CN113084168A - 一种激光熔化沉积成形超声工作台 - Google Patents

一种激光熔化沉积成形超声工作台 Download PDF

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Abstract

一种激光熔化沉积成形超声工作台，涉及激光熔化沉积成形超声工作台。目的是消除激光熔化沉积方法制备的金属材料力学性能各向异性的问题。工作台由工作台箱体、数个红外线加热器、数个升降台和超声振子构成；第一冷却水箱、半导体制冷片、冷却板和第二冷却水箱设置在工作台箱体内，每个升降台上均设置有红外线加热器。本发明利用高强度超声对激光熔化沉积过程中的柱状凝固组织进行破碎，降低了材料性能的各向异性特征。同时，采用可升降的红外线加热管对基板和沉积材料进行实时加热，减小了成形过程中材料内部温度梯度，降低了成形材料内部残余应力，提高了材料的力学性能。本发明适用于金属材料激光熔化沉积成形。

Description

一种激光熔化沉积成形超声工作台
技术领域
本发明涉及一种激光熔化沉积成形超声工作台。
背景技术
激光熔化沉积技术作为一种先进的金属材料成形方式，以金属粉末为原材料，采用特制的喷头将高能激光束与金属粉末同步喷射在成形基板表面，高能激光束产生的高温在极短的时间内熔化金属粉末，熔化的金属粉末在成形基板表面铺展、凝固，在此过程中喷头在计算机控制下按照预设扫描路径以一定速度进行移动，即可完成金属零件的成形。然而，采用激光熔化沉积方法成形的金属材料内部沿构筑方向存在大量长条状柱状晶，这些定向排列的柱状晶使得金属材料表现出强织构现象，材料力学性能存在明显的各向异性特征，这种现象的存在使得金属材料的应用受到极大的限制。
针对上述现状，亟需从金属组织方面着手，调整激光熔化沉积成形金属材料内部显微组织，避免形成大量定向生长的长条状柱状晶。
发明内容
本发明为了解决现有的激光熔化沉积方法制备的金属材料内会形成大量定向排列的柱状晶造成材料力学性存在明显的各向异性的问题，提出一种激光熔化沉积成形超声工作台。
本发明激光熔化沉积成形超声工作台由工作台箱体、数个红外线加热器、数个升降台和超声振子构成；升降台由内筒、中筒和外筒构成，内筒、中筒和外筒均为矩形筒，内筒设置在中筒内，中筒设置在外筒内；中筒内壁固接有两个对称设置的第一步进电机，第一步进电机的动力输出轴上设置有第一齿轮，内筒的外壁上设置有两个对称的竖向的第一齿条，第一齿轮与第一齿条啮合，外筒内壁固接有两个对称设置的第二步进电机，第二步进电机的动力输出轴上设置有第二齿轮，中筒的外壁上设置有两个对称设置的竖向的第二齿条，第二齿轮与第二齿条啮合；红外线加热器由壳体和数个红外线加热管构成，壳体的一个侧面为敞口，数个红外线加热管水平设置在壳体内；超声振子由超声波换能器、变幅杆、隔热块和测温探头固定块构成；超声波换能器上端与变幅杆下端为螺纹连接，变幅杆上端与隔热块下端为螺纹连接，隔热块上端与测温探头固定块下端为螺纹连接，测温探头固定块上端设置有成形基板，测温探头固定块上端与成形基板下端为螺纹连接；测温探头固定块上端中心设置有第一温度测量探头，第一温度测量探头的感应端设置在成形基板下端面的用于连接测温探头固定块的螺纹孔内；变幅杆下部的外壁上设置有第二温度测量探头；变幅杆的上端部外表面设置有环形凸缘，变幅杆内设置有螺旋通道，变幅杆的侧壁上设置有与螺旋通道进液口连通的第一冷却水箱出水管，变幅杆的侧壁上设置有与螺旋通道出液口连通的第一冷却水箱回水管；冷却板为中空平板，冷却板内设置有制冷液循环管；第一冷却水箱、半导体制冷片、冷却板和第二冷却水箱设置在工作台箱体内，半导体制冷片水平设置在冷却板的上表面，第一冷却水箱设置在半导体制冷片的上表面，半导体制冷片的吸热面朝向第一冷却水箱的下表面且紧密接触，半导体制冷片的放热面朝向冷却板的上表面且紧密接触；冷却板上的制冷液循环管的进水口与第二冷却水箱出水管的出水口连接，冷却板上的制冷液循环管的出水口与第二冷却水箱回水管的进水口连接，第二冷却水箱回水管出水口与第二冷却水箱的进水口连接，第二冷却水箱出水管的进水口与第二冷却水箱的出水口连接；第一冷却水箱出水管与第一冷却水箱的出水口连接，第一冷却水箱回水管与第一冷却水箱的进水口连接；工作台箱体上表面开有阶梯孔，超声振子上的环形凸缘设置在阶梯孔内，超声波换能器和变幅杆设置在工作台箱体内部，数个升降台均匀分布在环形凸缘上表面，每个升降台上均设置有红外线加热器，红外线加热器的敞口侧朝向成形基板。
