CN116021034A - 一种多能场协同作用的梯度材料制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多能场协同作用的梯度材料制备系统。该系统包括机床和激光加热装置、成形缸、基板、超声波振动装置、磁场装置、电场装置、铺粉装置以及控制器。成形缸固定在工作台底部，内部设置有能沿Z轴升降的第一底座。基板固定架设在第一底座上，且位于第一开口内。超声波振动装置用于向基板发射超声波。磁场装置和电场装置均设置在基板的下方，并且作用在基板上的磁场和电场均可调节方向及强度。铺粉装置用于逐次在基板上形成单层的待加工粉末，从而在激光加工前根据当前基板上的待加工粉末的组分配置磁场和电场的方向及强度。该制备系统通过多能场协同作用，有效减少了梯度材料产生的气孔、裂纹及层间结合等缺陷。

Description

一种多能场协同作用的梯度材料制备系统

技术领域

本发明涉及梯度材料制备技术领域，特别是涉及一种多能场协同作用的梯度材料制备系统。

背景技术

激光选区熔化技术是一种快速熔化、快速凝固的复杂冶金过程，由于制备的梯度材料是由多种不同材料构成，因此材料之间必然会由于热膨胀系数、弹性模量、温度的明显差异而产生很大的残余应力，残余应力的存在则促使了裂纹的形成及扩展，对成形件的性能和疲劳寿命造成严重的影响。残余应力主要包括热应力、组织应力、约束应力。热应力是由于同种成形材料之间温度不同、成形材料与基体材料的热膨胀系数、弹性模量的不一致产生的；组织应力则是成形材料受热熔化发生相变产生的；约束应力为材料受热膨胀时受到周围材料或者基体的约束作用的结果，这三者的共同作用决定了成形件开裂与否。当三者合力为拉应力并且超过材料的强度极限时，极易在气孔、未熔合、夹杂区域产生裂纹。

另外，在制备梯度材料过程中，由于材料的种类不同，会在制备过程中生成脆性金属间化合物生成，导致层间结合问题，会使制备的梯度材料的性能受到影响，导致有些梯度材料需要添加成分过渡，也正因为层间结合问题的存在，导致使用单一的激光选区熔化技术制备的梯度材料种类有限。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中通过激光选取熔化制备的梯度材料容易出现裂纹、气孔以及层间结合等缺陷的技术问题，本发明提供一种多能场协同作用的梯度材料制备系统。

本发明公开一种多能场协同作用的梯度材料制备系统，其包括机床和激光加热装置、成形缸、基板、超声波振动装置、磁场装置、电场装置、铺粉装置以及控制器。机床上设置有工作台，定义沿工作台的长、宽、高方向分别为X、Y、Z轴。激光加热装置位于工作台的上方，并能沿X和Y轴方向平移。工作台上开设有第一开口。

成形缸固定在工作台底部，且开口向上并与第一开口连通。成形缸内部设置有能沿Z轴升降的第一底座。

基板固定架设在第一底座上，且位于第一开口内。基板的上表面在一个初始状态下与工作台的上表面齐平，并作为激光加工的平台且用于放置一层标准厚度的待加工粉末。基板的下表面开设有环形凹槽。

超声波振动装置包括超声波振动头。超声波振动头安装在机床的一侧，并用于向基板发射超声波。

磁场装置设置在基板的下方。磁场装置包括永磁体、第一旋转平台、第二旋转平台以及升降架。永磁体用于产生作用于待加工粉末的磁场，并固定安装在第一旋转平台上。第一旋转平台转动连接在第二旋转平台上，且转动轴线平行于X-Z平面。第二旋转平台转动安装在升降架上，且转动轴线平行于X-Y平面，进而和第一旋转平台共同调节永磁体的磁场方向。升降架安装在第一底座上，且能沿Z轴线性移动，进而调节永磁体与待加工粉末的距离。

电场装置包括电极转台以及相互平行设置的正电极棒和负电极棒。正电极棒和负电极棒二者的底端分别固定连接在电极转台的两侧，并分别与一个电源的正负极相通。正电极棒和负电极棒二者的顶端伸入基板的环形凹槽并与基板滑动连接，进而与基板形成电流回路，以在基板上形成特定方向的电场。电极转台转动安装在第一底座上，且转动轴线垂直于X-Z平面，并与环形凹槽同轴。

铺粉装置用于逐次在基板上形成单层的待加工粉末。

控制器用于：a.在基板上形成待加工粉末之后，且在激光加工之前，根据当前基板上的待加工粉末的组分，按照一个预设的粉末组分-辅助参数对照表，调节第一旋转平台和第二旋转平台的角度、升降架的高度以及电极转台的角度，进而调节基板上的磁场及电场方向。b.在完成对基板上的一层待加工粉末的激光加工后，控制成形缸的第一底座下降一个与标准厚度相应的高度以保持加工形成材料的上表面与工作台齐平，进而控制铺粉装置在加工形成材料上形成下一层待加工粉末。

