CN111331135A - 一种用于激光选区熔化混合粉末的装置及方法 - Google Patents

一种用于激光选区熔化混合粉末的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光选区熔化技术领域，具体涉及一种用于激光选区熔化混合粉末的装置及方法。本发明方法是将钛合金粉末，纯铜粉末放入粉末储存腔中，通过输气阀将储气瓶中的气体输入至粉末储存腔中，通过控制中心调节电磁盘加热功能来调节工作腔内的环境温度，然后再调节电磁盘旋转搅拌功能使得电磁盘高速旋转，从而使得多种合金粉末与氢气充分混合。再调节其加热功能来对混合粉末进行固溶时效处理，然后冷却至室温。混合粉末拥有超塑性变形特性，其晶粒发生细化且柱状晶被消除，再在伸缩杆与刮板的作用下将粉末移至零件成型室的工作台上打印成型。

Description

一种用于激光选区熔化混合粉末的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光选区熔化技术领域，具体涉及一种用于激光选区熔化混合粉末的装置及方法。
背景技术
激光增材制造技术是一种将零件逐层构建，通过激光的快速加热来使之成型的三维实体自由快速成形制造新技术，由于其精密加工，快速加工的特点而被广泛应用于航天，汽车，船舶等领域，其成形时所需的粉末对最终的成形件的性能起到了关键性的作用，如在钛合金粉末中加入一定量的Nb，Mo，W颗粒有利于细化钛合金的晶粒，从而提高钛合金的强度。再者，现有的研究已经表明，在Ti6Al4V粉末中加入一定量的Cu元素可以促进克服Ti6Al4V粉末在激光增材制造过程中的高温所带来的的热影响，并消除钛合金粉末中的柱状晶，形成完全等轴的超细晶粒组织。至此，混合粉末已经逐渐成为未来激光增材制造所用的主流粉末。
然而在充满气体的粉末腔中混合各类合金粉末的理念还没有被提出，例如当前研究发现在钛合金中加入适量的氢可以改善其热加工工艺性能，甚至可以获得超塑性变形特性，再经过一些特定的热处理后钛合金内部会出现超细晶粒，从而导致其综合性能得到较大的提升，所以在高温下将氢气置入钛合金粉末之中也成为了未来钛合金加工工艺的重要步骤之一。综上所述，现阶段需要制造一种能在高温气体下混合粉末的粉末腔。
本发明提出了一种带有复合粉末合成功能的选区激光熔化装置，将充满高温气体的工作腔内将钛合金粉末与其他辅助合金粉末混合，高温氢气的作用是与粉末混合提升复合粉末的塑形且让粉末之间的混合更充分，有利于后续激光加工的变形过程的进行。所以，设计一种附带高温气体下混合各类粉末的工作腔的激光选区熔化装置具有十分重要的意义。
发明内容
为了提高现有的合金成形质量，本发明从混合钛合金粉末，其他合金粉末以及气体元素的角度来设计一种用于混合粉末激光选区熔化的装置，从而改善增材制造的成形效果。
为了达到上述目的，本发明提供一种用于混合粉末激光选区熔化的装置，其特征在于：该装置包括粉末储存腔，粉末储存腔上方有刮板，粉末储存腔右侧外壁上装有压强感应器；粉末储存腔的底部装有具有加热和旋转搅拌功能的电磁盘，电磁盘连接伸缩杆从而能够上下滑动。输气阀连接储气瓶与粉末储存腔，气体通过输气阀从储气瓶输入到粉末储存腔中。排气阀连接真空泵与粉末储存腔，真空泵通过排气阀吸出粉末储存腔中的空气和多余的气体。控制中心位于粉末储存腔的左侧，连接并控制激光器、粉末储存腔内的电磁盘、压强感应器以及伸缩杆。零件成型室位于控制中心和粉末储存腔的中间位置，激光器位于控制中心的上部，工作台位于零件成型室的内部。在控制中心的控制下，粉末在粉末储存腔混合完成后通过刮板进入零件成型室中，然后激光器发出的激光通过反光镜反射进入零件成型室中的工作台上加工粉末。
所述电磁盘包括加热线圈和旋转线圈，加热线圈和旋转线圈之间用隔板隔开，加热线圈为外圈，当控制中心输入电流通过加热线圈时会切割磁场产热而达到加热效果，且控制中心能显示并控制电磁盘加热温度；电磁盘的内圈为旋转线圈，两头分布有磁性相反的磁极，两磁极有金属导体，当有控制中心的输入电流通过金属导体时两磁极会产生斥力和吸力来使导体旋转而带动内圈旋转从而使电磁盘具有旋转功能。所述隔板为隔热效果好的NIP-1050纳米微孔隔热板。