本发明具备以下有益效果：
本发明通过在成形基板周围设置可升降的红外线加热管，对基板和沉积制品进行加热，极大地减小了沉积过程中沉积材料在构筑方向上的温度梯度，降低了成形材料内部残余应力，提高了材料的各项性能。
本发明实现了超声场环境下金属激光熔化沉积成形，利用高强度超声对沉积过程中的凝固组织进行破碎，细化了晶粒，提高了材料的力学性能，同时，借助高强度超声对凝固枝晶的破碎作用，抑制了沉积过程中柱状晶的形成，降低了材料性能的各向异性特征，提高了成形材料的工程应用价值。
附图说明
图1为激光熔化沉积成形超声工作台的结构示意图；
图2为超声振子5的结构示意图；
图3为升降台3的竖直向剖面图；
图4为升降台3的水平向剖面图；
图5为红外线加热器4的分布图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式激光熔化沉积成形超声工作台由工作台箱体1、数个红外线加热器4、数个升降台3和超声振子5构成；
升降台3由内筒31、中筒32和外筒33构成，内筒31、中筒32和外筒33均为矩形筒，内筒31设置在中筒32内，中筒32设置在外筒33内；中筒32内壁固接有两个对称设置的第一步进电机36，第一步进电机36的动力输出轴上设置有第一齿轮35，内筒31的外壁上设置有两个对称的竖向的第一齿条34，第一齿轮35与第一齿条34啮合，外筒33内壁固接有两个对称设置的第二步进电机37，第二步进电机37的动力输出轴上设置有第二齿轮38，中筒32的外壁上设置有两个对称设置的竖向的第二齿条39，第二齿轮38与第二齿条39啮合；红外线加热器4由壳体41和数个红外线加热管42构成，壳体41的一个侧面为敞口，数个红外线加热管42水平设置在壳体41内；超声振子5由超声波换能器50、变幅杆51、隔热块53和测温探头固定块54构成；超声波换能器50上端与变幅杆51下端为螺纹连接，变幅杆51上端与隔热块53下端为螺纹连接，隔热块53上端与测温探头固定块54下端为螺纹连接，测温探头固定块54上端设置有成形基板56，测温探头固定块54上端与成形基板56下端为螺纹连接；测温探头固定块54上端中心设置有第一温度测量探头55，第一温度测量探头55的感应端设置在成形基板56下端面的用于连接测温探头固定块54的螺纹孔内；变幅杆51下部的外壁上设置有第二温度测量探头58；变幅杆51的上端部外表面设置有环形凸缘52，变幅杆51内设置有螺旋通道57，变幅杆51的侧壁上设置有与螺旋通道57进液口连通的第一冷却水箱出水管14，变幅杆51的侧壁上设置有与螺旋通道57出液口连通的第一冷却水箱回水管13；冷却板8为中空平板，冷却板8内设置有制冷液循环管；第一冷却水箱6、半导体制冷片7、冷却板8和第二冷却水箱9设置在工作台箱体1内，半导体制冷片7水平设置在冷却板8的上表面，第一冷却水箱6设置在半导体制冷片7的上表面，半导体制冷片7的吸热面朝向第一冷却水箱6的下表面且紧密接触，半导体制冷片7的放热面朝向冷却板8的上表面且紧密接触；冷却板8上的制冷液循环管的进水口与第二冷却水箱出水管10的出水口连接，冷却板8上的制冷液循环管的出水口与第二冷却水箱回水管12的进水口连接，第二冷却水箱回水管12出水口与第二冷却水箱9的进水口连接，第二冷却水箱出水管10的进水口与第二冷却水箱9的出水口连接；第一冷却水箱出水管14与第一冷却水箱6的出水口连接，第一冷却水箱回水管13与第一冷却水箱6的进水口连接；工作台箱体1上表面开有阶梯孔，超声振子5上的环形凸缘52设置在阶梯孔内，超声波换能器50和变幅杆51设置在工作台箱体1内部，数个升降台3均匀分布在环形凸缘52上表面，每个升降台3上均设置有红外线加热器4，红外线加热器4的敞口侧朝向成形基板56。