作为上述方案的进一步改进，工作台在第一开口沿着Y轴方向的一侧还开设有第二开口。

铺粉装置包括刮刀、粉料缸以及配料盒。粉料缸固定在工作台底部，且开口朝上并与第二开口连通。粉料缸内部设置有能沿Z轴升降的第二底座。配料盒上开设有至少一个入料口，用于向配料盒内部的混合组件输送至少一种粉末原料。配料盒底部还开设有出料口。配料盒安装在机床上，并位于第二开口的上方，且配料盒能沿X、Y轴线性移动，进而按照预设的移动路径移动并由出料口将混合粉末原料铺洒在粉料缸内。刮刀在复位状态时位于第二开口背离第一开口的一侧。刮刀的刀面延伸方向平行于X轴，且刮刀能沿Y轴线性移动，以将第二开口处的粉末原料刮向第一开口处的基板上。

其中，按照目标梯度材料由上至下的组分排布顺序，在粉料缸内由下至上依次铺洒相应排布顺序的多组混合粉末原料。

控制器还用于：c.当基板上正在激光加工一层待加工粉末且刮刀复位完毕时，控制第二底座上升一个与标准厚度相应的高度以准备下一层的待加工粉末。

作为上述方案的进一步改进，铺粉装置还包括第一线性电机、第二线性电机和第三线性电机。第一线性电机和第二线性电机相互平行，均固定安装在机床上且延伸方向平行于Y轴。第一线性电机的动端与刮刀固定安装。第二线性电机的动端与第三线性电机固定安装。第三线性电机的延伸方向平行于X轴，且第三线性电机的动端与配料盒固定安装。

作为上述方案的进一步改进，成形缸内固定安装有伸缩件一。伸缩件一的伸长端与第一底座固定连接，进而用于驱动第一底座沿Z轴升降。

铺粉装置还包括伸缩件二。伸缩件二的一端固定安装在粉料缸内，另一端为伸长端并与第二底座固定安装，进而用于驱动第二底座沿Z轴的升降。

作为上述方案的进一步改进，机床的工作台上方为密闭的作业腔。制备系统还包括：除尘装置。

除尘装置包括过滤结构，以及设置在机床侧壁上的进气口和出气口。进气口和出气口均与作业腔连通。过滤结构用于滤除由进气口吸入气体中的杂质，并由出气口将滤除后的气体排回至作业腔。

作为上述方案的进一步改进，制备系统还包括：保护气装置。

保护气装置安装在机床远离除尘装置的一侧上，并用于向作业腔内提供保护气。其中，保护气采用氮气或氦气。

作为上述方案的进一步改进，超声波振动装置还包括第四线性电机和伸缩件三。第四线性电机固定安装在机床的一侧上，且延伸方向平行于X轴。伸缩件三的延伸方向平行于Y轴，其一端安装在第四线性电机的动端上，另一端用于安装超声波振动头，进而实现超声波振动头能沿X和Y轴方向平移。

其中，超声波振动头与激光加热装置的激光加工头位于同一个X-Y平面内。控制器还用于在激光加热过程中，控制超声波振动头在X-Y平面内按照一条预设的移动轨迹运动，进而跟随激光加工头在待加工粉末上形成的动态熔池进行实时超声波振动。

作为上述方案的进一步改进，磁场装置还包括伸缩件四。伸缩件四的底端固定连接在第一底座的顶部上，顶端与升降架的底部固定连接，进而用于驱动升降架在Z轴上的线性移动。

电场装置还包括套管。套管的底端转动连接在第一底座的顶部上，套管的顶端与电极转台的底部固定连接，进而实现电极转台与第一底座的转动安装。其中，伸缩件四同轴设置在套管内且互不接触。电极转台上开设有供伸缩件四穿过的通孔。

作为上述方案的进一步改进，磁场装置还包括第一电机和第二电机。第一电机固定安装在第二旋转平台上，且第一电机的输出轴与第一旋转平台传动连接，进而用于驱动第一旋转平台的转动。第二电机固定安装在升降架上，且第二电机的输出轴与第二旋转平台传动连接，进而用于驱动第二旋转平台的转动。

作为上述方案的进一步改进，电场装置还包括第三电机。第三电机固定安装在第一底座上，且第三电机的输出轴与套管传动连接，进而用于驱动套管的转动。

与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有如下有益效果：

该梯度材料的制备系统在使用激光选区熔化技术的同时，添加超声振动，以及电场和磁场的协同作用。并且根据梯度材料原料粉末的组分特性，为每一种组分的待加工粉末配置相适应的能场参数，调节作用在基板上的电、磁场角度和强度，从而提升了多能场协同的效果，有效减少了梯度材料在制备过程中产生的气孔、裂纹及层间结合等缺陷。

