CN217121748U - 一种高通量制备多元合金的激光熔覆装置 - Google Patents

Abstract

一种高通量制备多元合金的激光熔覆装置，该装置可高通量制备具有含量梯度变化的多元合金样品库，其中，腔体外设有数控系统和激光器，且数控系统通过激光器与光斑尺寸调节装置相连，光斑尺寸调节装置设置在腔体内壁上，光斑尺寸调节装置下部通过可沿竖直方向移动的Z轴与同轴喷嘴相连通，同轴喷嘴位于X‑Y工作台上方；Z轴上设有保护镜，位于腔体外的送粉器通过送粉管道与腔体内的同轴喷嘴相连通；光斑尺寸调节装置中积分镜设置在积分镜调整板上，积分镜调整板安装在固定板之上；固定板由固定架支撑并由螺钉相互固定，固定架通过轴承与积分镜调整架相连；可调节光阑设置在积分镜下方，伺服电机通过传动轴与可调节光阑相连，可调节光阑外连冷却系统。

Description

一种高通量制备多元合金的激光熔覆装置

技术领域

本实用新型属于合金制备领域，特别提供一种高通量制备多元合金的激光熔覆装置。

背景技术

“材料基因组计划”概念的提出和高通量实验方法的应用推广为新型高性能多元合金的设计和研发提供了崭新思路和方向。由于多元合金通常是由多种金属元素或金属元素与非金属元素构成的，目前在多元合金的设计开发过程中大多数是通过“炒菜式”的试错法和直觉经验，就是将不同元素进行不同的排列组合并调节元素之间的成分配比以获得形成能力较强的合金。

激光冶金制备技术具有的快速熔凝、无加工尺寸限制等特点为多元合金的制备提供了新平台。激光熔化沉积法就是以激光增材制造作为高通量综合工具的新型实验方法，采用同轴送粉技术来实现组合材料库的制备。在激光沉积过程中，通常通过调节送粉量来实现材料成分的控制，送粉器设备将金属粉末从激光加工头的喷嘴送出，送出的金属粉末随着激光加工头的运动在喷出时快速熔化并在基板上快速凝固，实现多元材料的熔覆成形，最后用激光对熔化沉积层进行重熔以获得具有一定厚度的、在水平方向上组分呈梯度变化的组合材料库。

然而在实际操作时，仅通过送粉器无法精准控制金属粉末的含量，从而造成组分含量梯度变化存在问题，另外合金样品的激光制备方式效率较低，每个不同成分的样品需要不断人工手动调整组成元素的化学成分配比来实现对合金样品库的制备，极大的降低了制备效率。

实用新型内容

本实用新型提供了一种高通量制备多元合金的激光熔覆装置，该装置设有光斑尺寸调节装置，可通过改变光斑尺寸从而高通量制备具有含量梯度变化的多元合金样品库。

本实用新型技术方案如下：

一种高通量制备多元合金的激光熔覆装置，其特征在于：

腔体9外设有数控系统1和激光器，且数控系统1通过激光器与光斑尺寸调节装置3相连，光斑尺寸调节装置3设置在腔体9内壁上，光斑尺寸调节装置3下部通过可沿竖直方向移动的Z轴4与同轴喷嘴7相连通，同轴喷嘴7位于X-Y工作台8上方；Z轴4上设有保护镜5，位于腔体9外的送粉器6通过送粉管道与腔体9内的同轴喷嘴7相连通；

光斑尺寸调节装置3由固定架31、积分镜调整架32、积分镜33、积分镜调整板34、固定板35、轴承36、传动轴37、伺服电机38和可调节光阑39组成；其中积分镜33设置在积分镜调整板34上，积分镜调整板34安装在固定板35之上，可根据需要灵活调节积分镜调整板34与固定板35的位置关系；固定板35由固定架31支撑并由螺钉相互固定，固定架31通过轴承36与积分镜调整架32相连；可调节光阑39设置在积分镜33下方，垂直于激光照射方向，伺服电机38通过传动轴37与可调节光阑39相连，可调节光阑39外连冷却系统。