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式通过在成形基板周围设置可升降的红外线加热管，对基板和沉积制品进行加热，极大地减小了沉积过程中沉积材料在构筑方向上的温度梯度，降低了成形材料内部残余应力，提高了材料的各项性能。本实施方式实现了超声场环境下金属激光熔化沉积成形，利用高强度超声对沉积过程中的凝固组织进行破碎，细化了晶粒，提高了材料的力学性能，同时，借助高强度超声对凝固枝晶的破碎作用，抑制了沉积过程中柱状晶的形成，降低了材料性能的各向异性特征，提高了成形材料的工程应用价值。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第一齿轮35的两个端面上、以及第二齿轮38的两个端面上分别设置有定位挡板30，定位挡板30为圆形，定位挡板30的外径大于第一齿轮35的外径和第二齿轮38的外径。
具体实施方式三：本实施方式与体实施一或二不同的是：所述数个红外线加热管42排列成竖向的阵列。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述第二冷却水箱回水管12上设置有第一循环泵11。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述第一冷却水箱回水管13上设置有第二循环泵15。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述工作台箱体1的侧壁内表面设置有隔热层2。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述3个升降台3均匀分布在环形凸缘52上表面，每个升降台3上均设置有红外线加热器4，红外线加热器4的敞口侧朝向成形基板56。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：红外线加热管42的数量为4个。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：升降台3的数量为3个。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：红外线加热器4的数量为3个。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：红外线加热器4的敞口为长方形。
实施例1：
结合图1～5说明，本实施例激光熔化沉积成形超声工作台由工作台箱体1、数个红外线加热器4、数个升降台3和超声振子5构成；
升降台3由内筒31、中筒32和外筒33构成，内筒31、中筒32和外筒33均为矩形筒，内筒31设置在中筒32内，中筒32设置在外筒33内；中筒32内壁固接有两个对称设置的第一步进电机36，第一步进电机36的动力输出轴上设置有第一齿轮35，内筒31的外壁上设置有两个对称的竖向的第一齿条34，第一齿轮35与第一齿条34啮合，外筒33内壁固接有两个对称设置的第二步进电机37，第二步进电机37的动力输出轴上设置有第二齿轮38，中筒32的外壁上设置有两个对称设置的竖向的第二齿条39，第二齿轮38与第二齿条39啮合；红外线加热器4由壳体41和数个红外线加热管42构成，壳体41的一个侧面为敞口，数个红外线加热管42水平设置在壳体41内；超声振子5由超声波换能器50、变幅杆51、隔热块53和测温探头固定块54构成；超声波换能器50上端与变幅杆51下端为螺纹连接，变幅杆51上端与隔热块53下端为螺纹连接，隔热块53上端与测温探头固定块54下端为螺纹连接，测温探头固定块54上端设置有成形基板56，测温探头固定块54上端与成形基板56下端为螺纹连接；测温探头固定块54上端中心设置有第一温度测量探头55，第一温度测量探头55的感应端设置在成形基板56下端面的用于连接测温探头固定块54的螺纹孔内；变幅杆51下部的外壁上设置有第二温度测量探头58；变幅杆51的上端部外表面设置有环形凸缘52，变幅杆51内设置有螺旋通道57