其中，超声振动可以在激光束加热粉末形成熔池时，熔池中的液态金属受到超声波所产生的振动，使得各个成分获得充分混合、搅拌，保持了熔池成分的均匀，由于激光增材制造是一个快速加热、快速冷却的过程，会出现成分过冷现象，成分过冷度大，晶粒快速生长，使得柱状晶数量变多，导致形成的组织粗大而且不均匀，由于超声波的空化效应，超声振动作用下将产生空化泡，空化泡周期性的闭合、崩溃，释放出声场能量，击碎生长的柱状枝晶，断裂的柱状枝晶可以成为新的形核中心，在凝固前沿继续长成新的生长方向不同的枝晶；超声波振动产生的声流效应会使得颗粒分布变得更加均匀，在声流作用下，熔池将发生强烈的对流，引起熔池搅拌，从而硬质相颗粒分布变得更加均匀。

加入的电场可以产生焦耳热效应，使得基板与金属粉末达到预热的效果，基板预热可以减小成形过程中的温度梯度，缓解热量累积，并能够提高粉末与基板的润湿性，有利于减小部分残余应力，抑制开裂现象的产生。

加入的磁场除了可以实现组织细化等作用，还可以与加入的电流形成的电场共同作用，在电场和磁场的共同作用下形成洛伦兹力，对熔池进行搅拌，加速了熔池中气泡的溢出，同时也使得熔池中的成分更加均匀，减少因为组分不同、激光熔化不均匀导致在制备过程中生成脆性金属间化合物生成，导致层间结合问题，进而保障了制备的梯度材料的性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中梯度材料制备系统的立体结构示意图(图中未示出成形缸、激光加热装置的载具以及机床的整体外壳)；

图2为图1中载板的立体结构示意图；

图3为图1中成形缸的内部结构主视图；

图4为图3中电场装置和磁场装置的立体结构示意图；

图5为图1中超声波振动装置的立体结构示意图；

图6为图1中粉料缸和工作台的剖面示意图；

图7为图1中铺粉装置的局部立体结构示意图。

主要元件符号说明

1、机床；11、工作台；111、第一开口；112、第二开口；12、作业腔；2、激光加热装置；3、成形缸；31、第一底座；32、伸缩件一；4、基板；41、环形凹槽；5、超声波振动装置；51、超声波振动头；52、第四线性电机；53、伸缩件三；6、磁场装置；61、第一旋转平台；62、第二旋转平台；63、永磁体；64、升降架；65、伸缩件四；66、第一电机；67、第二电机；7、电场装置；71、电极转台；72、正电极棒；73、负电极棒；74、套管；75、第三电机；8、铺粉装置；81、刮刀；82、粉料缸；822、第二底座；83、配料盒；84、第一线性电机；85、第二线性电机；86、第三线性电机；87、伸缩件二；9、除尘装置；10、保护气装置。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

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。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实施例提供一种多能场协同作用的梯度材料制备系统，其包括机床1和激光加热装置2、成形缸3(图1未示)、基板4、超声波振动装置5、磁场装置6、电场装置7、铺粉装置8以及控制器(图未示)，还可以包括除尘装置9和保护气装置10。

机床1上设置有工作台11，定义沿工作台11的长、宽、高方向分别为X、Y、Z轴。

激光加热装置2位于工作台11的上方，并能沿X和Y轴方向平移。工作台11上开设有第一开口111。工作台11在第一开口111沿着Y轴方向的一侧还可开设有第二开口112。激光加热装置2的激光头所发射的激光束方向垂直于水平面并最终聚焦在下方的基板4。本实施例中，可以采用线性电机模组(图1中未示出)来充当载具，驱使激光加热装置2在水平面运动。

请结合图2至图4，成形缸3固定在工作台11底部，且开口向上并与第一开口111连通。成形缸3内部设置有能沿Z轴升降的第一底座31。本实施例中，成形缸3内可以固定安装有伸缩件一32。伸缩件一32的伸长端与第一底座31固定连接，进而可用于驱动第一底座31沿Z轴升降。

基板4固定架设在第一底座31上，且位于第一开口111内。本实施例中，基板4可呈倒扣在第一底座31上的“Π”型结构，以此和第一底座31共同构成方形的支撑框架。基板4的上表面在一个初始状态下与工作台11的上表面齐平，并作为激光加工的平台且用于放置一层标准厚度的待加工粉末。基板4的下表面开设有环形凹槽41。

