CN112620650A - 一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置及制备方法 - Google Patents

一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置及制备方法，涉及先进制造技术领域；该装置包括成型系统、送粉系统和收粉系统；所述成型系统底部连通有成型缸，所述成型缸底部设置有成型基板；所述成型系统底部分别开设有位于成型缸两侧的进料口和落粉口；所述进料口与所述送粉系统连接，所述落粉口与所述收粉系统连接；所述送粉系统包括多个转动设置的粉料仓，所述收粉系统包括多个转动设置的收粉仓；所述粉料仓用于与所述进料口连通，所述收粉仓用于与所述落粉口连通。基于本发明上述成分可调控的金属激光选区熔化制备装置所设计的制备方法，能够实现金属零件成分的精确调控，满足高性能金属零件的使用要求。

Description

一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置及制备方法
技术领域
本发明涉及先进制造技术领域，特别是涉及一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置及制备方法。
背景技术
激光选区熔化是一种金属零件的直接成型方法，是先进制造技术领域的最新发展。该技术基于快速成型的基本思想，采用逐层添加的方式，根据CAD零件模型数据直接成型具有特定几何形状的金属零件。
该技术突破了传统成型方法中减材制造的概念，采用添加材料的方法成型零件，不存在材料去除的浪费问题，成型过程中不受金属零件复杂程度的限制，特别适合于金属材料的轻量化结构设计与制造，以及传统成型方法难以实现的复杂金属零件制造。该技术可以实现微区金属粉末激光快速熔化与快速凝固，可以获得非平衡态过饱和固溶体及均匀细小的组织，致密度接近100％，金属粉末可以是单一金属粉末、复合粉末、高熔点难熔合金粉末等。
金属材料的性能由其化学成分和微观组织决定，化学成分的精准高效调控是实现材料性能提高的根本手段。为满足多样化的苛刻极端的使用性能需求，航空航天领域对材料化学成分的精确调控提出越来越高的要求。常规的合金熔炼可以调整零件的化学成分，但效率低下，常产生元素偏析和气孔等铸造缺陷，组织粗大，必须经后续塑性加工和热处理以提高零件的使用性能，制造流程长且性能稳定性差，这难以满足化学成分须精确调控的高性能金属零件制造需求。
目前，利用激光选区熔化制备金属零件仅针对单一金属或者合金粉末，不能实现金属零件成分的精确调控，不能满足高性能金属零件的使用要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置及制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现金属零件成分的精确调控，满足高性能金属零件的使用要求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置，包括成型系统、送粉系统和收粉系统；所述成型系统底部连通有成型缸，所述成型缸底部设置有成型基板；所述成型系统底部分别开设有位于成型缸两侧的进料口和落粉口；所述进料口与所述送粉系统连接，所述落粉口与所述收粉系统连接；所述送粉系统包括多个转动设置的粉料仓，所述收粉系统包括多个转动设置的收粉仓；所述粉料仓用于与所述进料口连通，所述收粉仓用于与所述落粉口连通。
可选的，所述成型系统包括水平设置的成型室，所述成型室顶部连通有光路系统，所述成型缸与所述成型室底部连通，所述进料口和落粉口均分别开设于所述成型室底部；所述成型室一端的外壁上固定设置有步进电机，所述步进电机连接有导向轴，所述导向轴通过导向轴支座穿设于所述成型室一端的侧壁上，所述导向轴末端传动连接有丝杆，所述丝杆末端安装于球面带座轴承上，所述球面带座轴承与所述成型室另一端的内壁固定连接，所述丝杆上螺纹传动连接有上连接板，所述上连接板底部固定安装有竖直设置的刮板，所述刮板底部与所述成型室内底部接触；所述成型室一端侧壁的上方连通有直通气管接头。