其中，压强感应器感应粉末储存腔内的压强，并在外部显示器上显示数值。
刮板和粉末储存腔的内壁所使用的材料也为NIP-1050纳米微孔隔热板。
本发明提供一种用于混合粉末激光选区熔化的装置的使用方法，其特征在于：打开排气阀将粉末储存腔内的空气通过真空泵排尽，关闭排气阀。打开刮板将Ti6Al4V合金粉末与纯铜粉末放入粉末储存腔中，合上刮板。然后打开输气阀，将储气瓶中的氢气输入到粉末储存腔中，关闭输气阀并通过控制中心调节电磁盘的加热功能，将粉末储存腔加热到一定温度，然后打开电磁盘的搅拌功能，在充满氢气的环境中混合固体粉末。混合完毕后通过关闭电磁盘的搅拌功能并打开排气阀用真空泵将粉末储存腔中多余的气体抽离，抽离结束后关闭排气阀，然后再调节电磁盘的加热功能对混合粉末进行固溶时效处理，然后冷却至室温。再通过伸缩杆将处理后的粉末送至粉末储存腔顶部，再用刮板将粉末推送至零件成型室中，最后用于激光增材制造。
其中气体与合金粉末混合时的温度为500-900℃，气体压强10kPa-30kPa，混合时间40min。
本发明装置和操作方法的增益条件如下：
1.在粉末储存腔中直接混合形成钛合金复合粉末材料，减少了粉末在转移过程中的消耗，减少了成本。
2.本发明促进氢气与多种粉末的混合，从而提升激光增材制造的质量，同时也适用于其他气体混合与金属粉末的混合过程。
3.通过电磁盘的切割交变磁场产热与通电产生电磁力来同时实现加热与旋转搅拌的功能，在充满气体的环境内粉末之间的混合会更加充分与迅速。
附图说明
图1为一种带有复合粉末合成功能的选区激光熔化装置图。
图2为电磁盘结构图。
图中，1、控制中心；2、激光器；3、反光镜；4、激光光束；5、工作台；6、零件成型室；7、刮板；8、输气阀；9、排气阀；10、压强感应器；11、粉末储存腔；12、电磁盘；13、伸缩杆；14、真空泵；15、储气瓶。
具体实施方式
粉末添加：打开刮板7，将纯铜球形粉末(99％)和纯Ti6Al4V合金球形粉末(99％)加入粉末储存腔11中，合上刮板7。
气体添加：打开排气阀9，用真空泵14将粉末储存腔11内部的空气抽出后再通过输气阀8将气体加入粉末储存腔11中，通过压强感应器10监控腔内的实时压强从而监控粉末储存腔11内部的气体含量使其保持在10kPa-30kPa。
混合过程：通过控制中心1打开电磁盘12的加热功能，将粉末储存腔11内部加热到500-900℃。然后，再通过控制中心1打开电磁盘12的旋转功能，在高温氢气环境下将铜粉末，钛粉末保温保压混合40min而制成钛合金复合粉末材料。混合完毕后通过控制中心1关闭电磁盘12的搅拌功能并打开排气阀9用真空泵14将粉末储存腔11中多余的氢气抽离，抽离结束后关闭排气阀9，再进行固溶时效处理，调节电磁盘12的加热功能加热到700-900℃，保温7h后关闭电磁盘12加热功能并将粉末储存腔11自然冷却至室温。
最后，控制中心1调节伸缩杆13的高度来将混合粉末送到粉末储存腔11的顶部，再通过刮板7将混合粉末送至零件成型室6中进行激光增材制造成型。
实例1
在高温氢气下混合金属粉末
打开排气阀9将粉末储存腔11内的空气排尽，关闭排气阀9。打开刮板7将Ti6Al4V合金粉末与纯铜粉末放入粉末储存腔11中，合上刮板7。然后打开输气阀8，将储气瓶15中的氢气输入到粉末储存腔11中，通过压强感应器10感应粉末储存腔11内的压强，当压强稳定在15kPa时，关闭输气阀8并通过控制中心1调节电磁盘12的加热与搅拌功能。将粉末储存腔11加热到750℃，在充满氢气的环境中混合多种固体粉末，混合40min。混合完毕后通过控制中心1关闭电磁盘12搅拌功能并打开排气阀9用真空泵14将粉末储存腔11中多余的氢气抽离，抽离结束后关闭排气阀9，然后再调节电磁盘12的加热功能对混合粉末进行固溶时效处理，在800℃下加热复合粉末，保温时间7h，然后关闭电磁盘12加热功能并将粉末储存腔11自然冷却至室温。通过伸缩板13将粉末送至粉末储存腔11顶部，再用刮板7将粉末推送至零件成型室6中，最后用于激光增材制造中。

