CN107794526B - 一种激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法 - Google Patents

Abstract

一种激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法，将激光熔覆成形和冷喷成形两种工艺进行同步复合，同时作用于三维零件的累加过程，形成一种新的金属零件成形方法，冷喷成形过程中，高速金属射流对前序激光熔覆金属层进行冲击处理，清除表面的氧化层等污染物，消除其间的疏松、微裂纹等缺陷，改善其残余应力状况，提高层间结合强度，提高力学性能；激光熔覆成形过程中，熔覆层形成的高温环境降低了冷喷成形所需的金属射流速度，改善了金属射流的汇聚性，提高了成形精度。本发明公开的金属激光熔覆‑冷喷同步复合的金属零件成形方法具有材料性能好、成形效率高、环境友好的特点，可用于高性能金属零件的绿色高效成形。

Description

一种激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种面向高性能金属零件的绿色高效成形的激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法。

背景技术

激光熔覆技术是主流的金属三维直接成形技术之一，基于的金属材料熔融-凝固的点-线-面“热基”累加原理，广泛存在材料缺陷多、致密性低、热变形严重等困难，难以实现精密的“控形控性”制造。经过多年努力，激光熔覆的静机械性能已可媲美锻件，但因较低的高周疲劳强度，即便经过热等静压等后处理，其高周疲劳等关键指标依然无法达到锻件，导致其无法完全满足航空航天等高端需要。

冷喷涂是一种“冷基”工艺，利用非熔融金属粉末高速冲击基板形成致密涂层。冷喷涂层内部存在的低水平压缩残余应力，有助于改善疲劳强度。因其良好的材料性能，冷喷在航空航天零件表面处理和修复等方面得到了广泛应用，对解决传统金属三维成形工艺的困难极具吸引力。然而，对于传统冷喷涂，为得到面向高性能的致密涂层/零件，需将粉末加速到极高速度，工艺难度较大：1)极高的速度带来了粉末射流的极大分散性，使得精细金属射流的获取非常困难，严重影响了冷喷涂的分辨率，是发展冷喷涂增材制造技术的最大挑战。2)为加速粉末需消耗大量气体，增加了物料及能源消耗。特别的，高性能冷喷涂通常选用加速性更好的氦气作为气源，极大增加了成本。3)为将粉末加速到高速，需高压气源，增加了设备防护成本和操作危险性。为降低对喷射速度的需要，通常的做法是对粉末进行预热，如利用高温气体和/或激光加热粉末，但该处理增加了工艺复杂性、提高了成本。

面向高性能零件的加工，为解决传统“热基”三维零件直接成形技术存在材料性能不足和“冷基”三维零件直接成形技术工艺条件苛刻的困难，急需基于这两种技术，发展一种可克服各自不足、可实现优势互补的金属零件成形方法及开发相应设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有材料性能好、成形效率高、环境友好的特点，可用于高性能金属零件的绿色高效成形的激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法。

为达到上述目的，本发明采用的方法如下：

1)获取零件三维数据：通过三维建模软件建立实体零件的三维数据；

2)数据处理：对实体零件的三维数据进行离散处理、扫描路径规划、工艺参数设定得到控制实施材料累加所需的成形数据；

3)实施材料累加：根据步骤2)得到的成型数据采用激光熔覆累加和冷喷累加同步复合成形得到由当前激光熔覆累加层和当前冷喷累加层组成的当前材料累加层；

4)完成零件成形：根据成形数据，判断是否已完成零件成形，如果没有，则根据成形数据继续实施下一层材料累加，即重复步骤3)，直到所有材料累加操作，从而完成零件成形。

所述步骤2)离散处理指从三维数据获得适用于累加成形方式的离散数据格式；

扫描路径规划包括获得激光熔覆喷头和冷喷喷头的层内扫描路径和层间步进高度；

工艺参数设定，包括激光熔覆工艺参数、冷喷喷头工艺参数、复合工艺参数和环境温度参数。

所述步骤3)的同步复合成形指对于当前材料累加层，首先进行激光熔覆材料累加，激光熔覆累加层在当前激光熔覆成形过程中形成的熔池从熔融到成形工作腔环境温度之间的任意温度时刻对同一层进行冷喷材料累加。