可选的，所述成型室顶部铰接有舱门上顶盖，所述舱门上顶盖设置于所述光路系统两端。
可选的，所述光路系统上方倾斜设置有振镜，所述振镜一端设置有激光器，所述激光器能够将激光经振镜反射后射入所述光路系统。
可选的，所述送粉系统包括送粉基座，所述送粉基座上固定安装有第一精密伺服电机，所述第一精密伺服电机位于上方的转轴上转动安装有圆形结构的送料转盘，所述送料转盘上周向均匀设置有多个所述粉料仓；所述粉料仓顶部开口，所述粉料仓内底部设置有限位凸缘，限位凸缘上卡接有上料板，从而所述上料板设置于粉料仓内壁底部的限位凸缘上，且能够沿所述送料仓内壁上下移动；所述送料转盘和所述第一精密伺服电机之间设置有固定盘，所述固定盘一端设置有上下开口的凹槽，所述凹槽位于多个所述粉料仓所在的虚拟圆位置处，且所述粉料仓的直径与所述凹槽顶部的直径相同；所述凹槽底部连接有伺服电缸，所述伺服电缸底部固定设置于所述送粉基座一端，所述伺服电缸顶部能够穿过所述凹槽与所述上料板底部接触连接。
可选的，所述收粉系统包括第二精密伺服电机，所述第二精密伺服电机上方的转轴转动连接有收粉转盘，所述收粉转盘上周向均匀布置有多个所述收粉仓，所述收粉仓内壁上方固定安装有筛网，所述收粉仓外侧壁上固定连接有振动马达，所述收粉仓底部连接有加热装置。
可选的，所述收粉仓和粉料仓均分别设置有六个；所述收粉仓可拆卸的安装于所述收粉转盘上，所述收粉仓外侧壁上固定安装有把手。
本发明还提供一种成分可调控的金属激光选区熔化制备方法，包括如下步骤：
(1)将六种粉料分别装入六个粉料仓，由计算机控制系统控制保护气体由直通气管接头通入成型室；
(2)将所需粉末A由送料转盘送至进料口，通过上料板送至成型室，并通过刮板将所需粉末刮至成型基板，成型基板填满后，多余粉末A由刮板刮至落粉口，进入收粉仓；
(3)开启激光器，激光束经振镜和光路系统进入成型室，开始选区激光熔化金属粉末A，完成粉末A的成型；
(4)粉末A的成型完毕后，将粉末B由送料转盘送至进料口，通过上料板送至成型室，并通过刮板将所需粉末刮至成型基板，成型基板填满后，多余粉末B由刮板刮至落粉口，进入收粉仓；
(5)开启激光器，激光束经振镜和光路系统进入成型室，开始选区激光熔化金属粉末B，完成粉末A的成型；
(6)其余粉末的成型过程重复上述(2)(3)步骤；
(7)启动振动马达和加热装置，落入收粉仓的粉末在振动马达的作用下，经筛网落入收粉仓底部，经加热装置烘干后回收。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明设置多个粉料仓和收粉仓，并沿周向旋转布置，通过计算机控制可实现多种金属粉末的逐层激光选区熔化，可通过激光选区熔化技术制备成分可精确调控的高性能金属零件，解决了现有激光选区熔化技术仅针对单一金属粉末的成型问题，本发明工艺简单，生产效率高，适用范围广，为开发与制备新型成分可精确调控的金属零件提供了新思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的成型系统的结构示意图；
图3为本发明的送粉系统的结构示意图；
图4为本发明的收粉系统的结构示意图。