请结合图5，超声波振动装置5包括超声波振动头51，还可包括第四线性电机52和伸缩件三53。

超声波振动头51安装在机床1的一侧，并用于向基板4发射超声波。第四线性电机52固定安装在机床1的一侧上，且延伸方向平行于X轴。伸缩件三53的延伸方向平行于Y轴，其一端安装在第四线性电机52的动端上，另一端用于安装超声波振动头51，进而实现超声波振动头51能沿X和Y轴方向平移。

其中，超声波振动头51与激光加热装置2的激光加工头位于同一个X-Y平面内，即位于同一高度。超声波振动头51产生超声波，然后通过空气作用于基板4上的待加工粉末。本实施例汇总，可通过调节第四线性电机52和伸缩件三53来调节超声波振动头51在水平面内的位置。

磁场装置6设置在基板4的下方。磁场装置6包括永磁体63、第一旋转平台61、第二旋转平台62以及升降架64，还可以包括伸缩件四65、第一电机66和第二电机67。

永磁体63用于产生作用于待加工粉末的磁场，并固定安装在第一旋转平台61上。第一旋转平台61转动连接在第二旋转平台62上，且转动轴线平行于X-Z平面。第二旋转平台62转动安装在升降架64上，且转动轴线平行于X-Y平面，进而和第一旋转平台61共同调节永磁体63的磁场方向。升降架64安装在第一底座31上，且能沿Z轴线性移动，进而调节永磁体63与待加工粉末的距离。

伸缩件四65的底端固定连接在第一底座31的顶部上，顶端与升降架64的底部固定连接，进而用于驱动升降架64在Z轴上的线性移动。

第一电机66固定安装在第二旋转平台62上，且第一电机66的输出轴与第一旋转平台61传动连接，进而用于驱动第一旋转平台61的转动。第二电机67固定安装在升降架64上，且第二电机67的输出轴与第二旋转平台62传动连接，进而用于驱动第二旋转平台62的转动。

本实施例中，第一旋转平台61和第二旋转平台62可协同调节磁场的水平方向和垂直方向。通过伸缩件四65可以调整永磁体与基板4之间的距离，进而调节作用于基板4上待加工粉末的磁场强度大小。

电场装置7包括电极转台71以及相互平行设置的正电极棒72和负电极棒73，还可以包括套管74和第三电机75。

正电极棒72和负电极棒73二者的底端分别固定连接在电极转台71的两侧，并分别与一个电源的正负极相通。正电极棒72和负电极棒73二者的顶端伸入基板4的环形凹槽41并与基板4滑动连接，进而与基板4形成电流回路，以在基板4上形成特定方向的电场。电极转台71转动安装在第一底座31上，且转动轴线垂直于X-Z平面，并与环形凹槽41同轴。

套管74的底端转动连接在第一底座31的顶部上，套管74的顶端与电极转台71的底部固定连接，进而实现电极转台71与第一底座31的转动安装。其中，伸缩件四65同轴设置在套管74内且互不接触。电极转台71上开设有供伸缩件四65穿过的通孔。

第三电机75固定安装在第一底座31上，且第三电机75的输出轴与套管74传动连接，进而用于驱动套管74的转动。

通过第三电机75的输出轴带动电极转台71的旋转，可使正电极棒72和负电极棒73在环形凹槽41内移动，从而使得作用在基板4上的电场方向发生变化。另外需要说明的是，本实施例中的第一电机、第二电机67以及第三电机75，其各自输出轴均可通过齿轮传动的方式进行对应器件的驱动，当然在其他实施例中，也可通过皮带带轮、链条链轮等方式进行传动。

请结合图6和图7，铺粉装置8用于逐次在基板4上形成单层的待加工粉末。铺粉装置8可包括刮刀81、粉料缸82以及配料盒83，还可以包括第一线性电机84、第二线性电机85、第三线性电机86和伸缩件二87。

粉料缸82固定在工作台11底部，且开口朝上并与第二开口112连通。粉料缸82内部设置有能沿Z轴升降的第二底座822。配料盒83上开设有至少一个入料口，用于向配料盒83内部的混合组件输送至少一种粉末原料。配料盒83底部还开设有出料口。配料盒83安装在机床1上，并位于第二开口112的上方，且配料盒83能沿X、Y轴线性移动，进而按照预设的移动路径移动并由出料口将混合粉末原料铺洒在粉料缸82内。刮刀81在复位状态时位于第二开口112背离第一开口111的一侧。刮刀81的刀面延伸方向平行于X轴，且刮刀81能沿Y轴线性移动，以将第二开口112处的粉末原料刮向第一开口111处的基板4上。

