一种3D打印钛合金的表面改性设备及其表面改性方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印钛合金的表面改性设备及其表面改性方法，该设备包括实验台组件、光学检测组件、加压组件和织构制备组件，所述加压组件包括组合式压板装置和应力平衡压头，压板装置和应力平衡压头与上方加压杆连接，所述织构制备组件包括激光织构装置和/或挤压织构装置，还包括预置织构应力板，预置织构应力板分别与激光织构装置和/或挤压织构装置匹配设置，预置织构应力板用于限制织构制备过程中织构边缘出现隆起。本发明专利技术的技术方案很好地延续了3D打印技术本身的增材理念，在不减少3D打印钛合金本身材料的基础上，获得所需的表面粗糙度的同时提高其耐磨性能等表面性能，延长3D打印钛合金工件的使用寿命。延长3D打印钛合金工件的使用寿命。延长3D打印钛合金工件的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印钛合金的表面改性设备及其表面改性方法


[0001]本专利技术属于3D打印金属的后处理设备，具体涉及一种3D打印钛合金的表面改性设备及其表面改性方法。

技术介绍

[0002]增材制造（3D打印）技术基于分层叠加的特点，不同于传统的减材制造技术，被认为是21世纪制造技的一大创新。增材制造技术借助计算机辅助设计，构建目标三维模型，将分层处理后的模型文件输入增材制造设备控制激光束按照设定轨迹熔化粉末打印构件。选择性激光熔化（SLM）工艺的增材制造技术可以实现复杂构型零件的直接成型，使得加工过程大为简化，极大的提高了生产效率。但是SLM金属增材制造技术面临着成形件表面粗糙度不尽人意的问题，特别是3D打印钛合金表面十多微米甚至几十微米的粗糙度严重影响了3D打印钛合金成形件的直接使用，对3D打印钛合金成形件的表面后处理是必不可少的一步，其加工表面需要经过后续的减材打磨加工，使得表面粗糙度达到相应要求后才能在工业领域加以应用。但是钛合金表面处理本就十分困难，采用传统减材处理钛合金表面的方法会延长生产周期增加成本，也会产生材料的浪费。因此，针对3D打印钛合金工件，如何通过新的后处理工艺，在解决其表面粗糙度的问题，又能提高工件的耐磨性能等表面性能，延长其使用寿命，这是该
的一个很有意义的挑战。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种3D打印钛合金的表面改性设备，延续3D打印技术本身的增材理念，在不减少3D打印钛合金本身材料的基础上，获得所需的表面粗糙度的同时提高其耐磨性能等表面性能，延长3D打印钛合金工件的使用寿命。
[0004]按照本专利技术提供的3D打印钛合金的表面改性设备，其采用的主要技术方案为：包括实验台组件、光学检测组件、加压组件和织构制备组件，所述实验台组件包括可移动工作台和粉末工作台，所述可移动工作台左端为粉末工作台，可移动工作台底端有位移装置，粉末工作台位置固定，粉末工作台设有粉末混合装置和粉末铺放装置，所述光学检测组件包括光学形貌测量探头装置和信息处理装置，光学形貌测量探头装置设置在可移动工作台正上方，所述加压组件包括组合式压板装置和应力平衡压头，压板装置和应力平衡压头与上方加压杆连接，所述织构制备组件位于加压组件一侧，所述织构制备组件包括激光织构装置、挤压织构装置和预置织构应力板，预置织构应力板分别与激光织构装置和挤压织构装置匹配设置，用于限制织构制备过程中织构边缘出现隆起，可移动工作台的移动范围覆盖加压组件与织构制备组件。
[0005]本专利技术提供的3D打印钛合金的表面改性设备，还采用以下附属技术方案：所述光学形貌探头用于对工件表面三维形貌进行测绘。
[0006]所述信息处理装置用于对工件表面三维形貌的模型展示和空间体积计算，所述信
息处理装置与加压组件连接并实时向加压组件反馈信息。
[0007]所述粉末混合装置通过旋转螺杆装置定量可控排出粉末。
[0008]所述粉末铺放装置由多个微管道单元体排列组合成一个整体，所述微管道单元体的底部有封闭板使粉末保持在微管道单元体内，每个微管道单元体上方设有对应的用于排挤粉末的活动活塞。
[0009]所述组合式压板装置包括多个微细压杆，所述微细压杆通过组合获得相应的挤压平面或挤压曲面。
[0010]所述应力平衡压头包括中心压力头和边缘应力平衡压板，在中心压力头加压时边缘应力平衡压板用于限制受压区域以外表面向上隆起。
[0011]所述加压组件还包括液压杆，所述液压杆与应力平衡压头连接。
[0012]所述激光织构装置的激光头发出的激光束在钛合金表面作用区域周边设有用于限制织构边缘隆起的预置织构应力板，所述预置织构应力板的中部设有内孔供激光束通过，所述预置织构应力板的内孔横截面与织构外形匹配。
[0013]所述挤压织构装置的挤压压头在钛合金表面作用区域周边设有用于限制织构边缘隆起的预置织构应力板，所述预置织构应力板的内孔横截面与所述挤压压头匹配，供挤压压头通过。