图中，100.成分可调控的金属激光选区熔化制备装置，101.成型系统，102.送粉系统，103.收粉系统，1.激光器，2.振镜，3.光路系统，4.成型室，5.舱门上顶盖，6.进料口，7.落粉口，8.成型缸，9.丝杆，11.导向轴，12.导向轴支座，13.步进电机14.球面带座轴承，15.刮板，16上连接板，17.直通气管接头，18.成型基板，19.粉料仓，20.送料转盘，21.第一精密伺服电机，22.上料板，23.伺服电缸，24.收粉仓，25.收粉转盘，26.第二精密伺服电机，27.加热装置，28.筛网，29.振动马达，30.限位凸缘，31.固定盘，32.凹槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置及制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现金属零件成分的精确调控，满足高性能金属零件的使用要求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置及制备方法，如图1-图4所示，其成分可调控的金属激光选区熔化制备装置100主体包括成型系统101、送粉系统102和收粉系统103。
成型系统101为矩形结构，包括激光器1、振镜2和光路系统3，激光器产生激光束，振镜用于控制激光束扫描方向和路径，激光束通过光路系统3作用于金属粉末，实现金属激光选区熔化成型，成型室4上部设置舱门上顶盖5，舱门上顶盖5设置于光路系统3两端；成型室4顶部与光路系统3相连，成型室4下部设置进料口6、落粉口7、成型缸8，成型室4内部设置丝杆9，丝杆9左侧通过导向轴11和导向轴支座12与步进电机13连接，由步进电机13带动丝杆9转动，丝杆9右侧通过球面带座轴承14固定安装，刮板15通过上连接板16与丝杆9连接，在丝杆9的带动下，刮板15沿水平方向往复运动，在成型室4右侧设置直通气管接头17接入保护气体，成型基板18设置在成型缸8上部。
送粉系统102包括6个粉料仓19，粉料仓19沿送料转盘20周向均匀设置，并通过送料转盘20与第一精密伺服电机21相连接，粉料仓19顶部开口，粉料仓19内底部设置有限位凸缘30，限位凸缘30上卡接有上料板22，从而上料板22设置于粉料仓19内壁底部的限位凸缘30上，且能够沿送料仓19内壁上下移动；送料转盘20和第一精密伺服电机21之间设置有固定盘31，固定盘31一端设置有上下开口的凹槽32，凹槽32位于多个粉料仓19所在的虚拟圆位置处，且粉料仓19的直径与凹槽32顶部的直径相同；凹槽32底部连接有伺服电缸23；粉料仓19底部设置的上料板22能够通过伺服电缸23驱动上升，将金属粉末沿进料口6送入成型室4。
收粉系统103包括6个收粉仓24，收粉仓24沿收粉转盘25周向均匀设置，并通过收粉转盘25与第二精密伺服电机26相连接，收粉仓24底部设置加热装置27，收粉仓23上部设置筛网28，筛网28与振动马达29连接，多余粉末通过落粉口7进入收粉仓23。
以制备钛/铝金属零件为例，本发明工作过程如下：
(1)将粉料分别装入粉料仓19，由计算机控制系统控制保护气体由直通气管接头17通入成型室4；
(2)将钛粉末由送料转盘20送至进料口6，通过上料板22送至成型室4，并通过刮板15将钛粉末刮至成型基板18，成型基板18填满后，多余钛粉末由刮板15刮至落粉口7，进入收粉仓24；
(3)开启激光器1，激光束经振镜2和光路系统3进入成型室4，开始选区激光熔化钛粉末，完成钛粉末的成型；
(4)钛粉末成型完毕后，将铝粉末由送料转盘20送至进料口6，通过上料板22送至成型室4，并通过刮板15将铝粉末刮至成型基板18，成型基板18填满后，多余铝粉末由刮板15刮至落粉口7，进入收粉仓24；
(5)开启激光器1，激光束经振镜2和光路系统3进入成型室4，开始选区激光熔化铝粉末，完成铝粉末的成型；
(6)启动振动马达29和加热装置27，落入收粉仓24的粉末在振动马达29的作用下，经筛网28落入收粉仓24底部，经加热装置27烘干后回收。
(7)重复上述步骤，将激光选区熔化成型后的钛/铝金属放入电阻炉进行热处理，最终形成钛/铝金属零件。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种成分可调控的金属激光选区熔化制备装置，其特征在于：包括成型系统、送粉系统和收粉系统；所述成型系统底部连通有成型缸，所述成型缸底部设置有成型基板；所述成型系统底部分别开设有位于成型缸两侧的进料口和落粉口；所述进料口与所述送粉系统连接，所述落粉口与所述收粉系统连接；所述送粉系统包括多个转动设置的粉料仓，所述收粉系统包括多个转动设置的收粉仓；所述粉料仓用于与所述进料口连通，所述收粉仓用于与所述落粉口连通。
