一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法，该装置包括至少两个金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台、气氛保护装置；所述气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；熔融涂覆头连接至金属熔炼单元的下端，三维成形平台设置在熔融涂覆头的下方；激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台的一侧，送粉器设置在三维成形平台的另一侧；金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台均设置在气氛保护装置内。本发明专利技术能够实现金属材料高效、高质量、低成本零件及梯度构件的增材制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，涉及熔融涂覆成形装置及方法，尤其是一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法。
技术介绍
增材制造技术(又称为“3D打印”)正在快速改变着传统的生产和生活方式，其核心思想是将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照零件的三维CAD模型的分层数据，将离散态的成形材料逐步结合在一起，形成一个个分层截面，继而逐层堆积形成实体零件，无需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，缩短研制周期。目前，相对成熟的金属件增材制造技术主要有激光快速成形，如选区激光熔融(SelectiveLaserMalting，SLM)、直接金属烧结(DirectMetalLaserSintering，DMLS)和激光净近成形(LaserEngineeringNetShaping，LENS)；电子束快速成形，如电子束熔融(ElectronBeamMelting，EBM)，等离子快速成形，如等离子溶剂直接制造(PlasmaPowderDepositionManufacturing，PPDM)；电弧熔积快速成形，如电弧直接制造技术(ArcDirectRapidPrototypingManufacturing，ADRPM)等。功能梯度材料(FunctionallyGradedMaterials，FGMs)是指一类在结构和组成要素上连续或准连续变化，从而获得能相应于结构与组成变化而渐变的非均质复合材料，其不同于传统的均质材料，从宏观上来看，它是一个非均质材料，但也不同于传统的复合材料，没有明显界面。目前，用于制备功能梯度材料的常规方法很多，从陶瓷和金属微粒出发有粉末冶金法、等离子喷涂法和自蔓延高温合成法(SHS)等。从气相出发有物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)，另外还有电沉积法、离心铸造法、热分解法、扩散法、溶胶—凝胶法、离子交换法和氧化还原法等，但上述方法均存在层间结合强度不足、受零件复杂程度所限等问题。利用激光快速成形技术制备功能梯度材料是近年来快速发展的新技术，其原理是通过改进激光成形系统的送粉装置，使其可以同时输送两种或两种以上的粉末来制备功能梯度材料。但该方法制备的功能梯度材料仍存在层间结合力不足，成形件致密度不足，材料分布不均等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置及方法，其能够实现金属材料高效、高质量、低成本零件及梯度构件的增材制造。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：这种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，包括至少两个金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台、气氛保护装置；所述气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；所述熔融涂覆头连接至金属熔炼单元的下端，所述三维成形平台设置在熔融涂覆头的下方；所述激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台的一侧，所述送粉器设置在三维成形平台的另一侧；所述金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台均设置在气氛保护装置内；所述气氛保护装置为手套箱。进一步，上述金属熔炼单元包括自上而下依次设置的密封装置、加热元件、冷却装置、温度及气压监测元件、与涂覆头相连接的熔体内流道接口。进一步，上述的金属熔炼单元的加热方式是电阻、感应加热或微波加热。进一步，上述气压驱动装置包括气源、减压阀、连接管路和动态密封元件；所述气源依次通过减压阀、连接管路和动态密封元件连接至金属熔炼单元的上端；在连接管路上还设置有流量控制器；所述连接管路还有一支路连接至气氛保护装置。进一步，上述气压驱动装置与金属熔炼单元连接处设有密封盖、垫圈及冷却部件。进一步，上述熔融涂覆头由上至下包括有加热保温元件、涂覆内流道和可拆卸的涂覆头出口元件；所述熔融涂覆头上还设置有测温元件；所述熔融涂覆头还设有与金属熔炼单元连接的锁紧元件及密封垫圈。进一步，上述激光表面辅助重熔装置包括激光器、聚焦镜、光纤管路、冷却元件；所述聚焦镜设置在激光器的激光出口，所述光纤管路设置在聚焦镜的出射端，且所述光纤管路的光出口端朝向三维成形平台的工作面。进一步，上述送粉器包括载粉气源，所述载粉气源通过管路连接有储料元件，所述储料元件的端部连接送粉通道，所述送粉通道的出口端朝向三维成形平台的工作面；所述的三维成形平台为旋转式成形平台或非回转式成形平台。