其中，按照目标梯度材料由上至下的组分排布顺序，在粉料缸82内由下至上依次铺洒相应排布顺序的多组混合粉末原料。

本实施例中，第一线性电机84和第二线性电机85相互平行，均固定安装在机床1上且延伸方向平行于Y轴。第一线性电机84的动端与刮刀81固定安装，从而可驱使刮刀81沿Y轴移动。第二线性电机85的动端与第三线性电机86固定安装。第三线性电机86的延伸方向平行于X轴，且第三线性电机86的动端与配料盒83固定安装，从而可驱使配料盒83在水平面内移动，实现粉料缸82内的铺粉工作，最后利用刮刀81将最上层的粉末刮平，使粉料缸82上表面与成形缸3里的基板4上表面处于同一水平面上。

伸缩件二87的一端固定安装在粉料缸82内，另一端为伸长端并与第二底座822固定安装，进而用于驱动第二底座822沿Z轴的升降。

控制器用于：a.在基板4上形成待加工粉末之后，且在激光加工之前，根据当前基板4上的待加工粉末的组分，按照一个预设的粉末组分-辅助参数对照表，调节第一旋转平台61和第二旋转平台62的角度、升降架64的高度以及电极转台71的角度，进而调节基板4上的磁场及电场方向。b.在完成对基板4上的一层待加工粉末的激光加工后，控制成形缸3的第一底座31下降一个与标准厚度相应的高度以保持加工形成材料的上表面与工作台11齐平，进而控制铺粉装置8在加工形成材料上形成下一层待加工粉末。

需要说明的是，上述的粉末组分-辅助参数对照表，可以通过经验值以及前期的实验得到。具体地，通过调整作用在每种组分粉末的磁场角度、磁场强度大小，观察激光熔化制备的成品的品质，以此根据多组对照实验，来选择与该种粉末相适应的最优磁场角度和磁场强度。同理，也可确认出电场作用在基板上的最优电流方向和电流密度。

控制器还用于：c.当基板4上正在激光加工一层待加工粉末且刮刀81复位完毕时，控制第二底座822上升一个与标准厚度相应的高度以准备下一层的待加工粉末。

另外，控制器还用于在激光加热过程中，控制超声波振动头51在X-Y平面内按照一条预设的移动轨迹运动，进而跟随激光加工头在待加工粉末上形成的动态熔池进行实时超声波振动。

除尘装置9包括过滤结构，以及设置在机床1侧壁上的进气口和出气口。进气口和出气口均与作业腔12连通。过滤结构用于滤除由进气口吸入气体中的杂质，并由出气口将滤除后的气体排回至作业腔12，以此形成一个循环。

保护气装置10安装在机床1远离除尘装置9的一侧上，并用于向作业腔12内提供保护气，为梯度材料的制备提供一个稳定的环境。其中，保护气采用氮气或氦气。

以下将对本实施例的梯度材料制备系统的具体操作步骤进行介绍：

首先清理作业腔12内的杂质灰尘，然后固定好基板4并使其上表面停留在初始状态。

利用铺粉装置8将需要打印的材料粉末分别加入到配料盒83中，这个过程中需要控制每种粉末进入配料盒83的量，以达到控制各组分粉末的含量比例。然后通过控制器控制配料盒83按照预设的移动路径移动并由出料口将混合粉末原料均匀地铺洒在粉料缸82内，直到粉末铺到足够所要制备材料的量，利用粉料缸82内的伸缩件二87调整最上层粉末与基板4上表面齐平，然后利用刮刀81将粉料缸82内的粉末刮平，经过多次调整，使得粉料缸82内最上层的粉末、刮刀81以及基板4上表面保持在同一水平面内，且刮刀81位于粉料缸82沿Y轴远离基板4的一侧。

开启除尘装置9和保护气装置10，对作业腔12内的空气中的杂质进行过滤，同时促进作业腔12中的气体循环。

开始铺粉，一开始刮刀81位于粉料缸82的最右侧，先控制伸缩件二87驱使第二底座822带动粉末上升一个粉末层厚度，然后刮刀81沿Y轴向左移动将粉末刮到基板4的上表面后，再复位到最右侧，之后第二底座822再次上升一个粉末层的厚度以准备下一层粉末，刮刀81保持等待。此时根据基板4上的待加工粉末的组分，按照一个预设的粉末组分-辅助参数对照表，来调节与当前待加工粉末相对应的电场状态和磁场状态。

通过控制电源启闭，使电流经过正电极棒72和负电极棒73在基板4上存在电流，形成电场。通过控制电极转台71的旋转角度，改变电场的方向。同时通过控制器控制第一旋转平台61和第二旋转平台62的旋转角度，以及升降架64的高度，从而改变磁场的方向和磁场作用在基板4的强度

