CN116944527A - 一种超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置及方法 - Google Patents
一种超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种超高速增材制造Ti‑Ni‑Nb多元合金构件的装置及方法，属于多材料增材制造技术领域。所述装置包括多料仓送粉器、混粉器、环形同轴喷粉器、激光器，多料仓送粉器、混粉器和环形同轴喷粉器之间用高分子软管相连通。制造构件时，三种粉末从多料仓送粉器进入混粉器的混粉腔内，均匀混合成混合粉末，混合粉末进入环形同轴喷粉器喷出后，被高能激光束快速加热熔化在基板上形成熔池，熔池凝固后形成沉积层。熔池在构件三维模型所预设的路径下，进行点、线、面叠加，完成构件的超高速制造。本发明所述装置用于制备Ti‑Ni‑Nb多元合金构件时，不仅能使Ti、Ni、Nb三种粉末材料的送粉、混粉、喷粉过程同时进行，还能实现构件的材料成分在三维空间内灵活变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置及方法，属于多材料增材制造技术领域。
背景技术
多元合金构件的成分与结构可在二维平面和三维空间实现线性或非线性变化，使得在同一构件上表现出多元化的使用性能，突破传统材料构件单一性能的限制。而Ti-Ni-Nb多元合金构件除上述特点外，还具有良好的生物相容性和特殊的形状记忆效应；在航空航天、生物医疗、交通能源等领域对构件使用性能的要求在不断提高的背景下，单一材料成分和结构的传统材料构件难以满足上述要求，因此，开发Ti-Ni-Nb多元合金材料及其多元合金构件具有广阔的应用场景。
增材制造具有制造工序少的特点，在成形复杂结构的构件时优势更为显著。在现有制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的技术中，往往存在一次只能制造一种成分的合金的问题；此外，通过铸造工艺制备该合金时，由于温度梯度的差异，构件整体凝固速率小，且不同部位的凝固速率不同，从而导致构件内微观偏析和宏观偏析的产生，构件的整体力学性能也难以达到使用要求；再者，在制备成分在一维、二维或三维空间梯度材料时，传统工艺无法实现材料成分在构件任一方向上的连续变化；基于粉末混合技术的增材制造方法，为解决这一问题提供了有效途径；鉴于此，本发明公开了一种超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置及方法。
发明内容
针对现有技术难以实现快速制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的问题，本发明的目的在于提供一种超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置，包括多料仓送粉器5、混粉器4、环形同轴喷粉器1、激光器3，多料仓送粉器5、混粉器4和环形同轴喷粉器1之间用高分子软管相连通。
所述多料仓送粉器5包括控制系统和多路相同结构的送粉装置，每路送粉装置包括储料仓8、粉盘7、吸粉口9和驱动电机6；每路送粉装置的驱动电机6均与控制系统相连，粉盘7上设有粉槽10；多料仓送粉器5通过控制每个粉盘7的转速实现粉末质量的精准输送，粉盘7的转速与粉末输送质量之间的表达式为：
m＝nρhπ(R2-r2) (1)
式中，m为粉末输送质量(单位：g)；ρ为粉末松装密度；h为粉槽深度；R为粉槽外侧表面圆半径；r为粉槽内侧表面圆半径；n为粉盘转速。
