一种多能场协同作用的梯度材料制备系统技术方案

本发明专利技术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。裂纹及层间结合等缺陷。裂纹及层间结合等缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种多能场协同作用的梯度材料制备系统


[0001]本专利技术涉及梯度材料制备
，特别是涉及一种多能场协同作用的梯度材料制备系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]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，本专利技术提供一种多能场协同作用的梯度材料制备系统。
[0005]本专利技术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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]铺粉装置用于逐次在基板上形成单层的待加工粉末。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]作为上述方案的进一步改进，制备系统还包括：保护气装置。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛亚琼，徐海军，畅泽欣，侯庆玲，侯敏，乔建福，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：