CN114226729B - 粉末流体热塑化喷射成形装置、复合成形系统及方法 - Google Patents

粉末流体热塑化喷射成形装置、复合成形系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种粉末流体热塑化喷射成形装置，该装置包括：依次连接的空气单元、粉末单元、加速管段以及激光单元，空气单元产生压缩气体，该压缩气体带动粉末单元中的功能性粉末进入加速管段并在加速管段的拉瓦尔管内增速至超音速；激光单元套设于加速管段的直管段外，直管段内的流体在激光光束的照射下被加热塑化，进而在增材制造装置成形零件的过程中对零件进行撞击形成功能性涂层。另外，还提供了一种基于该粉末流体热塑化喷射成形装置的复合成形系统及复合成形方法。本申请极大的提高了零件的性能，同时提高了强化效率，缩短了零件表面强化的周期。

Description

粉末流体热塑化喷射成形装置、复合成形系统及方法
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种粉末流体热塑化喷射成形装置、复合成形系统及方法。
背景技术
复合增材制造均以增材制造为主体工艺，在零件制造过程中采用一种或多种辅助工艺与增材制造工艺耦合协同工作，使工艺、零件性能得以改进，目前复合增材制造技术主要有：基于机加工的复合增材制造技术、基于激光辅助的复合增材制造技术、基于喷丸的复合增材制造技术、基于轧制的复合增材制造技术以及激光锻造复合增材制造技术。
其中，基于机加工的复合增材制造技术又称为增减材制造，其涉及增材制造与材料去除工艺的耦合，在这类耦合工艺的制造过程中，增材制造工艺每完成若干层制造后，辅助工艺对零件表面或侧面进行机加工，循环交替直至完成零件制造，如此，增材制造工艺完成零件逐层制造，辅助工艺保证零件尺寸精度，可共同完成具有复杂形状和内部特征且成形精度高的零件。
基于激光辅助的复合增材制造技术涉及使用激光束对沉积材料进行辅助加工，具体辅助工艺包括激光烧蚀、激光重熔以及激光辅助等离子弧沉积等。激光烧蚀与机加工的效果类似，通过去除材料获得平整的沉积层表面；激光重熔是利用激光作为热源使沉积材料再次熔化并凝固，从而填充沉积层存在的孔隙以提高零件致密度，与激光烧蚀、激光重熔工艺相比，激光辅助等离子弧沉积中的激光束并不直接作用于材料，而是为等离子弧沉积提供更多的热能小弧直径，在更集中、能量密度更高的等离子弧加热下产生更深的熔池，进而细化零件晶粒，使孔隙率得以降低。
喷丸和增材制造相耦合的复合增材制造技术是一个未被广泛和深入探索研究的领域。喷丸是一种通过在工件表面植入一定深度的残余压应力而提高材料疲劳强度的表面强化工艺，将喷丸与增材制造复合是想通过植入更深、更高幅值的残余应力来提供材料性能。但工艺制造中，由于完成若干层沉积后再进行喷丸强化，其塑性变形小，难以消除沉积层内部的气孔、缩松、微裂纹等缺陷。
基于轧制的复合增材制造技术，华中科技大学张海鸥团队提出了熔积-轧制耦合工艺，在半熔融区利用微型轧辊对高温沉积层进行压缩加工，可减少成形零件表面的阶梯效应，提高成形零件尺寸精度，同时锻压细化了晶粒，提高成形零件的强度。
激光锻造复合增材制造技术是在激光喷丸的基础上提出的新方法，其实质是两束不同功能的激光束同时且相互协调制造金属零件的过程。第一束连续激光进行增材制造，与此同时第二束短脉冲激光对易塑性变形的中高温区进行“锻造”增材制造工艺与激光锻造工艺同步进行，直至完成零件制造。激光锻造使沉积层发生塑性形变，消除了沉积层的气孔和热应力，提高了金属零件的内部质量和力学性能，并有效控制宏观变形与开裂问题。
中国专利申请CN110508809公开了一种增材制造与表面涂覆复合成形系统及方法，该系统包括增材成形装置、激光辅助冷喷涂装置以及工作台，激光辅助冷喷涂装置用于成形过程中对待成形零件内外表面进行涂覆增强处理。激光辅助冷喷涂装置中的高压气体携带粉末在零件表面成形，但该系统中由于气体流速以及加热时间的限制只能涂覆塑性较好的金属粉末，对陶瓷粉末以及硬质合金粉末等无法实现涂覆，且涂覆时间长，涂覆均匀性差，不利于工业化应用。