2.根据权利要求1所述的成分可调控的金属激光选区熔化制备装置，其特征在于：所述成型系统包括水平设置的成型室，所述成型室顶部连通有光路系统，所述成型缸与所述成型室底部连通，所述进料口和落粉口均分别开设于所述成型室底部；所述成型室一端的外壁上固定设置有步进电机，所述步进电机连接有导向轴，所述导向轴通过导向轴支座穿设于所述成型室一端的侧壁上，所述导向轴末端传动连接有丝杆，所述丝杆末端安装于球面带座轴承上，所述球面带座轴承与所述成型室另一端的内壁固定连接，所述丝杆上螺纹传动连接有上连接板，所述上连接板底部固定安装有竖直设置的刮板，所述刮板底部与所述成型室内底部接触；所述成型室一端侧壁的上方连通有直通气管接头。
3.根据权利要求2所述的成分可调控的金属激光选区熔化制备装置，其特征在于：所述成型室顶部铰接有舱门上顶盖，所述舱门上顶盖设置于所述光路系统两端。
4.根据权利要求2所述的成分可调控的金属激光选区熔化制备装置，其特征在于：所述光路系统上方倾斜设置有振镜，所述振镜一端设置有激光器，所述激光器能够将激光经振镜反射后射入所述光路系统。
5.根据权利要求1所述的成分可调控的金属激光选区熔化制备装置，其特征在于：所述送粉系统包括送粉基座，所述送粉基座上固定安装有第一精密伺服电机，所述第一精密伺服电机位于上方的转轴上转动安装有圆形结构的送料转盘，所述送料转盘上周向均匀设置有多个所述粉料仓；所述粉料仓顶部开口，所述粉料仓内底部卡接有上料板，所述上料板能够沿所述送料仓内壁上下移动；所述送料转盘和所述第一精密伺服电机之间设置有固定盘，所述固定盘一端设置有上下开口的凹槽，所述凹槽位于多个所述粉料仓所在的虚拟圆位置处，且所述粉料仓的直径与所述凹槽顶部的直径相同；所述凹槽底部连接有伺服电缸，所述伺服电缸底部固定设置于所述送粉基座一端，所述伺服电缸顶部能够穿过所述凹槽与所述上料板底部接触连接。
6.根据权利要求5所述的成分可调控的金属激光选区熔化制备装置，其特征在于：所述收粉系统包括第二精密伺服电机，所述第二精密伺服电机上方的转轴转动连接有收粉转盘，所述收粉转盘上周向均匀布置有多个所述收粉仓，所述收粉仓内壁上方固定安装有筛网，所述收粉仓外侧壁上固定连接有振动马达，所述收粉仓底部连接有加热装置。
7.根据权利要求6所述的成分可调控的金属激光选区熔化制备装置，其特征在于：所述收粉仓和粉料仓均分别设置有六个；所述收粉仓可拆卸的安装于所述收粉转盘上，所述收粉仓外侧壁上固定安装有把手。
8.一种成分可调控的金属激光选区熔化制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将六种粉料分别装入六个粉料仓，由计算机控制系统控制保护气体由直通气管接头通入成型室；
(2)将所需粉末A由送料转盘送至进料口，通过上料板送至成型室，并通过刮板将所需粉末刮至成型基板，成型基板填满后，多余粉末A由刮板刮至落粉口，进入收粉仓；
(3)开启激光器，激光束经振镜和光路系统进入成型室，开始选区激光熔化金属粉末A，完成粉末A的成型；
(4)粉末A的成型完毕后，将粉末B由送料转盘送至进料口，通过上料板送至成型室，并通过刮板将所需粉末刮至成型基板，成型基板填满后，多余粉末B由刮板刮至落粉口，进入收粉仓；
(5)开启激光器，激光束经振镜和光路系统进入成型室，开始选区激光熔化金属粉末B，完成粉末A的成型；
(6)其余粉末的成型过程重复上述(2)(3)步骤；
(7)启动振动马达和加热装置，落入收粉仓的粉末在振动马达的作用下，经筛网落入收粉仓底部，经加热装置烘干后回收。
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