所述的任意温度时刻指所成形金属材料的再结晶温度。

所述步骤3)当前材料累加层指沿零件成形方向的单层材料累加高度，由激光熔覆累加层和冷喷累加层共同构成，其厚度为0.05mm-5mm。

所述步骤3)所述同步复合成形中激光熔覆累加点和冷喷累加点的间距为0.5mm-50mm。

所述步骤3)冷喷累加在冷喷成形中的金属粉末速度为冷喷喷头出口处的金属粉末速度，速度范围为100m/s-1000m/s。

所述步骤3)冷喷累加在冷喷成形中冷喷喷头轴线与它在材料累加层平面内的投影所成的锐角为30°-90°。

本发明同步复合了激光熔覆和冷喷两种成形工艺，利用冷喷改善了激光熔覆成形的材料性能，利用激光熔覆提高了冷喷成形的成形精度，达到了扬长避短的效果。利用本发明的方法成形零件时，因材料累加过程不间断而保证了高的成形效率，因层内/层间材料缺陷减少而改善了材料性能，因熔覆层余热用于冷喷成形而减少了能耗。

附图说明

图1是本发明激光熔覆-冷喷复合成形过程；

图2a是本发明激光熔覆-冷喷复合成形原理图，图2b为图2a的局部图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明是由激光熔覆成形和冷喷成形同步复合而成的金属零件成形方法，其基本原理为将激光熔覆成形和冷喷成形两种工艺进行同步复合，同时作用于三维零件的累加过程，形成一种新的金属零件成形方法。

参见图1，本发明的过程如下：

1)获取零件三维数据：通过三维建模软件建立实体零件的三维数据；

2)数据处理：对实体零件的三维数据进行离散处理、扫描路径规划、工艺参数设定得到控制实施材料累加所需的成形数据；

离散处理指从三维数据获得适用于累加成形方式的离散数据格式；

扫描路径规划包括获得激光熔覆喷头和冷喷喷头的层内扫描路径和层间步进高度；

工艺参数设定，包括激光熔覆工艺参数、冷喷喷头工艺参数、复合工艺参数和环境温度参数。

3)实施材料累加：根据步骤2)得到的成型数据采用激光熔覆累加和冷喷累加同步复合成形得到由当前激光熔覆累加层和当前冷喷累加层组成的当前材料累加层；

同步复合成形指对于当前材料累加层，首先进行激光熔覆材料累加，激光熔覆累加层在当前激光熔覆成形过程中形成的熔池从熔融到成形工作腔环境温度之间的任意温度时刻对同一层进行冷喷材料累加，优先为所成形金属材料的再结晶温度；

当前材料累加层指沿零件成形方向的单层材料累加高度，由激光熔覆累加层和冷喷累加层共同构成，其厚度为0.05mm-5mm。

同步复合成形中激光熔覆累加点和冷喷累加点的间距为0.5mm-50mm，冷喷累加在冷喷成形中的金属粉末速度为冷喷喷头出口处的金属粉末速度，速度范围为100m/s-1000m/s，冷喷累加在冷喷成形中冷喷喷头轴线与它在材料累加层平面内的投影所成的锐角为30°-90°。

4)完成零件成形：根据成形数据，判断是否已完成零件成形，如果没有，则根据成形数据继续实施下一层材料累加，即重复步骤3)，直到所有材料累加操作，从而完成零件成形。

本发明当前激光熔覆累加层：经过激光熔覆喷头，金属粉末射流与激光光束汇聚到当前激光熔覆累加点。高功率的激光实时地加热当前累加点的金属粉末并使其熔化，形成金属熔池，该熔池的金属液逐渐冷却凝固，形成固体金属点。在成形数据控制下，激光熔覆喷头移动(扫描)，逐点的固体金属连成金属线，重叠的金属线连成了金属面，形成了当前激光熔覆累加层。

当前冷喷累加层：经过冷喷喷头，高速金属粉末射流汇聚到当前冷喷累加点。高速的金属颗粒冲击基板或下层激光熔覆累加层，清除其表面的氧化层等污染物从而提高层间结合强度，使其发生塑性变形，从而消除其间的疏松和微裂纹等缺陷、改善其残余应力状况，最终提高激光熔覆层的力学性能，特别是高周疲劳性能。超过一定速度(临界速度)的金属颗粒，与基板或激光熔覆累加层发生碰撞，本身发生塑性变形，在冲击力作用下，与下层金属发生冶金结合，形成致密金属层。总之，在当前冷喷累加点，高速金属射流冲击基板或下层激光熔覆累加层，一方面对强化了下层激光熔覆累加层，另一方面实现了金属材料的累加。在成形数据控制下，冷喷喷头移动(扫描)，逐点的固体金属连成金属线，重叠的金属线连成了金属面，形成了当前冷喷累加层。