所述混粉器4包括进粉口11、混粉腔13和出粉口12，进粉口11设置在底部，混粉腔体13设置在顶部，出粉口12均匀分布在混粉腔13底部，出粉口12的中心轴与混粉器4的中心轴重合；进粉口11与多料仓送粉器5的吸粉口9通过高分子软管相通，混粉器4的进粉口11数量与多料仓送粉器5的吸粉口9数量一致；其中，运载气体使粉末材料达到流态化的临界流量为：
式中：Q为气体流量；Re为粉末流态化临界雷诺数；S为流域横截面积；μg为运载气体动力黏度系数；ρg为运载气体密度；dp为粉末粒径。
所述环形同轴喷粉器1包括入粉口17、激光通道16、环形送粉通道15和喷粉口14，入粉口17均匀分布在顶部，激光通道16位于环形同轴喷粉器1的中心，环形送粉通道15设置在激光通道16的外侧，喷粉口14设置在环形同轴喷粉器1的底部，入粉口17的中心轴、环形送粉通道15的中心轴、喷粉口14的中心轴和激光通道16的中心轴重合；入粉口17通过高分子软管与混粉器4的出粉口12相通，入粉口17数量与混粉器4的出粉口12数量一致；喷粉时，粉末汇聚区尺寸与环形同轴喷粉器1结构的关系式为：
在式(3)和式(4)中，Rw为送粉道环宽；Rc为汇聚区半径；Rb为喷粉口内侧表面圆半径；α为送粉道角度；β为发散角；Hc为汇聚区高度。
优选的，本发明所述环形同轴喷粉器1和激光器3装备在机械臂2上；
优选的，本发明所述送粉通道15环宽尺寸0.5～5.0mm，角度为15～35°；
优选的，本发明所述环形同轴喷粉器1的喷粉口14截面形状为环形，截面积为30～150mm2。
本发明的另一目的在于提供所述超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置用于制造Ti-Ni-Nb多元合金构件中的方法，该方法主要通过多料仓送粉器、混粉器和环形同轴喷粉器完成Ti、Ni、Nb三种粉末材料的混合和输送，通过激光器和光路系统实现Ti-Ni-Nb混合粉末材料的快速熔化和凝固；在制造构件过程中，通过实时控制多料仓送粉器控制每一种粉末的送粉量，完成Ti、Ni、Nb三种粉末的实时变比例输送；通过混粉器的气体涡旋运动的卷吸与搅拌作用实现Ti、Ni、Nb三种粉末材料的均匀混合；通过环形同轴喷粉器实现混合粉末材料的高速且精确输送，具体包括以下步骤：
(1)在增材制造设备上装备多料仓送粉器5、混粉器4和环形同轴喷粉器1；
(2)对构件进行三维建模，并对三维建模进行切片得到切片数据；
(3)将Ti、Ni、Nb三种粉末材料分别加入多料仓送粉器5所对应的储料仓8中，设置每种粉末的送粉量；
(4)Ti、Ni、Nb三种粉末材料在气体介质的作用下，从多料仓送粉器5输送至混粉器4的混粉腔13中，通过气体涡旋运动的卷吸与搅拌作用实现Ti、Ni、Nb三种粉末材料的均匀混合，最后气体介质将混合粉末输送至装备在机械臂2上的环形同轴喷粉器1中进行喷粉；喷粉过程中，汇聚区中的Ti、Ni、Nb混合粉末在高能激光束的作用下被快速加热熔化后，在基板表面形成微小熔池，微小熔池在基板等冷却介质的作用下快速冷却凝固形成沉积层；
(5)机械臂2沿着切片数据所预设的扫描路径进行运动，该过程中微小熔池逐点、逐线、逐面叠加，从而完成Ti-Ni-Nb多元合金构件的超高速制造。
优选的，本发明所述多料仓送粉器5的粉盘7转速为0.1～20.0r/min；气体介质的气流量为2.0～20.0L/min；
优选的，本发明所述Ti、Ni、Nb三种粉末的粒径范围为15～150μm；
优选的，本发明所述机械臂2运动速度为0.1～2.0m/s；
优选的，本发明所述环形同轴喷粉器1的激光通道16的气体介质的气流量为2.0～20.0L/min；
优选的，本发明所述激光器3输出功率为0.8～10.0kW。
本发明的有益效果：