本专利技术还提出一种基于上述金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置的成形方法，包括以下步骤：步骤1：根据成形件需求，成形材料的属性，确定需要加热熔化金属的质量，将成形材料经表面去氧化皮、干燥处理；步骤2：将步骤1处理后的材料放入金属熔炼单元中，用密封装置进行密封；步骤3：开启气氛保护装置，使金属熔炼单元部分结构、熔融涂覆头、送粉通道、激光表面辅助重熔装置的光纤管路、三维成形平台都在惰性气体的保护下工作，根据成形材料特性，确定手套箱内的水氧含量范围，开启气源向成形腔体内通入惰性气体；步骤4：启动金属熔炼单元的加热元件和水冷装置，根据材料熔点，设定加热温度，调整温升曲线，确保金属材料的熔炼质量；步骤5：开启涂覆头加热保温元件，设定预热温度及保温时间，成形基板的预热温度、调节气压驱动装置的压力范围，及动态密封元件的工作状态；步骤6：开启激光表面辅助重熔装置，熔化已经涂覆成形表面，在已成形层与熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池，实现不同成形层间的冶金结合；步骤7：当金属熔炼单元的保温时间、熔融涂覆头的预热时间、成形基板的预热温度达到设定时，打开气压驱动装置、三维运动平台的旋转轴，调节运动参数，根据成形件的分层数据，金属熔体通过熔体内流道、熔融涂覆头，开始涂覆第一层成形；当第二层开始涂覆时，调整旋转轴转速、三维成形平台下降、移动，按照步骤6所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池，实现不同成形层间冶金结合；步骤8：当成形件为非回转件时，将成形基板固定于三维运动平台，调节成形基板与熔融涂覆头的间距、设定基板的预热温度；重复步骤5-7实现非回转件第一层涂覆成形；成形第二层时，运动平台下降、移动；按照步骤6所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池，保证不同成形层间冶金结合；步骤9：当成形件为回转类梯度功能构件时，根据需求在两个熔炼单元中熔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，包括至少两个金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台、气氛保护装置；所述气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；所述熔融涂覆头连接至金属熔炼单元的下端，所述三维成形平台(6)设置在熔融涂覆头的下方；所述激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台(6)的一侧，所述送粉器设置在三维成形平台(6)的另一侧；所述金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、三维成形平台(6)均设置在气氛保护装置内；所述气氛保护装置为手套箱(13)。

【技术特征摘要】
1.一种金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特征在于，包括至少
两个金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重
熔装置、送粉器、三维成形平台、气氛保护装置；
所述气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；
所述熔融涂覆头连接至金属熔炼单元的下端，所述三维成形平台(6)
设置在熔融涂覆头的下方；
所述激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台(6)的一侧，所述送粉
器设置在三维成形平台(6)的另一侧；
所述金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、送粉器、
三维成形平台(6)均设置在气氛保护装置内；
所述气氛保护装置为手套箱(13)。
2.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特
征在于，所述金属熔炼单元包括自上而下依次设置的密封装置(1-1)、加
热元件(1-2)、冷却装置、温度及气压监测元件、与涂覆头相连接的熔体
内流道(1-3)接口。
3.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特
征在于，所述的金属熔炼单元的加热方式是电阻、感应加热或微波加热。
4.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特
征在于，所述气压驱动装置包括气源(2-1)、减压阀(2-2)、连接管路(2-3)
和动态密封元件(2-5)；所述气源(2-1)依次通过减压阀(2-2)、连接管
路(2-3)和动态密封元件(2-5)连接至金属熔炼单元的上端；在连接管
路(2-3)上还设置有流量控制器(2-4)；所述连接管路(2-3)还有一支
路连接至气氛保护装置。
5.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特
征在于，所述气压驱动装置与金属熔炼单元连接处设有密封盖、垫圈及冷
却部件。
6.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特
征在于，所述熔融涂覆头由上至下包括有加热保温元件(3-1)、涂覆内流
道(3-2)和可拆卸的涂覆头出口元件(3-3)；所述熔融涂覆头上还设置有
测温元件；所述熔融涂覆头还设有与金属熔炼单元连接的锁紧元件及密封
垫圈。
7.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特
征在于，所述激光表面辅助重熔装置包括激光器(4-1)、聚焦镜(4-2)、
光纤管路、冷却元件；所述聚焦镜(4-2)设置在激光器(4-1)的激光出
口，所述光纤管路设置在聚焦镜(4-2)的出射端，且所述光纤管路的光
出口端朝向三维成形平台(6)的工作面。
8.根据权利要求1所述的金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置，其特
征在于，所述送粉器包括载粉气源(5-1)，所述载粉气源(5-1)通过管路
连接有储料元件(5-2)，所述储料元件(5-2)的端部连接送粉通道(5-3)，
所述送粉通道(5-3)的出口端朝向三维成形平台(6)的工作面；所述的三
维成形平台(6)为旋转式成形平台或非回转式成形平台。
9.一种基于上述1-8任意一项金属材料梯度构件熔融涂覆成形装置的
成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据成形件需求，成形材料的属性，确定需要加热熔化金属
的质量，将成形材料经表面去氧化皮、干燥处理；
步...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜军，魏正英，卢秉恒，方学伟，陈祯，王鑫，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61