控制激光加热装置2运行，激光器产生的激光通过激光加工头的控制将激光光斑照射到基板4上表面的粉末，粉末被聚焦后的激光束加热形成熔池，然后激光按照固定扫描路径去扫描粉末，其中在激光扫描的同时超声波振动头51也按照预设的路径移动，保持超声波作用于基板4的区域跟随光斑的移动，以保持对材料刚形成的熔池区域实时发射超声波。当一层粉末激光扫描完之后，基板4会通过伸缩件一32的驱使下降一个粉末层厚度。此时的刮刀81将粉料缸82内已经准备好的一层粉末再次刮到基板4上，然后重复上述的电、磁场调整，以及激光扫描工作。这样往复循环，一层一层地将粉末刮到基板4上，由于粉料缸82中的粉末是按照梯度填充的，所以最后激光制备的材料成分也呈梯度分布，这就是所制备的梯度材料。

实施例2

本实施例利用实施例1中的梯度材料制备系统实施制造Ti/Al₂O₃，实施过程为：

基板处理：先用清洗溶剂清洗去除基板4表面杂物再酒精清洗消毒，然后将基4板安装在第一底座31上调平。基板4的材料选用Ti基板。

粉末处理：采用雾化法制备Ti粉末和Al₂O₃粉末，粒径大小为15-30μm。

将铺粉装置的配料盒的两个入料口分别连通Ti粉末和Al₂O₃粉末。然后通过入料口处的电动阀门控制每次配置的混合粉末的入料量，以此配置特定比例的混合粉末，之后再将混合粉末通过配料盒的出料口均匀铺洒在粉料缸的第二底座上。其中，将梯度材料分为十一个组分，每个组分装2.5mm厚度，分别按照第一个组分为100％/Al₂O₃，第二个组分为90％/Al₂O₃，10％Ti，第三个组分为80％/Al₂O₃，20％Ti，以此类推，第十一个组分为100％Ti。

当粉料缸中的粉末填充好后，利用粉料缸的伸缩件二调整最上层粉末与基板上表面保持齐平，然后利用刮刀将粉料缸的表层粉末刮平，经过多次调整，使得粉料缸上表面粉末、刮刀和基板上表面保持在同一水平面，调整完成后，刮刀位于粉料缸的最右侧。

开启保护气装置和除尘装置，保护气选用氦气，作业腔内的空气经过除尘装置过滤掉杂质，从而促进作业腔内的空气循环，为梯度材料的制备提供一个稳定的制备环境。

开启电场和磁场并调整能场的大小和方向。其中，作用在基板上的电流密度为10-12.6A/mm²。在基板通上电流之后，由于焦耳热效应，使得基板与金属粉末达到预热的效果。基板预热可以减小成型过程中的温度梯度，缓解热量累积，并能够提高粉末与基板的润湿性，有利于减小部分残余应力，抑制开裂现象的产生。向熔池中通入外加电流时由于熔池内电流密度分布不均匀，熔池内会产生电磁吸引力，加速了液态金属的流动同时也会增加熔池的抗干扰能力，有效抑制熔池振荡。

另外，磁场作用在基板上的磁感应强度大小为30-50mT。对于磁场的加入，可以使熔池稳定性增加、飞溅减少、应力降低等，还可以与加入的电流所形成的电场共同作用，形成洛伦兹力，对熔池进行搅拌，加速了熔池中气泡的溢出。同时也使得熔池中的成分更加均匀，减少因组分不同、激光融化不均匀发生的偏析，减少或消除生成脆性金属间化合物。

在各能场启动后，开始铺粉，一开始刮刀位于粉料缸的最右侧，粉料缸内每次上升的粉末层厚度为0.025mm，具体铺粉工序在实施例1中已介绍，在此不再赘述。当然，在其他实施例中，粉末层厚度以及铺粉工序也可选用其他现有的铺粉工序，能均匀且高效地在基板上形成粉末层即可。

开启激光加热装置和超声波振动装置，激光加热装置在粉末上形成预设路径的光斑，同时超声波振动装置对刚形成的熔池发射超声波。其中，超声波振动头与基板约20cm，入射角为45°，功率为150W，频率为20kHz，振幅为60-70微米。超声波振动头产生的超声波通过空气，作用于激光束加热形成的熔池，由于超声波的空化效应，超声振动作用下将产生空化泡，空化泡在破碎时候产生微射流来击破柱状枝晶，断裂的柱状枝晶可以成为新的形核中心，在凝固前沿继续长成新的生长方向不同的枝晶；超声波振动产生的声流效应会使得颗粒分布变得更加均匀，在声流作用下，熔池将发生强烈的对流，从而硬质相颗粒分布变得更加均匀。

本实施例中，刮刀刮粉100层后，已经将第一个组分的100％Ti的粉末刮完，在刮第二个组分的粉末时，因为组分Ti和/Al₂O₃的含量变化，改变电流密度和磁场强度的大小，第一个组分的电流密度为12.6A/mm²，以后每个组分以0.26A/mm²递减，第二个为12.34A/mm²，第三个为12.08A/mm²，以此类推，最后一个为10A/mm²。磁感应强度也随组分的变化而变化，第一个组分的磁感应强度为50mT，第二个组分的磁感应强度为48mT,第三个组分的磁感应强度为46mT，最后一个磁感应组分为30mT。

