CN113042759B - 一种辅助振动装置及高熵合金的激光增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种送粉式激光增材制造高熵合金的方法，该方法应用球磨高熵合金粉为原料、使用了送粉式激光增材制造设备以及一种辅助振动装置。该辅助振动装置将特殊共振空腔的弹性弧形薄片结构替代送粉器对高熵合金粉末流动性最敏感的漏斗结构，与外部振动源配合，有效收集分散在粉筒各处的振动，隔空无损地实现了球磨高熵合金粉末的正常输送。使得激光增材制过程，常规送粉器有能力直接使用高能球磨法制得的高熵合金粉末应用于激光增材制造中，充分发挥高熵合金具有的特殊结构和优异性能，克服多送粉筒同步送粉方式弊端，同时避免了因球化高熵合金粉末高难度所带来的流程繁琐等问题，实现激光增材制造的高熵合金均匀性和综合性能的显著提升。

Description

一种辅助振动装置及高熵合金的激光增材制造方法

技术领域

本发明涉及金属制造领域，尤其涉及一种激光增材制造的合金熔覆方法。

背景技术

高熵合金是由多种（一般五种）等量或大约等量金属形成的合金。由于高熵合金可能具有许多硬度高、韧性好、耐腐蚀能力好等理想的性质，因此近年来受到广泛关注和重视，由于独特的元素组成，例如Mn、Mo、Cr、Hf等高熔点成分的存在，使得高熵合金很难通过常规熔炼手段制备。

作为目前应用潜力最大的表面增材制造技术之一，激光熔覆技术在近年来获得长足的进步，随着现代科学的进步和工业技术的发展，高功率激光加工设备以及高稳定性同步送粉设备逐渐得到完善，激光表面增材制造技术的研究也取得了明显的进步，其应用领域正在不断扩展。

然而，激光熔覆等增材制造所用同步送粉设备都需要粉末具有一定流动性，使之可以顺利送出。但受制于粉末制造技术和成本限制，传统金属与合金粉末为了获得流动性和球形度较好的粉末，需要通过气雾化、等离子球化等手段处理，成本远高于传统机械研磨得到的低流动性粉末；

虽然激光熔覆等增材制造领域可以通过多送粉筒同步送粉方式直接使用单组元纯金属粉末或双组元合金作为原料，但多送粉筒协同工作稳定性差，且目前送粉器输送精度并不能满足高熵合金成分配比的高要求。

另一方面，高熵合金粉末由于Mn、Mo、Hf等含量较高，在熔炼、成分均匀化等环节都存在一定难度，致使适用于高熵合金激光增材制造用的高流动性均匀粉末制备难度和成本都居高不下，影响激光增材制造高熵合金领域的进一步发展。

高能球磨法是目前制备高熵合金的最主流原料制备手段，利用球磨罐内高速运动的研磨介质（钢球等）的相互碰撞挤压，使罐内多种纯合金粉末发生快速升温重熔结合等，长时间后粉末内元素分布将不断均匀化，最终得到具有均匀成分分布的高熵合金粉末。

由于粉末的高灵活性，其颗粒粒径、球形度、显微形貌、流动性等差异都会对实际增材制造产生显著的影响。这其中受到最大影响的是增材制造所必需的送粉器，送粉器种类很多，但核心理念都是将初始堆积的粉体以尽可能稳定的恒定速率送出。这要求粉末在无论重力作用抑或机械设备搅拌过程中保持良好的流动性，一旦粉末流动性较差，便会发生堵塞等故障问题，继而严重影响增材制造的顺利进行。

但是由于这种球磨后的高熵合金粉末极不规则，流动性极差，仅在粉末冶金领域等应用，目前尚未有直接将高熵合金粉末应用于激光增材制造领域的报道，极大地限制了高熵合金的发展。

因此，如果能解决上述技术等难点，能极大推动激光增材制造与高熵合金交叉研究与应用领域的快速发展。

发明内容

为了综合解决上述存在的问题，本发明提供了一种应用球磨高熵合金粉于送粉式激光增材制造制备一种高熵合金的方法。以显著提高高熵合金增材制造过程的均匀性等综合质量，拓展高熵合金应用范围，本发明解除了目前主流激光增材制造用同步送粉装置对粉末球形度、流动性有较高要求的限制，将目前主流的球磨高熵合金粉末直接应用于激光增材制造中，实现相关领域的交叉性突破。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高熵合金的激光增材制造方法，应用球磨高熵合金粉，采用送粉式激光增材制造设备。首先：利用高能球磨机对各单组元粉末进行充分球磨混合，使球磨粉末成分分布均匀，得到高熵合金粉末。此时的高熵合金粉末受制于高能球磨特点，形状不规则且流动性差，按照现有技术，增材制造所必需的送粉器对粉末流动性等的要求，高熵合金粉末无法直接应用于激光增材制造中。对此，本发明提出一种辅助振动装置以有效降低现有送粉器对高熵合金粉末流动性的要求。

