CN113355669A - 一种金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，包括与激光头同步运动的送粉嘴，送粉嘴的外侧套设有固定于激光头上的送粉装置外壳，送粉装置外壳与送粉嘴之间设置有弹簧和音圈马达，且弹簧和音圈马达对称分布于送粉嘴的两侧；音圈马达的底座固定在送粉装置外壳的内侧壁上，音圈马达的动作机构与送粉嘴连接；音圈马达的数量不少于两个，至少有一个控制X方向，至少有一个控制Y方向，通过电信号控制音圈马达的振动频率及振幅。采用音圈马达这一辅助设备对送粉嘴进行驱动，进而形成超高水平初速的目的，保证颗粒存在平行于构件平面的切向速度，从而使得不同颗粒位于熔池的不同位置。

Description

一种金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术领域，特别是涉及一种金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置。
背景技术
金属基复合材料的开发和应用目前已成为高性能服役装备关键构件的一个核心技术。不同金属基复合材料，由于不同的母材、增强相特性，可展现出截然不同的特点，在结构承力构件和功能构件中均可应用。金属基复合材料必然包括金属基体和增强相两种物质，由于金属基体的性能往往已经比较优秀，增强相的性能指标必须更加突出，常常以陶瓷、碳纤维、纳米晶体等为增强相。由于增强相多为非晶体，与基体的物理性能参数差异巨大，其加工和连接均存在较大的挑战，尤其是大型结构的连接技术，国内尚无非常可靠的工艺方法。
因此，采用一次整体成形金属基复合材料大型构件成为了新的金属基复合材料应用思路。金属基复合材料的3D打印技术，是目前最可靠的一次成形技术。然而，金属基复合材料组成复杂，尤其是增强相的分布及其与基体之间的连接界面必须严格控制，也就给增强相颗粒的送入和混合提出了技术挑战。
在常规的送份激光3D打印中，粉材可在保证良好送出的前提下，保证速度在一定的可控范围即可。金属基复合材料3D打印中，增强相颗粒必须送入熔池底部。考虑到丝、粉、母材三元体系的3D打印工况环境非常复杂，增强相颗粒必须具备极高的初速度方可实现抵达熔池底部的目的。由于3D打印过程中激光束的运动速度有限，熔池虽然存在紊流，但速度也较低，颗粒非常容易被凝固前沿捕捉(凝固的糊状区)，因此颗粒在熔池中无法均匀分布。
为了解决这一问题，从根本上均匀化颗粒相分布，必须在保证颗粒极高初速度的前提下，附加一个平行于工件上表面的切向初速度，方可保证增强相颗粒在进入熔池后可以充分运动，进而形成良好混合的最终效果。目前常用的运动控制方式对于增强相颗粒极快加速的能力均难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，以解决上述现有技术存在的问题，采用音圈马达这一辅助设备对送粉嘴进行驱动，进而形成超高水平初速的目的，保证颗粒存在平行于构件平面的切向速度，从而使得不同颗粒位于熔池的不同位置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，包括与激光头同步运动的送粉嘴，所述送粉嘴的外侧套设有固定于激光头上的送粉装置外壳，所述送粉装置外壳与送粉嘴之间设置有弹簧和音圈马达，且所述弹簧和音圈马达分布于送粉嘴的两侧；所述音圈马达的底座固定在所述送粉装置外壳的内侧壁上，音圈马达的动作机构与送粉嘴连接；所述音圈马达的数量不少于两个，至少有一个控制X方向，至少有一个控制Y方向，通过电信号控制所述音圈马达的振动频率及振幅。
优选地，所述送粉装置外壳采用圆形套筒制成。
优选地，所述送粉嘴的外周设置有减震瓦片。
优选地，所述弹簧的一端连接于所述送粉装置外壳的内侧壁，另一端连接于所述送粉嘴外侧的减震瓦片上。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明中的金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，可实现完全穿透熔池，且均匀分布的增强相颗粒送入机构，实际上，由于音圈马达可实现非常高速的微振动，对于不同深度的熔池，仅需要增加母材上表面法向方向的增强相颗粒初速度即可，因此该装置均有极大的普适性；
2、实现了对送粉嘴的高频运动，与颗粒增强相送出的速度相耦合。
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为增强相颗粒送入机构示意图；
图2为送粉嘴及送粉装置外壳内部构成示意图；
其中，1送粉嘴；2减震瓦片；3送粉装置外壳；4弹簧；5音圈马达；6送丝嘴；7激光头；8熔覆层；A熔覆方向。
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金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，以解决上述现有技术存在的问题，采用音圈马达这一辅助设备对送粉嘴进行驱动，进而形成超高水平初速的目的，保证颗粒存在平行于构件平面的切向速度，从而使得不同颗粒位于熔池的不同位置。