，变幅杆51的侧壁上设置有与螺旋通道57进液口连通的第一冷却水箱出水管14，变幅杆51的侧壁上设置有与螺旋通道57出液口连通的第一冷却水箱回水管13；冷却板8为中空平板，冷却板8内设置有制冷液循环管；第一冷却水箱6、半导体制冷片7、冷却板8和第二冷却水箱9设置在工作台箱体1内，半导体制冷片7水平设置在冷却板8的上表面，第一冷却水箱6设置在半导体制冷片7的上表面，半导体制冷片7的吸热面朝向第一冷却水箱6的下表面且紧密接触，半导体制冷片7的放热面朝向冷却板8的上表面且紧密接触；冷却板8上的制冷液循环管的进水口与第二冷却水箱出水管10的出水口连接，冷却板8上的制冷液循环管的出水口与第二冷却水箱回水管12的进水口连接，第二冷却水箱回水管12出水口与第二冷却水箱9的进水口连接，第二冷却水箱出水管10的进水口与第二冷却水箱9的出水口连接；第一冷却水箱出水管14与第一冷却水箱6的出水口连接，第一冷却水箱回水管13与第一冷却水箱6的进水口连接；工作台箱体1上表面开有阶梯孔，超声振子5上的环形凸缘52设置在阶梯孔内，超声波换能器50和变幅杆51设置在工作台箱体1内部，数个升降台3均匀分布在环形凸缘52上表面，每个升降台3上均设置有红外线加热器4，红外线加热器4的敞口侧朝向成形基板56；
所述第一齿轮35的两个端面上、以及第二齿轮38的两个端面上分别设置有定位挡板30，定位挡板30为圆形，定位挡板30的外径大于第一齿轮35的外径和第二齿轮38的外径；
所述数个红外线加热管42排列成竖向的阵列；
所述第二冷却水箱回水管12上设置有第一循环泵11；
所述第一冷却水箱回水管13上设置有第二循环泵15；
所述工作台箱体1的侧壁内表面设置有隔热层2；
所述3个升降台3均匀分布在环形凸缘52上表面，每个升降台3上均设置有红外线加热器4，红外线加热器4的敞口侧朝向成形基板56；
红外线加热管42的数量为4个；
升降台3的数量为3个；
红外线加热器4的数量为3个。
本实施例通过在成形基板周围设置可升降的红外线加热管，对基板和沉积制品进行加热，极大地减小了沉积过程中沉积材料在构筑方向上的温度梯度，降低了成形材料内部残余应力，提高了材料的各项性能。本实施例实现了超声场环境下金属激光熔化沉积成形，利用高强度超声对沉积过程中的凝固组织进行破碎，细化了晶粒，提高了材料的力学性能，同时，借助高强度超声对凝固枝晶的破碎作用，抑制了沉积过程中柱状晶的形成，降低了材料性能的各向异性特征，提高了成形材料的工程应用价值。

Claims (11)

1.一种激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：激光熔化沉积成形超声工作台由工作台箱体(1)、数个红外线加热器(4)、数个升降台(3)和超声振子(5)构成；
升降台(3)由内筒(31)、中筒(32)和外筒(33)构成，内筒(31)、中筒(32)和外筒(33)均为矩形筒，内筒(31)设置在中筒(32)内，中筒(32)设置在外筒(33)内；中筒(32)内壁固接有两个对称设置的第一步进电机(36)，第一步进电机(36)的动力输出轴上设置有第一齿轮(35)，内筒(31)的外壁上设置有两个对称的竖向的第一齿条(34)，第一齿轮(35)与第一齿条(34)啮合，外筒(33)内壁固接有两个对称设置的第二步进电机(37)，第二步进电机(37)的动力输出轴上设置有第二齿轮(38)，中筒(32)的外壁上设置有两个对称设置的竖向的第二齿条(39)，第二齿轮(38)与第二齿条(39)啮合；红外线加热器(4)由壳体(41)和数个红外线加热管(42)构成，壳体(41)的一个侧面为敞口，数个红外线加热管(42)水平设置在壳体(41)内；超声振子(5)由超声波换能器(50)、变幅杆(51)、隔热块(53)和测温探头固定块(54)构成；超声波换能器(50)上端与变幅杆(51)下端为螺纹连接，变幅杆(51)上端与隔热块(53)下端为螺纹连接，隔热块(53)上端与测温探头固定块(54)下端为螺纹连接，测温探头固定块(54)上端设置有成形基板(56)，测温探头固定块(54)上端与成形基板(56)下