(1)本发明的多材料超高速增材制造系统中采用的多料仓送粉器、混粉器和环形同轴喷粉器，可以快速完成Ti、Ni、Nb三种粉末材料的送粉、混粉和喷粉过程，实现多粉末材料的快速混合和输送过程；
(2)本发明的多材料超高速增材制造系统中的环形同轴喷粉器，是多材料超高速增材制造系统中的核心部件，可以实现混合粉末材料的高速和精确输送；
(3)本发明的超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的方法，通过控制多种粉末材料的实时变比例输送和混合过程，并在激光作用下快速熔化后凝固，从而完成多元合金和成分连续变化空间梯度材料的超高速制备和成形，实现构件结构-功能一体化；
(4)本发明的超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的方法，可制备成分连续变化的空间梯度材料，这是其它传统工艺难以实现的；理论上，空间梯度材料的性能亦可实现连续变化(如材料的强度由高渐变到低)；此外，该方法在制造构件过程中可选择性地在某区域添加Nb合金元素，使得该区域材料性能具有生物相容性和形状记忆效应。
附图说明
图1为多材料超高速增材制造系统示意图；
图2为多料仓送粉器送粉部件示意图；
图3为多料仓送粉器粉盘结构示意图；
图4为混粉器结构及混粉原理图；
图5为环形同轴喷粉器结构示意图；
图6为环形同轴喷粉器喷粉过程示意图；
图7为制造构件过程示意图；
图8为构件A三维模型示意图；
图9为实施例1构件示意图；
图10为实施例2构件示意图；
图11为实施例3构件示意图。
图中：1-环形同轴喷粉器、2-机械臂、3-激光器、4-混粉器、5-多料仓送粉器、6-驱动电机、7-粉盘、8-储料仓、9-吸粉口、10-粉槽、11-进粉口、12-出粉口、13-混粉腔、14-喷粉口、15-环形送粉通道、16-激光通道、17-入粉口、Rb-喷粉口内侧表面圆半径、Rw-送粉道环宽、Rc-汇聚区半径、H-粉斑焦距、Hc-汇聚区高度、α-送粉道角度、β-发散角。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的基本方法，所述用于制备Ti-Ni-Nb多元合金方法的多材料超高速增材制造系统，如图1所示：包括环形同轴喷粉器1、机械臂2、激光器3、混粉器4和多料仓送粉器5等，多料仓送粉器5、混粉器4和环形同轴喷粉器1之间用高分子软管相连通，环形同轴喷粉器1和激光器3装备在机械臂2上。
所述多料仓送粉器5，其基本结构如图2所示，包括控制系统和多路相同结构的送粉装置，每路送粉装置包括驱动电机6、粉盘7、储料仓8和吸粉口9；每路送粉装置的驱动电机6均与控制系统相连，粉盘7上设有粉槽10，粉盘7结构如图3所示；多料仓送粉器5通过控制每个粉盘7的转速，实现粉末质量的精准输送，粉盘7的转速与粉末输送质量之间的表达式为：
m＝nρhπ(R2-r2) (1)
式中，m为粉末输送质量；ρ为粉末松装密度；h为粉槽深度；R为粉槽外侧表面圆半径；r为粉槽内侧表面圆半径；n为粉盘转速。
所述混粉器4，其基本结构如图4所示，包括进粉口11、出粉口12和混粉腔13，进粉口11设置在底部，混粉腔体13设置在顶部，出粉口12均匀分布在混粉腔13底部，出粉口12的中心轴、进粉口11的中心轴均与混粉器4的中心轴重合；进粉口11与多料仓送粉器5的吸粉口9通过高分子软管相通，混粉器4的进粉口11数量与多料仓送粉器5的吸粉口9数量一致。其中，运载气体使粉末材料达到流态化的临界流量为：
式中：Q为气体流量，Re为粉末流态化临界雷诺数，S为流域横截面积，μg为运载气体动力黏度系数，ρg为运载气体密度，dp为粉末粒径。