该辅助振动装置，包括两个半圆型金属主体框架，联结固定两个半圆型金属主体框架的连接件，金属主体框架外周壁上设置有超声波换能器固定端口、放置并固定该端口内的小功率超声波换能器、震动电机固定端口、以及置放于该端口的机械转子震动电机、用于给超声波换能器和机械转子震动电机供电的移动电源-控制器集成模块、以及用来调节超声波换能器和机械转子震动电机的振动幅度和频率的旋钮式振动调节器。此外，该辅助振动装置还包括一薄壁金属漏斗，漏斗的薄壁壁面采用弧形设计，薄壁金属漏斗的薄壁厚度为0.2~0.5mm。

将上述辅助振动装置安装在激光增材制造用送粉器上，具体安装方法为：1）用连接件将两个半圆型金属主体框架围绕固定在送粉器的粉筒外侧，使得两个半圆型金属主体框架的内壁紧贴粉筒外侧壁；2）将小功率超声波换能器放置并固定在超声波换能器固定端口内，机械转子震动电机安置于震动电机固定端口、将用于给超声波换能器和机械转子震动电机供电的移动电源-控制器集成模块安装在半圆型金属主体框架上；3）将薄壁金属漏斗依靠漏斗自身弹性嵌入或者其他方法比如粘贴等固定于粉筒内壁上，由于漏斗的薄壁壁面采用弧形设计，仅漏斗的上沿和下沿与粉筒内壁紧密贴合，在漏斗的上下沿间、漏斗外壁和粉筒内壁包裹形成一封闭空腔。

进一步，将上述球磨后的高熵合金粉末进行了烘干预处理，处理好的高熵合金粉末添加至粉筒。

进一步，做好激光增材制造设备工艺前准备，之后启动激光增材制造设备，同时启动上述辅助振动装置进行激光增材制造。工作时，超声波振动从超声波换能器产生通过刚性金属主体框架和送粉器的金属粉桶侧壁快速传递至粉筒内壁，因为整个粉筒是刚性的，振动被均匀分散到整个粉桶，此时壁面振动是很弱的，不能起到提高粉末流动性的作用，但是由于本发明在粉筒内设置有薄壁金属漏斗，其弧形结构具有良好弹性，起到类似“琴弦”效果，高频振动在弧形壁面上被不断放大，并由于漏斗侧壁与粉筒内壁间形成的空腔结构，这种不断放大的振动再与空腔协同共振，进一步提升和维持了壁面的有效振动，最终达到提高粉末流动性的目的，使粉末能顺利通过对流动性最敏感的漏斗段，最终实现流动性差粉末的正常增材制造使用，实现本发明设计目的。

激光增材制造过程中，安装有辅助振动装置的送粉器均匀送出高熵合金粉末至激光增材制造区域，在高能激光束的快速照射下迅速融化，喷射在工件表面形成熔池，最后完成激光增材的制造。由于采用本发明方法的高熵合金粉末成分均匀性高、粉末输送稳定，使得高熵合金形成的熔池始终保持理想的成分均匀性和尺寸的稳定性，这一优势最终在快速冷却凝固后得以保持。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明将高能球磨高熵合金粉末的成分均匀等优势应用到同步送粉式激光增材制造中，克服多送粉筒同步送粉方式弊端，同时避免了因球化高熵合金粉末高难度所带来的流程繁琐等问题，实现激光增材制造的高熵合金均匀性和综合性能的显著提升。

（2）本发明将特殊共振空腔的弹性弧形薄片结构替代送粉器对高熵合金粉末流动性最敏感的漏斗结构，与外部振动源配合，有效收集分散在粉筒各处的振动，隔空无损地实现了球磨高熵合金粉末的正常输送。

（3）本发明可以使常规送粉器有能力直接使用目前主流的高熵合金高能球磨法粉末应用于激光增材制造中，充分发挥高熵合金具有的特殊结构和优异性能，有望催生出全新的交叉研究领域，促进了相关研究与技术的发展，继而推动激光增材制造与高熵合金交叉研究与应用领域的快速发展。