端为螺纹连接；测温探头固定块(54)上端中心设置有第一温度测量探头(55)，第一温度测量探头(55)的感应端设置在成形基板(56)下端面的用于连接测温探头固定块(54)的螺纹孔内；变幅杆(51)下部的外壁上设置有第二温度测量探头(58)；变幅杆(51)的上端部外表面设置有环形凸缘(52)，变幅杆(51)内设置有螺旋通道(57)，变幅杆(51)的侧壁上设置有与螺旋通道(57)进液口连通的第一冷却水箱出水管(14)，变幅杆(51)的侧壁上设置有与螺旋通道(57)出液口连通的第一冷却水箱回水管(13)；冷却板(8)为中空平板，冷却板(8)内设置有制冷液循环管；第一冷却水箱(6)、半导体制冷片(7)、冷却板(8)和第二冷却水箱(9)设置在工作台箱体(1)内，半导体制冷片(7)水平设置在冷却板(8)的上表面，第一冷却水箱(6)设置在半导体制冷片(7)的上表面，半导体制冷片(7)的吸热面朝向第一冷却水箱(6)的下表面且紧密接触，半导体制冷片(7)的放热面朝向冷却板(8)的上表面且紧密接触；冷却板(8)上的制冷液循环管的进水口与第二冷却水箱出水管(10)的出水口连接，冷却板(8)上的制冷液循环管的出水口与第二冷却水箱回水管(12)的进水口连接，第二冷却水箱回水管(12)出水口与第二冷却水箱(9)的进水口连接，第二冷却水箱出水管(10)的进水口与第二冷却水箱(9)的出水口连接；第一冷却水箱出水管(14)与第一冷却水箱(6)的出水口连接，第一冷却水箱回水管(13)与第一冷却水箱(6)的进水口连接；工作台箱体(1)上表面开有阶梯孔，超声振子(5)上的环形凸缘(52)设置在阶梯孔内，超声波换能器(50)和变幅杆(51)设置在工作台箱体(1)内部，数个升降台(3)均匀分布在环形凸缘(52)上表面，每个升降台(3)上均设置有红外线加热器(4)，红外线加热器(4)的敞口侧朝向成形基板(56)。
2.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：所述第一齿轮(35)的两个端面上、以及第二齿轮(38)的两个端面上分别设置有定位挡板(30)，定位挡板(30)为圆形，定位挡板(30)的外径大于第一齿轮(35)的外径和第二齿轮(38)的外径。
3.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：所述数个红外线加热管(42)排列成竖向的阵列。
4.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：所述第二冷却水箱回水管(12)上设置有第一循环泵(11)。
5.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：所述第一冷却水箱回水管(13)上设置有第二循环泵(15)。
6.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：所述工作台箱体(1)的侧壁内表面设置有隔热层(2)。
7.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：所述3个升降台(3)均匀分布在环形凸缘(52)上表面，每个升降台(3)上均设置有红外线加热器(4)，红外线加热器(4)的敞口侧朝向成形基板(56)。
8.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：红外线加热管(42)的数量为4个。
9.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：升降台(3)的数量为3个。
10.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：红外线加热器(4)的数量为3个。
11.根据权利要求1所述的激光熔化沉积成形超声工作台，其特征在于：红外线加热器(4)的敞口为长方形。
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