将熔覆基体5放置好后，用夹具进行固定，以免在后续电磁力作用下发生位置移动。
3)将熔覆基体5与直流电源4的正负极相连通。在激光熔覆过程中，熔池内所受电磁力的方向竖直向上，此时可以由左手定则判断熔覆基体5与直流电源4正负极的接通方向。
4)根据熔覆材料的特性及熔覆基体5的尺寸调整稳恒磁场发生器3输出的磁场强度B。调整结束后用高斯计确认磁场强度。
5)调整直流电源4的输出电流值I。因电磁力与重力均为体积力，可以用熔池内电磁力F安与重力G的比值K，衡量所选用的电磁力大小。本发明所选用的K的计算方法如下：
由此可得:
I＝Kρg(S熔+S零+S基)/B
在上述公式中，F安为熔池所受电磁力，G为熔池所受重力，B为磁场强度大小，I熔为熔池内通过的直流电流大小，L熔为熔池长度，I为直流电源所输出的电流大小，S熔为熔池截面积，ρ为基材密度，g为重力加速度，S零为已熔覆成型的零部件截面积，S基为基体截面积。在零部件的熔覆成型过程中，可以根据S零的变化逐渐调整I值的大小。
为实现较好的熔覆气孔均匀性效果，并考虑高温下金属的电阻率变化、发泡剂烧蚀等情况，可选用K＞1的取值，并根据实际的熔覆情况做调整。
6)设置激光器1与同轴送粉器2常用的熔覆参数，如激光功率、光斑直径、送粉量、扫描速度、保护气流量等，进行激光熔覆过程。在激光熔覆过程中，相较于常规的激光熔覆过程，熔池在竖直方向上所受的体积力，除了常规重力G外，还增加了电磁力F安的作用，如图2所示。此时，熔池内气体的上浮力F浮为：
F浮＝ρV气g-KρV气g＝(1-K)ρV气g
其中，V气为熔池内气体的体积。未施加电磁力时，熔池内气体的上浮力为ρV气g，因而通过调整K值的大小，即调整磁场强度B与直流电流值I，熔池内的气体上浮力F浮可以明显减小。因此，施加电磁力后，气体的上浮速度v2将小于未施加电磁力时气体的上浮速度v1，这使得在电磁力作用下，激光熔覆成型多孔金属零部件内的气孔分布具有更好的均匀性。此外由于电磁力的存在，使得熔池各处气体所受的熔液压力差异减小，熔覆结束后，各处的气孔尺寸更加均匀。
7)激光熔覆过程结束后，分别关闭激光器1，稳恒磁场发生器3与直流电源4，获取激光熔覆成型零部件。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (1)
1.一种提升激光熔覆成型多孔金属零部件均匀性的方法，其特征在于，该方法所用的系统，包括激光器(1)、同轴送粉器(2)、稳恒磁场发生器(3)、直流电源(4)和熔覆基体(5)；激光器(1)用于为激光熔覆过程提供能量来源，同时激光器(2)还配有工业机器人辅助用于激光束的自由移动；同轴送粉器(2)用于为激光熔覆过程稳定地输送金属与发泡剂的混合粉末，同轴送粉器(2)搭载于激光器(1)上；稳恒磁场发生器(3)用于输出强度可调的定向均匀磁场，在搭载过程中，熔覆基体(5)置于稳恒磁场发生器(3)的居中位置；直流电源(4)用于为基体材料输出电流值可调的直流电源，直流电源(4)的正负极与熔覆基体(5)相连通；激光器(1)在熔覆基体(5)上进行熔覆动作的同时，同轴送粉器(2)为熔覆过程同步输送熔覆粉末；
具体步骤如下：
1)按照常规的清洗方法清洗熔覆基体(5)：将熔覆基体(5)浸没在丙酮溶液中，在30-40℃温度下，用超声波清洗机清洗20-25分钟，去除熔覆基体(5)表面污垢；清洗完成后，吹干熔覆基体(5)表面残留的丙酮溶液；
2)将熔覆基体(5)置于稳恒磁场发生器(3)内，并用夹具进行固定，使其处在均匀分布的定向磁场环境中；
3)将熔覆基体(5)与直流电源(4)的正负极相连通，在激光熔覆过程中，熔池内所受电磁力的方向竖直向上，此时由左手定则判断熔覆基体(5)与直流电源(4)正负极的接通方向；
4)根据熔覆材料的特性及熔覆基体(5)的尺寸，调整稳恒磁场发生器(3)输出的磁场强度B，调整结束后用高斯计确认磁场强度；
5)调整直流电源(4)的输出电流值I：因电磁力与重力均为体积力，用熔池(6)内电磁力F安与重力G的比值K，衡量所选用的电磁力大小，K的计算方法如下：
由此得：
I＝Kρg(S熔+S零+S基)/B
在上述公式中，F安为熔池所受电磁力，G为熔池所受重力，B为磁场强度，I熔为熔池内通过的直流电流，L熔为熔池长度，I为直流电源所输出的电流，S熔为熔池截面积，ρ为基材密度，g为重力加速度，S零为已熔覆成型的零部件截面积，S基为基体截面积；在零部件的熔覆成型过程中，根据S零的变化逐渐调整I值；
选用K＞1，并根据实际的熔覆情况做调整；
6)设置激光器(1)与同轴送粉器(2)的熔覆参数，在激光熔覆过程中，相较于常规的激光熔覆过程，熔池(6)在竖直方向上所受的体积力，除了常规重力G外，还增加了电磁力F安的作用；此时，熔池(6)内气体的上浮力F浮为：
F浮＝ρV气g-KρV气g＝(1-K)ρV气g
其中，V气为熔池内气体的体积；未施加电磁力时，熔池(6)内气体的上浮力为ρV气g，因而通过调整K值的大小，即调整磁场强度B与直流电流值I，熔池内的气体上浮力F浮明显减小；因此，施加电磁力后，气体的上浮速度v2将小于未施加电磁力时气体的上浮速度v1，这使得在电磁力作用下，激光熔覆成型多孔金属零部件内的气孔分布具有更好的均匀性；此外由于电磁力的存在，使得熔池(6)各处气体所受的熔液压力差异减小，熔覆结束后，各处的气孔尺寸更加均匀；
7)激光熔覆过程结束后，分别关闭激光器(1)，稳恒磁场发生器(3)与直流电源(4)，获取激光熔覆成型零部件。
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