附图说明

图1为各实施例使用的共振辅助装置俯视图。

图2为各实施例使用的共振辅助装置侧视图。

图3 为各实施例使用的共振辅助装置拆解示意图。

图4为各实施例中薄壁金属漏斗在送粉器的粉筒内示意图。

图5为实施例1所使用的不规则球磨FeCoNiCr高熵合金粉末形貌。

图6为实施例2所使用的不规则球磨FeCoNiCrAl高熵合金粉末形貌。

图7为实施例1得到的FeCoNiCr高熵合金金相。

图8为实施例2得到的FeCoNiCrAl高熵合金覆层金相。

图9为实施例3得到的FeCoNiCrAl高熵合金覆层金相。

其中，图中1为半圆型金属主体框架，2为可调式超声波换能器固定端口，3为小功率超声波换能器，4为机械转子震动电机固定端口，5 为机械转子震动电机，6为移动电源-控制器集成模块，7为旋钮式振动调节器，8为弧形共振空腔薄壁金属漏斗，9为固定铰链与可调螺丝，10为粉筒。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

下面各实施例中使用的辅助振动装置，如附图1-3，包含两个半圆型金属主体框架(1)，金属主体框架采用铝合金材料，以改善装置的便携性和可拆卸性，同时减少设备自重，提高实际振动效果。金属主体框架外周壁上设置有可调式超声波换能器固定端口(2)、该端口内可放置并固定小功率超声波换能器(3)、机械转子震动电机固定端口(4)、以及置放于该端口的机械转子震动电机(5)、移动电源-控制器集成模块(6)、旋钮式振动调节器(7)。两个半圆型金属主体框架通过固定铰链与可调螺丝(9)连接固定于激光增材制造用送粉器的粉筒（10）外侧并贴合粉筒的外壁；根据激光熔覆装置中的送粉器的实际需求，半圆型金属主体框架上设置了2个超声波换能器固定端口和1个常规机械转子震动电机固定端口，整个装置合计4个超声波换能器固定端口和2个常规机械转子震动电机固定端口。在每个半圆形金属主体框架上设置的移动电源-控制器集成模块，能够提供合计50Wh能量，在输出25W下可不间断工作2h，满足实验级中短期使用需求以及企业应用级应急工作需求。

如附图4，下面各实施例中使用的辅助振动装置还包括一个弧形共振空腔薄壁金属漏斗(8)；弧形共振空腔薄壁金属漏斗直接依靠漏斗自身弹性嵌入固定于粉筒内壁上；漏斗的薄壁弧形壁面为R=400mm的圆弧结构，薄壁金属漏斗的薄壁厚度设置为0.2~0.5mm；漏斗的上沿和下沿与粉筒内壁紧密贴合，在漏斗的上下沿间、漏斗外壁和粉筒内壁包裹形成一封闭空腔。

各实施例中使用的激光增材制造为激光熔覆装置，该装置为西安中科中美有限公司生产的ZKZM-4000激光熔覆产品，包括光线耦合半导体激光器、冷水机、熔覆头、送粉器等部件。

各实施例所用激光熔覆粉末的配方如下表1所示(质量百分数)：

表1

	实施例1	实施例2	实施例3
				Co	25±2%	20±2%	20±2%
Fe	25±2%	20±2%	20±2%
				Cr	25±2%	20±2%	20±2%
Ni	25±2%	20±2%	20±2%
				Al	0%	20±2%	20±2%

实施例1-3中均采用单组元纯金属粉末作为原料，粉末纯度≥99%，粉末颗粒尺寸区间为25-150μm，球形度≥50%。

实施例1-2

实施例1和实施例2中采用行星式高能球磨机，设定自转300r/min，公转100min。实施例1球磨时间为10h，实施例2球磨时间为5h，将上表中各单组元金属粉进行球磨混合，最后得到的高熵合金粉末，形貌分别如附图5及附图6。

上述高熵合金粉末使用前进行预处理：在熔覆前烘干，烘干温度为100-150℃，烘干时间为2-3h。

实施例1及实施例2中，在ZKZM-4000激光熔覆装置的送粉器上安装如附图1-4的辅助振动装置：1）两个半圆型金属主体框架通过固定铰链与可调螺丝连接固定于激光熔覆装置送粉器的粉筒外侧并贴合粉筒的外壁2）将功率可调的小功率超声波换能器放置并固定在超声波换能器固定端口内，机械转子震动电机安置于震动电机固定端口、将用于给超声波换能器和机械转子震动电机供电的移动电源-控制器集成模块安装在半圆型金属主体框架上；3）将弧形共振空腔薄壁金属漏斗依靠漏斗自身弹性嵌入固定于粉筒内壁上，在漏斗的上下沿间、漏斗外壁和粉筒内壁包裹形成一封闭空腔。

然后进行熔覆基体的预处理：用打磨机和砂纸打磨工件表面，去除表面氧化层；并用无水酒精或丙酮对纯工件表面进行清洁，获得表面清洁的工件表面。

安装好熔覆基体、预处理好的高熵合金粉末添加至粉筒。

进行熔覆：依据激光扫描速率、激光光斑尺寸和激光功率与熔覆粉末的匹配关系，选定合适的激光功率和熔覆扫描速率，以及对应的较为合适的搭接率、粉盘转速与氩气流量。具体参数如下表2所示。设定好熔覆参数后，启动熔覆装置以及辅助振动装置，开始进行熔覆，最后获得高熵合金层。