随着刮刀的刮粉，每当刮刀将一个组分的粉末刮完，改变磁场和电场的大小和方向，使得在组分发生变化时，各能量场产生能量作用于基板达到最优，最后制备出性能优异的梯度材料。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多能场协同作用的梯度材料制备系统，其包括机床(1)和激光加热装置(2)；机床(1)上设置有工作台(11)，定义沿工作台(11)的长、宽、高方向分别为X、Y、Z轴；激光加热装置(2)位于工作台(11)的上方，并能沿X和Y轴方向平移；其特征在于，工作台(11)上开设有第一开口(111)；所述制备系统还包括：

成形缸(3)，其固定在工作台(11)底部，且开口向上并与第一开口(111)连通；成形缸(3)内部设置有能沿Z轴升降的第一底座(31)；

基板(4)，其固定架设在第一底座(31)上，且位于所述第一开口(111)内；基板(4)的上表面在一个初始状态下与工作台(11)的上表面齐平，并作为激光加工的平台且用于放置一层标准厚度的待加工粉末；基板(4)的下表面开设有环形凹槽(41)；

超声波振动装置(5)，其包括超声波振动头(51)；超声波振动头(51)安装在机床(1)的一侧，并用于向基板(4)发射超声波；

磁场装置(6)，其设置在基板(4)的下方；磁场装置(6)包括永磁体(63)、第一旋转平台(61)、第二旋转平台(62)以及升降架(64)；永磁体(63)用于产生作用于所述待加工粉末的磁场，并固定安装在第一旋转平台(61)上；第一旋转平台(61)转动连接在第二旋转平台(62)上，且转动轴线平行于X-Z平面；第二旋转平台(62)转动安装在升降架(64)上，且转动轴线平行于X-Y平面，进而和第一旋转平台(61)共同调节永磁体(63)的磁场方向；升降架(64)安装在第一底座(31)上，且能沿Z轴线性移动，进而调节永磁体(63)与所述待加工粉末的距离；

电场装置(7)，其包括电极转台(71)以及相互平行设置的正电极棒(72)和负电极棒(73)；正电极棒(72)和负电极棒(73)二者的底端分别固定连接在电极转台(71)的两侧，并分别与一个电源的正负极相通；正电极棒(72)和负电极棒(73)二者的顶端伸入基板(4)的环形凹槽(41)并与基板(4)滑动连接，进而与基板(4)形成电流回路，以在基板(4)上形成特定方向的电场；电极转台(71)转动安装在第一底座(31)上，且转动轴线垂直于X-Z平面，并与环形凹槽(41)同轴；

铺粉装置(8)，其用于逐次在基板(4)上形成单层的待加工粉末；以及

控制器，其用于：a.在基板(4)上形成所述待加工粉末之后，且在激光加工之前，根据当前基板(4)上的待加工粉末的组分，按照一个预设的粉末组分-辅助参数对照表，调节第一旋转平台(61)和第二旋转平台(62)的角度、升降架(64)的高度以及电极转台(71)的角度，进而调节基板(4)上的磁场及电场方向；b.在完成对基板(4)上的一层待加工粉末的激光加工后，控制成形缸(3)的第一底座(31)下降一个与所述标准厚度相应的高度以保持加工形成材料的上表面与工作台(11)齐平，进而控制所述铺粉装置(8)在所述加工形成材料上形成下一层待加工粉末。

2.根据权利要求1所述的多能场协同作用的梯度材料制备系统，其特征在于，工作台(11)在第一开口(111)沿着Y轴方向的一侧还开设有第二开口(112)；

且

所述铺粉装置(8)包括刮刀(81)、粉料缸(82)以及配料盒(83)；粉料缸(82)固定在工作台(11)底部，且开口朝上并与所述第二开口(112)连通；粉料缸(82)内部设置有能沿Z轴升降的第二底座(822)；配料盒(83)上开设有至少一个入料口，用于向配料盒(83)内部的混合组件输送至少一种粉末原料；配料盒(83)底部还开设有出料口；配料盒(83)安装在机床(1)上，并位于第二开口(112)的上方，且配料盒(83)能沿X、Y轴线性移动，进而按照预设的移动路径移动并由所述出料口将混合粉末原料铺洒在粉料缸(82)内；刮刀(81)在复位状态时位于所述第二开口(112)背离所述第一开口(111)的一侧；刮刀(81)的刀面延伸方向平行于X轴，且刮刀(81)能沿Y轴线性移动，以将第二开口(112)处的粉末原料刮向第一开口(111)处的基板(4)上；