以上复合增材制造技术都是基于提高当前材料性能或者提高成形件尺寸精度，但当前航空航天、能源动力等行业对零部件的组织性能及表面特性的要求很高，仅仅通过提高金属和合金材料的性能依然达不到其性能要求，因此，亟需寻求一种新的复合增材制造技术来解决航空航天、能源动力领域零件制备的高性能要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种粉末流体热塑化喷射成形装置、复合成形系统及方法。通过在增材制造装置周围设置粉末流体热塑化喷射成形装置联合进行增材制造，该粉末流体热塑化喷射成形装置中空气单元生成高压气体，进而带动粉末单元中的功能性粉末进入加速管段中进一步增速至超音速，并经过激光单元进行加热塑化最后撞击至待成形零件表面形成强化涂层，极大的提高了复合零件的性能，同时提高了强化效率，缩短了零件表面强化的周期。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种粉末流体热塑化喷射成形装置，所述装置包括：依次连接的空气单元、粉末单元、加速管段以及激光单元，所述粉末单元用于装设功能性粉末，所述空气单元用于压缩气体并将压缩后的气体输入与其连接的粉末单元，进而形成气固两相流，所述加速管段，包括拉瓦尔管段和连接于所述拉瓦尔管段出口段的直管段，所述拉瓦尔管段用于将所述气固两相流增速至超音速，所述激光单元套设于所述直管段外及所述直管段出口的延伸处，用于产生激光光束，以将所述气固两相流中的固体加热塑化。
优选地，所述激光单元的形状与所述直管段的外表面形状匹配。
优选地，所述激光单元为环状结构或锥形结构。
优选地，所述粉末单元包括具有至少一个料筒的送粉器、与所述送粉器电连接的控制器以及搅拌装置，所述料筒的出口处设有阀门，所述料筒用于装设功能性粉末，所述控制器用于控制所述阀门开启的时间进而控制每个料筒输出的功能性粉末的剂量，所述搅拌装置用于搅拌所述功能性粉末。
优选地，所述空气单元包括气体压缩机以及与所述气体压缩机连接的气体干燥机，所述气体压缩机用于压缩气体，所述气体干燥机用于干燥压缩后的气体。
按照本发明的另一个方面，提供了一种复合成形系统，包括增材制造装置，所述系统还包括设于所述增材制造装置周围的粉末流体热塑化喷射成形装置。
优选地，所述系统还包括设于所述增材制造装置周围的微轧制装置以及铣削装置，所述微轧制装置以及铣削装置用于在所述增材制造装置逐层成形零件过程中对待成形零件进行精加工。
按照本发明的再一个方面，提供了一种复合成形方法，所述方法包括：采用所述增材制造装置对零件进行逐层制备，在制备过程中若需要对所述零件的部分位置进行强化，则停止所述增材制造装置并启动所述粉末流体热塑化喷射成形装置以对所述功能性粉末进行加速、加热塑化，进而使功能性粉末撞击待强化位置以形成功能性涂层。
优选地，所述激光单元的激光功率应大于或等于400W。
优选地，所述功能性粉末的粒径为10～55μm；压缩后的所述气体的压力为1.5～3.5Mpa。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种粉末流体热塑化喷射成形装置、复合成形系统及方法至少具有如下有益效果：
1.本申请在增材制造快速成形零件的过程中将粉末流体热塑化喷射成形工艺加入其中，同时实现零件成形和表面强化处理，提供零件复合增材制造和表面强化的效率，极大地缩短了需要表面强化金属零件的增材制造周期；
2.本申请利用粉末流体热塑化喷射成形工艺喷涂具有特殊功能的功能性粉末，利用低温预热，高压气体携带功能性粉末进入缩放型拉瓦尔管形成超音速气-固两相流，以高速撞击成形件，形成功能性涂层，由于为超音速撞击使得涂覆更加牢固，同时显著缩短了涂覆时间，涂覆效率更高；
3.拉瓦尔管后的直管段外套设有激光光束，延长了气固粉末的加热时间，不仅可以使金属粉末加热塑化，还能使陶瓷粉末和硬质合金粉末的加热塑化，显著扩大了适应范围以及涂覆均匀性；
4.粉末流体热塑化喷射成形装置包括套设于所述直管段外及所述直管段出口的延伸处的激光单元，该激光单元可以产生激光光束，该激光光束用于加热功能性粉末，可以提高功能性粉末的塑性，有利于功能性粉末的沉积，为形成致密的功能性涂层创造了好的前提条件，提高后续涂层的耐磨程度；