所述环形同轴喷粉器1，其基本结构如图5所示，包括入粉口17、激光通道16、环形送粉通道15和喷粉口14，入粉口17均匀分布在顶部，激光通道16位于环形同轴喷粉器1的中心，环形送粉通道15设置在激光通道16的外侧，喷粉口14设置在环形同轴喷粉器1的底部，入粉口17的中心轴、环形送粉通道15的中心轴、喷粉口14的中心轴和激光通道16的中心轴重合；送粉通道15环宽尺寸0.5～3.0mm，角度为15～35°；入粉口17通过高分子软管与混粉器4的出粉口12相通，入粉口17数量与混粉器4的出粉口12数量一致，喷粉时，如图6所示，粉末汇聚区尺寸与环形同轴喷粉器1结构的关系式为：
在式(3)和式(4)中，Rw为送粉道环宽，Rc为汇聚区半径，Rb为喷粉口内侧表面圆半径，α为送粉道角度，β为发散角，Hc为汇聚区高度。
本实施例包括以下步骤：
S01：按照图1，在增材制造设备上装备多料仓送粉器5、混粉器4和环形同轴喷粉器1，组装成多材料超高速增材制造系统；
S02：按照图8，对构件进行三维建模，并对三维建模进行切片得到切片数据；
S03：将Ti、Ni、Nb三种粉末材料分别加入多料仓送粉器5所对应的储料仓8中，设置每种粉末的送粉量，Ti、Ni、Nb三种粉末材料的送粉量分别为a、b、c(本发明中a、b、c为常数，单位：g)；
S04：Ti、Ni、Nb三种粉末材料在气体介质的作用下，从多料仓送粉器5输送至混粉器4的混粉腔13中，通过气体涡旋运动的卷吸与搅拌作用实现Ti、Ni、Nb三种粉末材料的均匀混合，最后气体介质将混合粉末输送至装备在机械臂2上的环形同轴喷粉器4中进行喷粉；环形同轴喷粉器喷粉和构件制造过程如图6和7所示，汇聚区中的Ti、Ni、Nb混合粉末在高能激光束的作用下被快速加热熔化后，在基板表面形成微小熔池，微小熔池在基板等冷却介质的作用下快速冷却凝固形成沉积层；
S05：机械臂2沿着切片数据所预设的扫描路径进行运动，该过程中微小熔池逐点、逐线、逐面叠加，从而完成Ti-Ni-Nb多元合金构件的超高速制造。
本实施例Ti-Ni-Nb多元合金构件如图9所示。
实施例2
本实施例提供一种超高速增材制造Ti-Ni-Nb层状多元合金构件的方法。本实施例采用的多材料超高速增材制造设备和方法与实施例2的基本相同，不同之处在于多料仓送粉器5的送粉量。本实施例包括以下步骤：
S01：按照图1，在增材制造设备上装备多料仓送粉器5、混粉器4和环形同轴喷粉器1，组装成多材料超高速增材制造系统；
S02：按照图8，对构件进行三维建模(构件高度尺寸为h，单位：mm)，并对三维建模进行切片得到切片数据；
S03：将Ti、Ni、Nb三种粉末材料分别加入多料仓送粉器5所对应的储料仓中，设置每种粉末的送粉量，Ti、Ni、Nb三种粉末材料的送粉量分别为a、0、0(本发明中a为常数，单位：g)；
S04：Ti、Ni、Nb三种粉末材料在气体介质的作用下，从多料仓送粉器5输送至混粉器4的混粉腔13中，通过气体涡旋运动的卷吸与搅拌作用实现Ti、Ni、Nb三种粉末材料的均匀混合，最后气体介质将混合粉末输送至装备在机械臂2上的环形同轴喷粉器4中完成喷粉；环形同轴喷粉器喷粉和构件制造过程如图6和7所示，汇聚区中的Ti、Ni、Nb混合粉末在高能激光束的作用下被快速加热熔化后，在基板表面形成微小熔池，微小熔池在基板等冷却介质的作用下快速冷却凝固形成沉积层；
S05：机械臂2沿着切片数据所预设的扫描路径进行运动，该过程中微小熔池逐点、逐线、逐面叠加，从而完成该阶段构件的制造；
S06：成形平台下降h；
S07：机械臂2归零；
S08：设置每种粉末的送粉量，Ti、Ni、Nb三种粉末材料的送粉量分别为a、a、0；重复步骤S04～07；