冷喷累加在激光熔覆累加层上进行，利用了激光熔覆过程中产生的余热，实现冷喷材料累加(强化和成形)。如图2a、图2b所示，在激光加热、空气传热、固体传热等共同作用下，在当前材料累加层内，温度以激光熔覆累加点(熔池)为中心逐渐减小，形成梯度分布。在当前材料累加层，冷喷累加点选择的应使该点的温度适合冷喷材料累加过程，具体使得激光熔覆累加层的性能改善效果和/或冷喷成形的成形性能达到最优。以此为依据确定冷喷累加点-激光熔覆累加点的间距。

利用激光熔覆过程产生的余热，省去了二次加热所需设备及工时，节省了能源，提高了成形效率，同时可提高成形性能。一方面，激光熔覆累加层在较高温度条件下被冷喷高速射流冲击，使其力学性能的改善效果更好；另一方面，对于冷喷成形，因为沉积基板温度的提高，在保证较高材料性能的前提下，可显著降低成形所需射流速度，从而改善金属射流的汇聚性，有利于成形精度的提高。

下面为本发明的一个实施例：

对零件以逐层的方式进行离散化处理，将零件几何信息和材料分布信息导入计算机数字控制系统。分层厚度为0.1mm，其中激光熔覆累加层厚度0.08mm、冷喷材料累加层厚度0.02mm。

通过激光熔覆喷头的粉末喷嘴，金属粉末汇聚到激光光斑位置，并在激光加热作用下熔融，随着喷头的运动，形成当前激光熔覆累加层(层厚0.08mm)。所采用的的关键工艺参数：激光功率250W、扫描速度5mm/s、送粉量10g/min。

通过冷喷喷头，高速金属粉末高速冲击到激光熔覆累加层，并在改成材料上堆积新的材料，形成当前冷喷材料层(层厚0.02mm)。通过调整喷头偏转角度，使得激光熔覆-冷喷材料累加点的间距保持为20mm，以冷喷材料累加过程在不锈钢再结晶温度实施。所采用的关键工艺参数：扫描速度5mm/s、金属射流速度700m/s

重复激光熔熔覆、冷喷熔覆，进行所有分层的累加操作，完成零件的成形。

Claims (3)

1.一种激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法，其特征在于包括以下步骤：

1)获取零件三维数据：通过三维建模软件建立实体零件的三维数据；

2)数据处理：对实体零件的三维数据进行离散处理、扫描路径规划、工艺参数设定得到控制实施材料累加所需的成形数据；

3)实施材料累加：根据步骤2)得到的成型数据采用激光熔覆累加和冷喷累加同步复合成形得到由当前激光熔覆累加层和当前冷喷累加层组成的当前材料累加层；所述同步复合成形指对于当前材料累加层，首先进行激光熔覆材料累加，激光熔覆累加层在当前激光熔覆成形过程中形成的熔池从熔融到成形工作腔环境温度之间的任意温度时刻对同一层进行冷喷材料累加；所述当前材料累加层指沿零件成形方向的单层材料累加高度，由激光熔覆累加层和冷喷累加层共同构成，其厚度为0.05mm-5mm；所述同步复合成形中激光熔覆累加点和冷喷累加点的间距为0.5mm-50mm；所述冷喷累加在冷喷成形中的金属粉末速度为冷喷喷头出口处的金属粉末速度，速度范围为100m/s-1000m/s；所述冷喷累加在冷喷成形中冷喷喷头轴线与它在材料累加层平面内的投影所成的锐角为30°-90°；

4)完成零件成形：根据成形数据，判断是否已完成零件成形，如果没有，则根据成形数据继续实施下一层材料累加，即重复步骤3)，直到所有材料累加操作，从而完成零件成形。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法，其特征在于：所述步骤2)离散处理指从三维数据获得适用于累加成形方式的离散数据格式；

扫描路径规划包括获得激光熔覆喷头和冷喷喷头的层内扫描路径和层间步进高度；

工艺参数设定，包括激光熔覆工艺参数、冷喷喷头工艺参数、复合工艺参数和环境温度参数。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法，其特征在于：所述的任意温度时刻指所成形金属材料的再结晶温度。