5.与传统热喷涂制造陶瓷涂层不同，在整个过程中由于喷涂温度低，粒子保持固定状态、不会发生化学反应及相变、不易发生固体粒子长大及氧化现象，在一定程度上弥补了热喷涂形成涂层的气孔率大、涂层残余应力大、对零件的损伤大、涂层与零件结合强度不高、热辐射损伤强等缺陷；
6.本申请同时结合了高能束增材制造装置、粉末流体热塑化喷射成形装置、微轧制装置和铣削装置，可以实现制备的零件能够直接达到使用的要求，无需再进行后续的精加工和表面强化处理，同时可以实现复杂零件和关键部位的强化处理，对航空航天、能源动力等领域的零件制造具有重要指导意义。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的增材制造装置和粉末流体热塑化喷射成形装置的部分装置的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的粉末流体热塑化喷射成形装置的结构示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的微轧制装置的结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的铣削装置的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-增材制造装置；
200-粉末流体热塑化喷射成形装置；
210-空气单元，220-粉末单元，240-加速管段，230-激光单元；
300-微轧制装置；
400-铣削装置；
500-工作台：
510-基板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请在充分利用成形零件在快速增材制造过程时表面的温度较高，此时成形零件的塑性较好，激光光束和环境也对功能性材料粉末和零件有预热作用，由于冷喷涂的沉积机理是粉末和零件之间发生绝热剪切失稳现象，而零件和粉末塑性越好，喷涂速率越高，现象越明显，越容易沉积成形，因此，此时进行喷涂过程，有利于高熔点合金或特殊功能材料粉末的沉积，能够更好地实现特殊功能层与基体层的结合。提高了增材制造和表面强化的效率，开辟了增材制造和复合激光冷喷涂技术制备高强度、高耐磨、高性能零件的新道路。
请参阅图1及图2，本发明提供了一种粉末流体热塑化喷射成形装置，该粉末流体热塑化喷射成形装置200包括依次连接的空气单元210、粉末单元220、加速管段240以及激光单元230。本公开实施例中，空气单元210包括依次连接的空气压缩机和气体干燥机，空气压缩机用于将气体进行压缩形成高压气体，气体干燥机用于对高压气体进行干燥，除去气体中的水分。粉末单元220包括具有至少一个料筒的送粉器、与所述送粉器电连接的控制器以及搅拌装置。其中，料筒用于装载功能性粉末，每个料筒中可以设置不同种类的功能性粉末。该功能性粉末可以为316L不锈钢粉末、Inconel718镍基高温合金粉末、氧化锆陶瓷粉末等，其中，316L不锈钢粉末具有防腐、抗氧化、封闭、耐磨保护等作用；Inconel718镍基高温合金粉末具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀等性能，还具有良好的加工性能和焊接性能，能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业及挤压模具中具有广泛应用；氧化钙陶瓷粉末具有良好的耐磨性、隔热效果好且硬度大。控制器用于控制每个料筒输出的功能性粉末的剂量，例如，可以控制料筒上阀门的开启时间或者阀门的开度控制每个料筒输出的功能性粉末的剂量。搅拌装置连接于所述送粉器的输出端，所述搅拌装置用于搅拌所述功能性粉末。搅拌装置与空气单元210连接，空气单元210输出的高压气体将搅拌装置内混合好的功能性粉末带出至加速管段240，加速管段240包括拉瓦尔管段和连接于所述拉瓦尔管段出口段的直管段，在减缩的拉瓦尔管的作用下形成超音速的气固两相流并从拉瓦尔管喷出进入直管段。激光单元230的形状优选为与所述直管段的外表面形状匹配。本公开实施例中，激光单元230优选为环状结构并产生激光光束，所述激光单元230套设于所述直管段外及所述直管段出口的延伸处，以使所述拉瓦尔管排出的流体中的功能性粉末在所述激光光束的照射下被加热塑化，进而在所述增材制造装置100成形零件的过程中对零件的部分区域进行撞击形成功能性涂层。在喷涂过程中，可以根据待成形零件的熔点选择是否使用激光单元230以及激光单元230的功率，进而实现对不同熔点材料的表面喷涂。