Claims (7)

1.一种用于激光选区熔化混合粉末的装置，其特征在于，所述装置包括粉末储存腔，粉末储存腔上方有刮板，粉末储存腔右侧外壁上装有压强感应器，压强感应器感应粉末储存腔内的压强，并在外部显示器上显示数值；粉末储存腔的底部装有具有加热和旋转搅拌功能的电磁盘，电磁盘连接伸缩杆从而能够上下滑动；输气阀连接储气瓶与粉末储存腔，气体通过输气阀从储气瓶输入到粉末储存腔中；排气阀连接真空泵与粉末储存腔，真空泵通过排气阀吸出粉末储存腔中的空气和多余的气体；控制中心位于粉末储存腔的左侧，连接并控制激光器、粉末储存腔内的电磁盘、压强感应器以及伸缩杆；零件成型室位于控制中心和粉末储存腔的中间位置，激光器位于控制中心的上部，工作台位于零件成型室的内部；在控制中心的控制下，粉末在粉末储存腔混合完成后通过刮板进入零件成型室中，然后激光器发出的激光通过反光镜反射进入零件成型室中的工作台上加工粉末。
2.如权利要求1所述的一种用于激光选区熔化混合粉末的装置，其特征在于，所述电磁盘包括加热线圈和旋转线圈，加热线圈和旋转线圈之间用隔板隔开，加热线圈为外圈，当控制中心输入电流通过加热线圈时会切割磁场产热而达到加热效果，且控制中心能显示并控制电磁盘加热温度；电磁盘的内圈为旋转线圈，两头分布有磁性相反的磁极，两磁极有金属导体，当有控制中心的输入电流通过金属导体时两磁极会产生斥力和吸力来使导体旋转而带动内圈旋转从而使电磁盘具有旋转功能；所述隔板为隔热效果好的NIP-1050纳米微孔隔热板。
3.如权利要求1所述的一种用于激光选区熔化混合粉末的装置，其特征在于，刮板和粉末储存腔的内壁所使用的材料为NIP-1050纳米微孔隔热板。
4.使用如权利要求1所述装置实施激光选区熔化混合粉末的方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)粉末添加：打开刮板，将需要混合的合金粉末加入粉末储存腔中，合上刮板；
2)气体添加：打开排气阀，用真空泵将粉末储存腔内部的空气抽出后再通过输气阀将气体加入粉末储存腔中，通过压强感应器监控腔内的实时压强从而监控粉末储存腔内部的气体含量；
3)混合过程：通过控制中心打开电磁盘的加热功能，将粉末储存腔内部加热到一定温度；然后，再通过控制中心打开电磁盘的旋转功能，在高温气体环境下将需要混合的合金粉末保温保压混合制成合金复合粉末材料，混合完毕后通过控制中心关闭电磁盘的搅拌功能并打开排气阀用真空泵将粉末储存腔中多余的气体抽离，抽离结束后关闭排气阀，再进行固溶时效处理，然后自然冷却至室温；
4)最后，控制中心调节伸缩杆的高度来将混合粉末送到粉末储存腔的顶部，再通过刮板将合金复合粉末材料送至零件成型室中进行激光增材制造成型。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述需要混合的合金粉末为Ti6Al4V合金粉末与纯铜粉末，纯铜粉末为辅助合金粉末。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2)中，添加的气体为氢气，气体压强10kPa-30kPa。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3)中，将粉末储存腔内部加热到500-900℃；保温保压混合的时间为40min；所述的固溶时效处理的步骤为：调节电磁盘的加热功能加热到700-900℃，保温7h后关闭电磁盘加热功能。
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GR01 Patent grant
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