S09：设置每种粉末的送粉量，Ti、Ni、Nb三种粉末材料的送粉量分别为a、a、a；重复步骤S04～05，完成Ti-Ni-Nb层状多元合金构件的超高速制造。
本实施例Ti-Ni-Nb层状多元合金构件如图10所示。
实施例3
本实施例提供一种超高速增材制造Ti-Ni-Nb成分梯度多元合金构件的方法。本实施例采用的多材料超高速增材制造系统和方法与实施例2的基本相同，不同之处在于多料仓送粉器5的送粉量。本实施例包括以下步骤：
S01：按照图1，在增材制造设备上装备多料仓送粉器5、混粉器4和环形同轴喷粉器1，组装成多材料超高速增材制造系统；
S02：按照图8，对构件进行三维建模，并对三维建模进行切片得到切片数据；
S03：将Ti、Ni、Nb三种粉末材料分别加入多料仓送粉器5所对应的储料仓8中，设置每种粉末的送粉量，Ti粉末的送粉量为mti＝at+b；Ni，Nb粉末的送粉量为c(本发明中a、b、c为常数，单位为克；t为时间，单位为分钟)；
S04：Ti、Ni、Nb三种粉末材料在气体介质的作用下，从多料仓送粉器5输送至混粉器4的混粉腔13中，通过气体涡旋运动的卷吸与搅拌作用实现Ti、Ni、Nb三种粉末材料的均匀混合，最后气体介质将混合粉末输送至装备在机械臂2上的环形同轴喷粉器4中进行喷粉；环形同轴喷粉器喷粉和构件制造过程如图6和7所示，汇聚区中的Ti、Ni、Nb混合粉末在高能激光束的作用下被快速加热熔化后，在基板表面形成微小熔池，微小熔池在基板等冷却介质的作用下快速冷却凝固形成沉积层；
S05：机械臂2沿着切片数据所预设的扫描路径进行运动，该过程中微小熔池逐点、逐线、逐面叠加，从而完成Ti-Ni-Nb成分梯度多元合金构件的超高速制造。
本实施例Ti-Ni-Nb成分梯度多元合金构件如图11所示。
实施例中结合了附图对本发明作了详细说明，但本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置，其特征在于：包括多料仓送粉器(5)、混粉器(4)、环形同轴喷粉器(1)、激光器(3)，多料仓送粉器(5)、混粉器(4)和环形同轴喷粉器(1)之间用高分子软管相连通；
所述多料仓送粉器(5)包括控制系统和多路相同结构的送粉装置，每路送粉装置包括储料仓(8)、粉盘(7)、吸粉口(9)和驱动电机(6)；每路送粉装置的驱动电机(6)均与控制系统相连，粉盘(7)上设有粉槽(10)；多料仓送粉器(5)通过控制每个粉盘(7)的转速实现送粉量的控制；
所述混粉器(4)包括进粉口(11)、混粉腔(13)和出粉口(12)，进粉口(11)设置在底部，混粉腔体(13)设置在顶部，出粉口(12)均匀分布在混粉腔(13)底部，出粉口(12)的中心轴与混粉器(4)的中心轴重合；进粉口(11)与多料仓送粉器(5)的吸粉口(9)通过高分子软管相通，混粉器(4)的进粉口(11)数量与多料仓送粉器(5)的吸粉口(9)数量一致；
所述环形同轴喷粉器(1)包括入粉口(17)、激光通道(16)、环形送粉通道(15)和喷粉口(14)，入粉口(17)均匀分布在顶部，激光通道(16)位于环形同轴喷粉器(1)的中心，环形送粉通道(15)设置在激光通道(16)的外侧，喷粉口(14)设置在环形同轴喷粉器(1)的底部，入粉口(17)的中心轴、环形送粉通道(15)的中心轴、喷粉口(14)的中心轴和激光通道(16)的中心轴重合；入粉口(17)通过高分子软管与混粉器(4)的出粉口(12)相通，入粉口(17)数量与混粉器(4)的出粉口(12)数量一致。
2.根据权利要求1所述超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置，其特征在于：所述环形同轴喷粉器(1)和激光器(3)装备在机械臂(2)上。