实施例3:

实施例3中直接使用各单组元金属粉，在进行激光熔覆时，没有使用辅助振动装置，而是采用五个完全一致的激光熔覆用同步式送粉器，直接输送各单组元纯金属粉末至激光熔覆头区域，通过单组元纯金属粉末在激光下的快速融化在同一熔池中冷却以获得高熵合金层。

本实施例的粉末预处理、熔覆基体的预处理与实施例1、2采用了一样的工艺及参数，熔覆过程的工艺参数如表2.

表2

	实施例1	实施例2	实施例3
				球磨时间	10h	5h	未进行高能球磨混合
激光功率	2400W	2400W	2400W
				扫描速率	80mm/s	80mm/s	80mm/s
搭接率	85%	85%	85%
				送粉速度	1.8 g/min	2.0 g/min	(0.4*5) g/min
氩气流量	20 L/min	20 L/min	20 L/min

基于上述工艺步骤和参数设置，实施例1、2获得的高熵合金熔覆层的金相分别如图7、8所示，通过金相实验证明得到无裂纹和气孔的冶金质量良好的熔覆层。实施例1和实施例2覆层致密度和均匀性都非常理想，这表明通过球磨法制备得到的高熵合金粉末均匀性很好，且证明了本发明的辅助振动装置能使普通送粉器正常且相当稳定地输送低流动性粉末，实现了低流动性粉末的正常熔覆，这为有效加快高熵合金在激光增材制造领域相关研究进度提供强有力的设备支持。

对比实施例2和实施例3，可以发现实施例3由于没有采用高能球磨对单组元纯金属粉末作充分混合处理，而是通过五个完全一致的激光熔覆用同步式送粉器，直接输送单组元纯金属粉末至激光熔覆头区域，导致实施例3得到的高熵合金覆层出现明显的不均匀现象，继而产生宏观裂纹等显著缺陷，如图9所示。充分证明了在激光增材制造中使用本发明制备得到的高熵合金具有相比于传统多筒同步送粉等方法更显著的均匀性优势。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种辅助振动装置，其特征在于，所述辅助振动装置包括：

两个半圆型金属主体框架、联结固定两个半圆型金属主体框架的连接件；

金属主体框架外周壁上设置的超声波换能器固定端口、震动电机固定端口、用于给超声波换能器和机械转子震动电机供电的移动电源-控制器集成模块、放置并固定在超声波换能器固定端口内的小功率超声波换能器、置放于震动电机固定端口的机械转子震动电机、以及用来调节超声波换能器和机械转子震动电机的振动幅度和频率的旋钮式振动调节器；

所述辅助振动装置还包括：一薄壁金属漏斗，所述薄壁金属漏斗的薄壁壁面采用弧形设计，薄壁金属漏斗的薄壁厚度为0.2~0.5mm。

2.一种送粉式激光增材制造高熵合金的方法，其特征在于，应用球磨高熵合金粉末为原料，包括步骤：

1）利用高能球磨机对各单组元金属粉末进行球磨混合，使球磨粉末成分分布均匀，得到所述高熵合金粉末；

2）将根据权利要求1所述的辅助振动装置安装在激光增材制造用的送粉器上，安装方法为：a）用连接件将两个半圆型金属主体框架围绕固定在送粉器的粉筒外侧，使得两个半圆型金属主体框架的内壁紧贴粉筒外侧壁；b）将小功率超声波换能器放置并固定在超声波换能器固定端口内，机械转子震动电机安置于震动电机固定端口、将用于给超声波换能器和机械转子震动电机供电的移动电源-控制器集成模块安装在半圆型金属主体框架上；c）将薄壁金属漏斗固定于粉筒内壁上，由于漏斗的薄壁壁面采用弧形设计，仅漏斗的上沿和下沿与粉筒内壁紧密贴合，在漏斗的上下沿间、漏斗外壁和粉筒内壁包裹形成一封闭空腔；

3）将步骤1）的高熵合金粉末进行烘干预处理，处理好的高熵合金粉末添加至粉筒；

4）做好激光增材制造设备的工艺前准备，之后启动激光增材制造设备，同时启动所述辅助振动装置进行激光增材制造，最后制得高熵合金层。

3.根据权利要求2的一种送粉式激光增材制造高熵合金的方法，其特征在于：所述激光增材制造指通过激光熔覆制备所述高熵合金层。

4.根据权利要求3的一种送粉式激光增材制造高熵合金的方法，其特征在于：所述激光增材制造设备指采用送粉式的激光熔覆装置。

Images