其中，按照目标梯度材料由上至下的组分排布顺序，在粉料缸(82)内由下至上依次铺洒相应排布顺序的多组混合粉末原料；

所述控制器还用于：c.当基板(4)上正在激光加工一层待加工粉末且刮刀(81)复位完毕时，控制第二底座(822)上升一个与所述标准厚度相应的高度以准备下一层的待加工粉末。

3.根据权利要求2所述的多能场协同作用的梯度材料制备系统，其特征在于，所述铺粉装置(8)还包括第一线性电机(84)、第二线性电机(85)和第三线性电机(86)；第一线性电机(84)和第二线性电机(85)相互平行，均固定安装在机床(1)上且延伸方向平行于Y轴；第一线性电机(84)的动端与刮刀(81)固定安装；第二线性电机(85)的动端与第三线性电机(86)固定安装；第三线性电机(86)的延伸方向平行于X轴，且第三线性电机(86)的动端与配料盒(83)固定安装。

4.根据权利要求2所述的多能场协同作用的梯度材料制备系统，其特征在于，所述成形缸(3)内固定安装有伸缩件一(32)；伸缩件一(32)的伸长端与第一底座(31)固定连接，进而用于驱动第一底座(31)沿Z轴升降；

所述铺粉装置(8)还包括伸缩件二(87)；伸缩件二(87)的一端固定安装在粉料缸(82)内，另一端为伸长端并与第二底座(822)固定安装，进而用于驱动第二底座(822)沿Z轴的升降。

5.根据权利要求1所述的多能场协同作用的梯度材料制备系统，其特征在于，机床(1)的工作台(11)上方为密闭的作业腔(12)；所述制备系统还包括：

除尘装置(9)，其包括过滤结构，以及设置在机床(1)侧壁上的进气口和出气口；所述进气口和所述出气口均与作业腔(12)连通；所述过滤结构用于滤除由所述进气口吸入气体中的杂质，并由所述出气口将滤除后的气体排回至作业腔(12)。

6.根据权利要求5所述的多能场协同作用的梯度材料制备系统，其特征在于，所述制备系统还包括：

保护气装置(10)，其安装在机床(1)远离所述除尘装置(9)的一侧上，并用于向作业腔(12)内提供保护气；其中，所述保护气采用氮气或氦气。

7.根据权利要求1所述的多能场协同作用的梯度材料制备系统，其特征在于，所述超声波振动装置(5)还包括第四线性电机(52)和伸缩件三(53)；第四线性电机(52)固定安装在机床(1)的一侧上，且延伸方向平行于X轴；伸缩件三(53)的延伸方向平行于Y轴，其一端安装在第四线性电机(52)的动端上，另一端用于安装超声波振动头(51)，进而实现超声波振动头(51)能沿X和Y轴方向平移；

其中，超声波振动头(51)与激光加热装置(2)的激光加工头位于同一个X-Y平面内；控制器还用于在激光加热过程中，控制超声波振动头(51)在X-Y平面内按照一条预设的移动轨迹运动，进而跟随所述激光加工头在所述待加工粉末上形成的动态熔池进行实时超声波振动。

8.根据权利要求1所述的多能场协同作用的梯度材料制备系统，其特征在于，所述磁场装置(6)还包括伸缩件四(65)；伸缩件四(65)的底端固定连接在第一底座(31)的顶部上，顶端与升降架(64)的底部固定连接，进而用于驱动升降架(64)在Z轴上的线性移动；

且

所述电场装置(7)还包括套管(74)；套管(74)的底端转动连接在第一底座(31)的顶部上，套管(74)的顶端与电极转台(71)的底部固定连接，进而实现电极转台(71)与第一底座(31)的转动安装；其中，伸缩件四(65)同轴设置在套管(74)内且互不接触；电极转台(71)上开设有供伸缩件四(65)穿过的通孔。

9.根据权利要求8所述的多能场协同作用的梯度材料制备系统，其特征在于，所述磁场装置(6)还包括第一电机(66)和第二电机(67)；第一电机(66)固定安装在第二旋转平台(62)上，且第一电机(66)的输出轴与第一旋转平台(61)传动连接，进而用于驱动第一旋转平台(61)的转动；第二电机(67)固定安装在升降架(64)上，且第二电机(67)的输出轴与第二旋转平台(62)传动连接，进而用于驱动第二旋转平台(62)的转动。

10.根据权利要求8所述的多能场协同作用的梯度材料制备系统，其特征在于，所述电场装置(7)还包括第三电机(75)；第三电机(75)固定安装在第一底座(31)上，且第三电机(75)的输出轴与套管(74)传动连接，进而用于驱动套管(74)的转动。

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