作为优选的技术方案：

所述激光器2为光纤激光器。

数控系统1同时与伺服电机38、X-Y工作台8和Z轴4相连，用于控制伺服电机38的开关以及X-Y工作台8和Z轴4的移动。

腔体9外还设有气瓶10，气瓶10通过气体管道与腔体9内相连通。

所述积分镜33为矩形积分镜。

固定架31通过轴承36与积分镜调整架32相连，并通过螺钉锁定位置。

利用该装置，可仅通过在制备过程中实时改变激光光斑尺寸从而高通量制备具有含量梯度变化的多元合金样品库，具体为：在进行激光熔覆前，将多元合金某一种或多种特定合金元素单质粉末预铺在X-Y工作台8，其它合金元素粉体置于送粉器6中，设置激光光斑初始尺寸，开启激光熔覆装置，开启送粉器6将其它合金元素粉体送入激光熔覆区，控制激光光斑尺寸沿激光扫描方向由小到大或由大到小连续调节，以使所得合金中特定合金元素单质的含量沿激光扫描方向呈梯度变化。

本实用新型的有益效果为：

1、可利用本实用新型所述装置快捷高效的高通量制备具有含量梯度变化的多元合金样品库，从而快速筛选目标多元合金成分，并着重研究激光制备过程中复杂合金的非平衡凝固行为以及组织控制技术，建立复杂多元合金激光制备过程中的“成分/工艺—微观组织—性能”本质关联，最终开发出高性能多元块体合金及成分与结构可控的高性能复杂构件。

2、该装置无需人工手动不间断改变不同组分的送粉量来实现激光高通量制备合金，仅通过改变光斑的大小即可改变合金成分。

3、该装置可实现在短时间内完成大量拥有不同成分配比的多元合金样品库的制备，且各个组分粉末成分梯度的大小和方向都可以根据实际需要自动控制调整，无需人工调节送粉量，制备效率得到大幅提高，从而加速多元合金成分的筛选和优化。

附图说明

图1高通量制备多元合金的激光熔覆装置结构示意图。

图2光斑尺寸调节装置结构示意图。

附图标记：1、数控系统，2、激光器，3、光斑尺寸调节装置，4、Z轴，5、保护镜，6、送粉器，7、同轴喷嘴，8、X-Y工作台，9、腔体，10、气瓶，31、固定架，32、积分镜调整架，33、积分镜，34、积分镜调整板，35、固定板，36、轴承，37、传动轴，38、伺服电机，39、可调节光阑。

具体实施方式

实施例1

如图1、2所示，本实用新型实施例所述

高通量制备多元合金的激光熔覆装置结构如下：

腔体9外设有数控系统1和激光器2，且数控系统1通过激光器2与光斑尺寸调节装置3相连，光斑尺寸调节装置3设置在腔体9内壁上，光斑尺寸调节装置3下部通过可沿竖直方向移动的Z轴4与同轴喷嘴7相连通，同轴喷嘴7位于X-Y工作台8上方；Z轴4上设有保护镜5，位于腔体9外的送粉器6通过送粉管道与腔体9内的同轴喷嘴7相连通。

所述激光器2为光纤激光器，数控系统1同时与X-Y工作台8和Z轴4相连，可用于控制X-Y工作台8和Z轴4的移动。

腔体9外还设有气瓶10，气瓶10通过气体管道与腔体9内相连通。

光斑尺寸调节装置3由固定架31、积分镜调整架32、积分镜33、积分镜调整板34、固定板35、轴承36、传动轴37、伺服电机38和可调节光阑39组成；其中积分镜33设置在积分镜调整板34上，积分镜调整板34安装在固定板35之上，可根据需要灵活调节积分镜调整板34与固定板35的位置关系；固定板35由固定架31支撑并由螺钉相互固定，固定架31通过轴承36与积分镜调整架32相连调节好角度通过螺钉锁定；可调节光阑39设置在积分镜33下方，垂直于激光照射方向，伺服电机38通过传动轴37与可调节光阑39相连，利用伺服电机38控制传动轴37的转动，从而使可调节光阑39在积分镜33下方进行移动，从而改变光斑尺寸的大小，可调节光阑39外连冷却系统。