3.根据权利要求1所述超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置，其特征在于：送粉通道(15)环宽尺寸0.5～5.0mm，角度为15～35°。
4.根据权利要求1所述超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置，其特征在于：环形同轴喷粉器(1)的喷粉口(14)截面形状为环形，截面积为30～150mm2。
5.权利要求1～4任意一项所述超高速增材制造Ti-Ni-Nb多元合金构件的装置用于制备Ti-Ni-Nb多元合金构件中的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S01：在增材制造设备上装备多料仓送粉器(5)、混粉器(4)和环形同轴喷粉器(1)；多料仓送粉器(5)通过控制每个粉盘(7)的转速实现粉末质量的精准输送，粉盘7的转速与粉末输送质量之间的表达式为：
m＝nρhπ(R2-r2) (1)
式中，m为粉末输送质量(单位：g)；ρ为粉末松装密度；h为粉槽深度；R为粉槽外侧表面圆半径；r为粉槽内侧表面圆半径；n为粉盘转速；
S02：对构件进行三维建模，并对三维建模进行切片得到切片数据；
S03：将Ti、Ni、Nb三种粉末材料分别加入多料仓送粉器(5)所对应的储料仓(8)中，设置每种粉末的送粉量；
S04：Ti、Ni、Nb三种粉末材料在运载气体介质的作用下，从多料仓送粉器(5)输送至混粉器(4)的混粉腔(13)中，通过气体涡旋运动的卷吸与搅拌作用实现Ti、Ni、Nb三种粉末材料的均匀混合，运载气体使粉末材料达到流态化的临界流量为：
式中：Q为气体流量；Re为粉末流态化临界雷诺数；S为流域横截面积；μg为运载气体动力黏度系数；ρg为运载气体密度；dp为粉末粒径；
S05：最后气体介质将混合粉末输送至装备在机械臂(2)上的环形同轴喷粉器(1)中进行喷粉；喷粉过程中，汇聚区中的Ti、Ni、Nb混合粉末在高能激光束的作用下被快速加热熔化后，在基板表面形成微小熔池，微小熔池在基板等冷却介质的作用下快速冷却凝固形成沉积层；
喷粉时，粉末汇聚区尺寸与环形同轴喷粉器1结构的关系式为：
在式(3)和式(4)中，Rw为送粉道环宽；Rc为汇聚区半径；Rb为喷粉口内侧表面圆半径；α为送粉道角度；β为发散角；Hc为汇聚区高度；
S06：机械臂(2)沿着切片数据所预设的扫描路径进行运动，该过程中微小熔池逐点、逐线、逐面叠加，从而完成Ti-Ni-Nb多元合金构件的超高速制造。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述多料仓送粉器(5)的粉盘(7)转速为0.1～20.0r/min；气体介质的气流量为2.0～20.0L/min。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述Ti、Ni、Nb三种粉末的粒径范围为15～150μm。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述机械臂(2)运动速度为0.1～2.0m/s。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述环形同轴喷粉器(1)的激光通道(16)的气体介质的气流量为2.0～20.0L/min。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述激光器(3)输出功率为0.8～10.0kW。
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