本公开实施例中，所述粉末单元220的送粉速率优选为55～150g/min。送粉速率太大，粉末利用率不高，送粉速率太低，涂层质量不好。所述功能性粉末的粒径优选为10～55μm，尺寸过大的颗粒经气体加速未能达到临界速度，从而影响粉末颗粒的沉积率，尺寸过小的粉末在达到零件前速度也会有一定程度的降低。压缩后的所述气体的压力优选为1.5～3.5Mpa。激光单元的激光功率应大于或等于400W。激光单元230的预热温度优选为600～800℃。
本公开实施例另一方面提供了一种复合成形系统，该系统包括增材制造装置100、粉末流体热塑化喷射成形装置200、微轧制装置300、铣削装置400以及工作台500，其中，增材制造装置100在工作台500的基板510上逐层成形零件，粉末流体热塑化喷射成形装置200、微轧制装置300和铣削装置400布置于增材制造装置100的周围，以辅助增材制造装置100进行零件的成形，粉末流体热塑化喷射成形装置200在成形零件过程中选择性的对待成形零件表面进行功能性粉末进行喷涂处理。
增材制造装置100可以分为预铺粉盒同步送粉或送丝两种，结合激光、电子束两种高能束能量源，预铺粉的增材制造技术具体可分为激光选区熔化增材制造(SLM)技术以及选区电子束熔化增材制造(EBM)技术；同步送粉或送丝增材制造技术主要可分为激光熔化沉积(LMD)技术以及电子束熔丝沉积(EBFF)技术两种。
如图3和图4所示，该系统包括位于工作台500上方的微轧制装置300和铣削装置400，微轧制装置300和铣削装置400在增材制造装置100逐层成形待成形零件过程中对待成形零件表面进行精整机加工。
本公开实施例中，该复合成形系统安装在五轴联动机床上，配合双龙门或机械臂实现短流程复合增材制造，其中，增材制造装置100、微轧制装置300和铣削装置400安装于一个龙门或机械臂上，同时配合有升降装置，使得每个装置可以单独工作并自由切换所需设备；粉末流体热塑化喷射成形装置200安装于另一龙门或机械臂上，同时工作台500可以按机床C轴旋转和A轴翻转运动，以便在加工时使待成形零件的加工面与加工设备垂直，达到更好的成形质量和效果。
本公开另一方面提供了一种采用上述基于增材制造和冷喷涂工艺的复合成形系统的复合成形方法，所述方法包括：采用所述增材制造装置100对零件进行逐层制备，在制备过程中若需要对所述零件的部分位置进行强化，则停止所述增材制造装置100并启动所述粉末流体热塑化喷射成形装置200对所述功能性粉末进行加速、加热塑化并撞击待强化位置以形成功能性涂层，强化所述零件。整个过程可以包括如下详细步骤。
S1，根据待成形零件的几何结构和需要特殊处理的区域要求，将待成形零件的三维CAD模型进行分层切片处理，以获得多个分层切片的数据，并根据该分层切片数据预设增材制造装置100的成形轨迹和粉末流体热塑化喷射成形装置200的喷涂轨迹和时机；
S2，增材制造装置100采用激光、高能束等快速成形方法按预设成形轨迹在工作台500逐层成形待成形零件，当增材制造装置100打印到需要进行功能性材料喷涂时，停止增材制造装置100，开启粉末流体热塑化喷射成形装置200；
S3，粉末流体热塑化喷射成形装置200案子所需的特殊处理层对待成形零件进行喷涂增强；具体的，在喷涂过程中，粉末流体热塑化喷射成形装置200需要与涂覆表面法向留有一定的距离，以保证粉末流体热塑化喷射成形装置200与待成形零件不发生干涉；
S4，重复步骤S2～S3直至零件加工完成。
在加工过程中，必要时可以对待成形零件的尺寸、表面精度和致密度进行实时检测，当其达不到预设要求时，通过微轧制装置300或铣削装置400对待成形零件进行精整机加工，直至达到零件或模具的尺寸和表面精度要求。