从激光器2出射的光束照射在积分镜33上，积分镜33使光束转变为矩形光束并偏转90°射出，矩形光束经过可调节光阑39后被遮去部分，通过控制伺服电机38调整可调节光阑39的位置，使矩形光束的尺寸可变，通过在激光熔覆过程中不断变化矩形光束的尺寸来调节多元合金元素含量，从而高通量制备拥有不同成分配比的多元合金样品库。

实施例2

采用实施例1所述激光熔覆装置高通量制备Ni-Cr-Mo三元合金：

采用3Cr2Mo模具钢基板，选择Ni粉为特定合金元素单质粉末，预铺Ni粉厚度为0.5mm，其它合金元素粉体置于送粉器中，开启激光熔覆装置，开启送粉器6将其它合金元素粉体匀速送入激光熔覆区，通过光斑尺寸调节装置3控制光斑尺寸由0.5*1mm至30*1mm沿激光扫描方向连续变化，使合金中Ni含量沿激光扫描方向呈梯度变化，同时连续调节激光功率从500W提高至800W；激光扫描速度由8mm/s降至3mm/s，重复上述流程。

分别预铺Cr、Mo粉，重复上述工艺流程，可以一次性高通量制备多组具有成分梯度变化的合金样品，通过金相扫描、EDS能谱、XRD、显微硬度试验等方法分析样品的组织、磨面形貌、物相以及成分进行观察和分析筛选的成型性能，筛选样品成型性能良好，致密度均在98.5％以上，金相组织中未见明显的孔洞，未熔合和未熔颗粒少的合金成份参数。

实施例3

采用实施例1所述激光熔覆装置高通量制备Al-Nb-Ti三元合金：

采用Ti基板，选择Ti粉为特定合金元素单质粉末，预铺Ti粉厚度为0.3mm，其它合金元素粉体置于送粉器中，开启激光熔覆装置，开启送粉器6将其它合金元素粉体匀速送入激光熔覆区，通过光斑尺寸调节装置3控制光斑尺寸由0.5*1mm至30*1mm沿激光扫描方向连续变化，使合金中Ti含量沿激光扫描方向呈梯度变化，同时连续调节激光功率从200W提高至400W；激光扫描速度由10mm/s降至5mm/s，重复上述流程。

分别预铺Al、Nb粉，重复上述工艺流程，可以一次性高通量制备多组具有成分梯度变化的合金样品，通过金相扫描、EDS能谱、XRD、显微硬度试验等方法分析样品的组织、磨面形貌、物相以及成分进行观察和分析筛选的成型性能，筛选样品成型性能良好，致密度均在98.5％以上，金相组织中未见明显的孔洞，未熔合和未熔颗粒少的合金成份参数。

在制备合金时，也可选择连续调节其它合金元素粉体的送粉量使其呈梯度变化，即特定合金元素通过激光光斑调控含量变化，其它合金元素通过送粉器6调控含量变化，可一次性高通量制备多组多个元素都具有成分梯度变化的合金样品。

实施例4

采用实施例1所述激光熔覆装置高通量制备Al-Nb-Cr-Ti四元合金：

采用Ti基板，选择Ti粉为特定合金元素单质粉末，预铺Ti粉厚度为0.3mm，其它合金元素粉体置于送粉器中，开启激光熔覆装置，开启送粉器6将其它合金元素粉体匀速送入激光熔覆区，通过光斑尺寸调节装置3控制光斑尺寸由0.5*1mm至30*1mm沿激光扫描方向连续变化，使合金中Ti含量沿激光扫描方向呈梯度变化，同时连续调节激光功率从200W提高至400W；激光扫描速度由6mm/s降至2mm/s，重复上述流程。