[0014]本专利技术提供的3D打印钛合金的表面改性方法，包括以下步骤：S1，将3D打印钛合金工件放置在可移动工作台上，通过光学形貌测量探头得到工件表面三维形貌图，通过信息处理装置得到了材料表面的空间体积和凸峰位置，得到对应粉末铺放装置每个微管道单元体的送粉量和组合式压板装置对应不同位置不同硬度的压头选择，实现加压过程时的压面受力均匀，将组合式压板装置安装好；S2，通过粉末混合装置出粉仓的出粉装置向粉末铺放装置每个微管道单元体内输送定量金属粉末，输送完成后将粉末铺放装置组合好位移至工件表面上方铺放粉末，此时材料表面的凸峰高出粉末，组合式压板装置进行加压作业，随着压面下移压面将凸峰弯折压入金属粉末涂层，之后对涂层表面加压，组合式压板装置一次覆盖整个加压平面，通过对压头的选择提高了加压后平面的平整度，完成粉末层与钛合金工件基体的第一次结合；S3，通过粉末混合装置的粉末混合仓制备金属粉末和添加组分的混合粉体，在上一步金属粉末涂层上方铺放一定厚度的混合粉体层或在局部散点式铺放混合粉体，之后应力平衡压头对涂层进行连续或间隔加压作业，实现对混合涂层粉末的塑性变形，该过程中应力平衡压头的边缘应力平衡板能在中心压力头施加压力时抑制未加压区域的隆起，保证平面的平整度，完成粉末层与钛合金基体的第二次结合；S4，采用挤压织构装置和/或激光织构装置进行织构制备，要求织构凹坑深度超过3D打印钛合金基体轮廓的波谷，进入3D打印钛合金基体内部，根据预设织构密度设置和织构位置，制备织构过程中预置织构应力板限制织构边缘区域隆起，完成粉末层和钛合金基体的第三次结合；S5，织构结束后，使用光学探头装置对工件表面进行测绘，针对工件表面粗糙度较大的位置使用应力平衡压头进行平整作业，确保表面粗糙度达到要求，最后使用边角打磨装置对工件边缘的毛刺进行清理。
[0015]按照本专利技术提供的3D打印钛合金的表面改性设备及其表面改性方法，与现有技术
相比有如下优点：1、本专利技术可以在不同微区域表面获得同样的表面，并与3D打印钛合金工件基体表面之间形成更好的结合力。通过光学检测组件分析扫描获得材料表面三维形貌图，将材料平面进行分割对应到组合式压力板和粉末铺放装置的截面上，根据得到的材料表面的凸峰位置设置组合式压力板对应压头的硬度，来实现对材料凸峰的弯折，为了涂层粉末投放后应漏出对应凸峰，根据形貌图得到了与微管道单元体对应的空间体积来确定每个单元体内填充的粉末体积，完成铺粉后，组合式压力板压下使得凸峰弯折扎入涂层粉末中，增强了涂层与基体的结合强度，同时为了解决相同表面积下不同体积粉末造成应力不同的问题，在大体积粉末区选择高硬度压头，来实现压板加压过程中材料表面的均匀受力。
[0016]2、本专利技术通过挤压结构的设计可以满足各种不同轮廓表面的3D打印钛合金工件的挤压处理。通过多个微细压杆组成的组合式压板装置的设计，利用微细压杆通过组合获得相应的挤压平面或挤压曲面，结合组合式压头硬度的对应匹配选择，可以对包括平面或曲面在内的各种异形轮廓进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印钛合金的表面改性设备，其特征在于：包括实验台组件、光学检测组件、加压组件和织构制备组件，所述实验台组件包括可移动工作台和粉末工作台，所述可移动工作台左端为粉末工作台，可移动工作台底端有位移装置，粉末工作台位置固定，粉末工作台设有粉末混合装置和粉末铺放装置，所述光学检测组件包括光学形貌测量探头装置和信息处理装置，光学形貌测量探头装置设置在可移动工作台正上方，所述加压组件包括组合式压板装置和应力平衡压头，压板装置和应力平衡压头与上方加压杆连接，所述织构制备组件位于加压组件一侧，所述织构制备组件包括激光织构装置和/或挤压织构装置，还包括预置织构应力板，预置织构应力板分别与激光织构装置和/或挤压织构装置匹配设置，用于限制织构制备过程中织构边缘出现隆起，可移动工作台的移动范围覆盖加压组件与织构制备组件。2.根据权利要求1所述的3D打印钛合金的表面改性设备，其特征在于：所述光学形貌探头用于对工件表面三维形貌进行测绘；所述信息处理装置用于对工件表面三维形貌的模型展示和空间体积计算，所述信息处理装置与加压组件连接并实时向加压组件反馈信息。3.根据权利要求1所述的3D打印钛合金的表面改性设备，其特征在于：所述粉末混合装置通过旋转螺杆装置定量可控排出粉末。4.根据权利要求1所述的3D打印钛合金的表面改性设备，其特征在于：所述粉末铺放装置由多个微管道单元体排列组合成一个整体，所述微管道单元体的底部有封闭板使粉末保持在微管道单元体内，每个微管道单元体上方设有对应的用于排挤粉末的活动活塞。5.根据权利要求1所述的3D打印钛合金的表面改性设备，其特征在于：所述组合式压板装置包括多个微细压杆，所述微细压杆通过组合获得相应的挤压平面或挤压曲面。6.根据权利要求1所述的3D打印钛合金的表面改性设备，其特征在于：所述应力平衡压头包括中心压力头和边缘应力平衡压板，在中心压力头加压时边缘应力平衡压板用于限制受压区域以外表面向上隆起。7.根据权利要求1所述的3D打印钛合金的表面改性设备，其特征在于：所述加压组件还包括液压杆，所述液压杆与应力平衡压头连接。8.根据权利要求1所述的3D打印钛合金的表面改性设备，其特征在于：所述激光织构装置的激光头发出的激光束在钛合金表面作用区域周边设有用于限制织构边缘隆起的预置织构应...

【专利技术属性】
技术研发人员：田斌，冯青源，黄志刚，毕崇浩，王子妍，
申请(专利权)人：北京工商大学，
类型：发明
国别省市：