上述复合成形系统和方法适用于各种类型的零件制造，例如：上述系统特别适合于其他复合增材制造技术达不到零件使用需求性能的制造，特别是高熔点材料的熔覆；工业上常用的陶瓷材料具有强度高、熔点高、耐磨、耐腐蚀等优点，但其本身的脆性和难加工性使得其难以应用于高性能材料的制造，同时陶瓷与金属本身性质的不同使其难以产生紧密结合，而且陶瓷金属材料与金属的物理相容性较差，使其难以产生紧密结合，采用上述系统可将陶瓷或陶瓷金属材料喷涂于金属零件表面，制造具有梯度功能陶瓷涂层的金属零件。
综上所述，本申请提供的粉末流体热塑化喷射成形装置、复合成形系统及方法。通过在增材制造装置周围设置粉末流体热塑化喷射成形装置联合进行增材制造，该粉末流体热塑化喷射成形装置中空气单元生成高压气体，进而带动粉末单元中的功能性粉末进入加速管段中进一步增速至超音速使得涂覆更加牢固，同时显著缩短了涂覆时间，涂覆效率更高，并在直管段内经过激光单元进行加热塑化，延长了气固粉末的加热时间，不仅可以使金属粉末加热塑化，还能使陶瓷粉末和硬质合金粉末的加热塑化，最后撞击至待成形零件表面形成强化涂层，极大的提高了复合材料的性能，同时提高了强化效率，缩短了零件表面强化的周期可以实现复杂零件和关键部位的强化处理，对航空航天、能源动力等领域的零件制造的工业化应用具有重要指导意义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种粉末流体热塑化喷射成形装置，其特征在于，所述装置(200)包括依次连接的空气单元(210)、粉末单元(220)、加速管段(240)以及激光单元(230)；所述粉末单元(220)用于装设功能性粉末，所述粉末单元(220)包括具有至少一个料筒的送粉器、与所述送粉器电连接的控制器以及搅拌装置，所述料筒的出口处设有阀门，所述料筒用于装设功能性粉末，所述控制器用于控制所述阀门开启的时间或阀门的开度，进而控制每个料筒输出的功能性粉末的剂量，所述搅拌装置用于搅拌所述功能性粉末；所述空气单元(210)用于压缩气体并将压缩后的气体输入与其连接的粉末单元(220)，进而形成气固两相流；所述加速管段(240)包括拉瓦尔管段和连接于所述拉瓦尔管段出口处的直管段，所述拉瓦尔管段用于将所述气固两相流增速至超音速；所述激光单元(230)套设于所述直管段外及所述直管段出口的延伸处，用于产生激光光束，以将所述气固两相流中的固体加热塑化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光单元(230)的形状与所述直管段的外表面形状匹配。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光单元(230)为环状结构或锥形结构。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气单元(210)包括气体压缩机以及与所述气体压缩机连接的气体干燥机，所述气体压缩机用于压缩气体，所述气体干燥机用于干燥压缩后的气体。
5.一种复合成形系统，包括增材制造装置(100)，其特征在于，所述系统还包括权利要求1～4任意一项所述的粉末流体热塑化喷射成形装置(200)，所述粉末流体热塑化喷射成形装置(200)设于所述增材制造装置(100)周围。
6.根据权利要求5所述的复合成形系统，其特征在于，所述系统还包括设于所述增材制造装置(100)周围的微轧制装置(300)以及铣削装置(400)，所述微轧制装置(300)以及铣削装置(400)用于在所述增材制造装置(100)逐层成形零件过程中对待成形零件进行精加工。
7.一种采用权利要求5或6所述的复合成形系统的复合成形方法，其特征在于，所述方法包括：
采用所述增材制造装置(100)对零件进行逐层制备，在制备过程中若需要对所述零件的部分位置进行强化，则停止所述增材制造装置(100)并启动所述粉末流体热塑化喷射成形装置(200)以对所述功能性粉末进行加速以及加热塑化，进而使功能性粉末撞击待强化位置以形成功能性涂层。
8.根据权利要求7所述的复合成形方法，其特征在于，所述激光单元(230)的激光功率应大于或等于400W。
9.根据权利要求7所述的复合成形方法，其特征在于，所述功能性粉末的粒径为10～55μm；压缩后的所述气体的压力为1.5～3.5Mpa。
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