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。
本实施例提供一种金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，图1是增强相颗粒送入机构示意图，激光头7居中设置，送丝嘴6及送粉嘴1分别置于激光头7两侧。实现丝材及增强相颗粒送入时，送丝嘴6及送粉嘴1与激光头7同步运动，激光作用于丝材使其熔化形成熔池，作为金属基复合材料的基体，送粉嘴1需在保证与熔池同步运动的整体状态下，通过自己的微振动实现粉材的可控送入。在送粉装置外壳3内部，采用一个可实现高速运动的音圈马达5作为送粉嘴1的驱动机构，送粉嘴1连接在该马达上，通过高频/超高频微振动的方式保证送粉嘴1在小范围内做高速X、Y轴平面运动。
具体地，如图2是送粉嘴1及送粉装置外壳3内部构成示意图，当送粉嘴1运动时，可以通过对音圈马达5的运动频率进行调整而控制送粉嘴1的运动轨迹，送粉嘴1与熔池之间的相对运动可以存在正弦、圆形两种形式。送粉装置外壳3由一个固定于激光头7的圆形套筒组成，该部件为内部各部件提供支撑、固定、冷却和保护作用。弹簧4的一端连接送粉装置外壳3，一端连接送粉嘴1。该弹簧4与音圈马达5共同作用于送粉嘴1。
常态下，送粉嘴1与送粉装置外壳3相对位置保持不动，当音圈马达5超高频振动时，弹簧4为送粉嘴1超高频振动提供辅助作用力，降低送粉嘴1振动的响应时间。音圈马达5的底座固定于送粉装置外壳3上，音圈马达5的动作机构与送粉嘴1连接，其能产生频率为500-2000Hz的振动，振幅在0-500μm之间。常态下，音圈马达5与弹簧4共同作用于送粉嘴1，保证送粉装置外壳3与送粉嘴1相对位置保持不动；给音圈马达5特定电信号时，该模块能按照指令给光纤施加频率为500-2000Hz的振动，振幅在0-500μm之间的周期振动。音圈马达5的数量不少于2个，其中至少有一个控制X方向，至少有一个控制Y方向，两个或以上的模块共同作用于送粉嘴1，使其能在焦平面内以任意轨迹超高频运动。
现有的金属基复合材料3D打印方法包括：激光混粉3D打印，常规激光粉、丝共送3D打印。
激光混粉3D打印由于没有焊丝的加入，完全通过粉末形成基材和增强相，但是由于颗粒之间的物理化学反应剧烈，界面金属间化合物多发；同时混粉3D打印的致密度一直是困扰该技术的关键，与常规的单一粉材激光3D打印的致密度存在较大差距，难以同锻件性能相比。激光混粉3D打印相比，由于本发明中仍采用了丝材作为金属复合材料母材，与增强相颗粒之间的化学反应相对较弱，不易产生大量的金属间化合物，且形成的打印后构件致密性良好，与3D打印差距明显。
常规激光粉、丝共送3D打印存在一个明显的矛盾，即粉末初速度较小则无法穿透熔池，粉末初速度高则无法在熔池中均匀分布，这一矛盾导致无论如何，粉材在打印材料中均存在偏析，这种含量偏析造成打印构件的性能波动极大，无法适应要求。与常规激光粉、丝共送3D打印相比，由于在本发明中采用了高速运动控制机构实现了送粉嘴1的高速运动，与熔池之间的水平相对速度会导致粉末更加好的被熔池捕捉，同时实现空间上的均布，由于该机构的运动速度非常快，即便增加更大的初速度，也能够实现粉末与熔池的良好结合。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
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 (4)

1.一种金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，其特征在于：包括与激光头同步运动的送粉嘴，所述送粉嘴的外侧套设有固定于激光头上的送粉装置外壳，所述送粉装置外壳与送粉嘴之间设置有弹簧和音圈马达，且所述弹簧和音圈马达对称分布于送粉嘴的两侧；所述音圈马达的底座固定在所述送粉装置外壳的内侧壁上，音圈马达的动作机构与送粉嘴连接，通过电信号控制所述音圈马达的振动频率及振幅；所述音圈马达的数量不少于两个，且音圈马达中至少有一个控制X方向振动，至少有一个控制Y方向振动。
2.根据权利要求1所述的金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，其特征在于：所述送粉装置外壳采用圆形套筒制成。
3.根据权利要求1所述的金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，其特征在于：所述送粉嘴的外周设置有减震瓦片。
4.根据权利要求3所述的金属基复合材料成形中的超高速增强相颗粒均布装置，其特征在于：所述弹簧的一端连接于所述送粉装置外壳的内侧壁上，另一端连接于所述送粉嘴外侧的减震瓦片上。
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