分别预铺Al、Nb、Cr粉，重复上述工艺流程，可以一次性高通量制备多组具有成分梯度变化的合金样品，通过金相扫描、EDS能谱、XRD、显微硬度试验等方法分析样品的组织、磨面形貌、物相以及成分进行观察和分析筛选的成型性能，筛选样品成型性能良好，致密度均在98.5％以上，金相组织中未见明显的孔洞，未熔合和未熔颗粒少的合金成份参数。

实施例5

高通量制备Ni-Co-Cr-W-Mo五元合金：

采用3Cr2Mo模具钢基板，选择Ni粉为特定合金元素单质粉末，预铺Ni粉厚度为0.3mm，其它合金元素粉体置于送粉器中，开启激光熔覆装置，开启送粉器6将其它合金元素粉体匀速送入激光熔覆区，通过光斑尺寸调节装置3控制光斑尺寸由0.5*1mm至30*1mm沿激光扫描方向连续变化，使合金中Ni含量沿激光扫描方向呈梯度变化，同时连续调节激光功率从500W提高至800W；激光扫描速度由8mm/s降至3mm/s，重复上述流程。

分别预铺Co、Cr、W、Mo粉，重复上述工艺流程，可以一次性高通量制备多组具有成分梯度变化的合金样品，通过金相扫描、EDS能谱、XRD、显微硬度试验等方法分析样品的组织、磨面形貌、物相以及成分进行观察和分析筛选的成型性能，筛选样品成型性能良好，致密度均在98.5％以上，金相组织中未见明显的孔洞，未熔合和未熔颗粒少的合金成份参数。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高通量制备多元合金的激光熔覆装置，其特征在于：

腔体(9)外设有数控系统(1)和激光器，且数控系统(1)通过激光器与光斑尺寸调节装置(3)相连，光斑尺寸调节装置(3)设置在腔体(9)内壁上，光斑尺寸调节装置(3)下部通过可沿竖直方向移动的Z轴(4)与同轴喷嘴(7)相连通，同轴喷嘴(7)位于X-Y工作台(8)上方；Z轴(4)上设有保护镜(5)，位于腔体(9)外的送粉器(6)通过送粉管道与腔体(9)内的同轴喷嘴(7)相连通；

光斑尺寸调节装置(3)由固定架(31)、积分镜调整架(32)、积分镜(33)、积分镜调整板(34)、固定板(35)、轴承(36)、传动轴(37)、伺服电机(38)和可调节光阑(39)组成；其中积分镜(33)设置在积分镜调整板(34)上，积分镜调整板(34)安装在固定板(35)之上，可根据需要灵活调节积分镜调整板(34)与固定板(35)的位置关系；固定板(35)由固定架(31)支撑并由螺钉相互固定，固定架(31)通过轴承(36)与积分镜调整架(32)相连；可调节光阑(39)设置在积分镜(33)下方，垂直于激光照射方向，伺服电机(38)通过传动轴(37)与可调节光阑(39)相连，可调节光阑(39)外连冷却系统。

2.按照权利要求1所述高通量制备多元合金的激光熔覆装置，其特征在于：所述激光器(2)为光纤激光器。

3.按照权利要求1所述高通量制备多元合金的激光熔覆装置，其特征在于：数控系统(1)同时与伺服电机(38)、X-Y工作台(8)和Z轴(4)相连，用于控制伺服电机(38)的开关以及X-Y工作台(8)和Z轴(4)的移动。

4.按照权利要求1所述高通量制备多元合金的激光熔覆装置，其特征在于：腔体(9)外还设有气瓶(10)，气瓶(10)通过气体管道与腔体(9)内相连通。

5.按照权利要求1所述高通量制备多元合金的激光熔覆装置，其特征在于：所述积分镜(33)为矩形积分镜。

6.按照权利要求1所述高通量制备多元合金的激光熔覆装置，其特征在于：固定架(31)通过轴承(36)与积分镜调整架(32)相连，并通过螺钉锁定位置。

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