【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光增材制造领域，尤其涉及一种环境可调的高性能激光增材系统及制造方法。
技术介绍
1、激光增材制造技术是一种以激光为能量源，基材表面进行熔化形成熔池，同时向熔池内添加粉末材料，通过逐层叠加的方式，实现金属材料的三维立体成型。激光具有能量密度高的特点，可实现难加工金属的制造，比如航空航天领域采用的钛合金、高温合金等，同时激光增材制造技术还具有不受零件结构限制的优点，可用于结构复杂、难加工以及薄壁零件的加工制造。然而，针对常压大气氛围激光增材制造构件内部冶金缺陷显著降低材料的服役性能，成型件耐腐蚀性能不足，外观不够美观影响其产品质量、成品率及市场应用的难题。如常压下大气氛围下激光增材制造高氮钢存在气孔率极高，氮损失严重，力学性能差的问题；常压大气氛围下的激光增材制造在逐层制造过程中热积累逐渐增加，冷却速率难以进一步提升；常压大气氛围下激光增材制造过程中不可避免地产生大量高温氧化的氧化皮，氧化皮在逐层沉积过程中被重熔进入熔池，形成大量氧化物夹杂和局部裂纹敏感点，降低沉积层冶金质量，削弱力学性能；常压大气氛围下激光增材制造产品耐蚀性难以进一步提高；常规水下激光增材制造难以模拟实际高泥沙水下环境、核电厂水下环境、化工厂溶液等多种极端工业环境中激光增材制造修复过程。
2、中国专利cn219590168u，公开了一种深水激光增材压力环境模拟实验装置，包括压力罐、 水箱和控制器，该装置通过压力罐作为模拟水下压力环境的载体，以控制工件在三个维度上进行协同运动；通过控制器进行自动联动工作并对送粉量、激光功率、熔覆路径、离焦
3、然而，首先，该装置的设计思想仅限制于实现在水下压力环境的激光增材制造，未能反过来合理利用环境为提高增材制造成形质量服务；其次，该装置仅实现水下环境的构建，无法构建多种溶液环境，且缺乏具体详细的溶液构造方式和构造溶液所设计的具体结构。最后，该装置无法针对水环境开展实时检测，反馈并实时调整溶液状态。
4、中国专利cn219590168u, 公开了一种海洋宽温域非稳态模拟环境下水下变压增材修复试验装置。为了解决现有的水下激光增材修复模拟试验装置存在对实际的极端海洋环境因素考量与耦合性不足的问题。该水下变压增材修复试验装置中的主水箱呈凹字形空腔结构，主水箱的内凹处形成第一腔室，主水箱的内部空腔形成第二腔室，第一腔室和第二腔室的侧壁上设置有补水-排水喷嘴组；水压模拟调节系统包括耐压密封舱、过渡舱、两个高压储气罐和进排气喷嘴等，三向移动手臂设置在耐压密封舱的顶壁上，水下激光枪头固定在三向移动手臂上并位于待修复工件上方。该专利技术能实现海水环境的影响因素可控调节，从而在实验室条件下实现模拟环境下多种极端工况下的水下激光增材修复模拟试验。
5、然而，首先该装置的设计思想限制于实验室条件下模拟多种极端海洋工况的水下激光增材修复实验，未能反过来合理利用环境为提高增材制造成形质量服务；其次，该装置仅实现热带、极地、深海等水下环境的构建，涉及到调节海水盐度、温度、压力和流速，未能突破海洋环境的思维限制，实现多种溶液中的增材制造；再者，该装置仅局限于调节海水环境的溶液盐度、温度、压力和流速等参数，调节参数有限，调节的溶液种类单一，且无法在必要的时候基于制液系统及时补充所消耗的溶液。
技术实现思路
1、针对常压大气氛围激光增材制造构件内部冶金缺陷显著降低材料的服役性能，成型件耐腐蚀性能不足，外观不够美观影响其产品质量、成品率及市场应用的难题, 本专利技术提供了一种环境可调的高性能激光增材系统以及制造方法，本专利技术能够在控制一定压力的溶液介质中进行激光增材制造，通过调整环境气体成分、压力、溶液介质特征，有效调控熔池冶金过程中缺陷的形成，能够显著提升增材制造材料内部冶金结合质量和力学性能，提高产品的耐腐蚀性能和外型美观性。此外，本专利技术通过调节溶液成分，可模拟实际海洋、湖泊、江河、核电站压水堆、化工厂储液罐等环境可实现多种环境下的激光增材制造的模拟实验研究。
2、本申请提供了 一种环境可调的高性能激光增材系统，包括：高压舱系统、溶液环境构造系统、激光增材制造系统；
3、所述高压舱系统包括高压舱主体、原料腔与溶液构造腔，所述高压舱主体用于盛放溶液，所述原料腔用于长期盛放不同的原料液；
4、溶液环境构造系统包括溶液传感器与气-液控制模块，气-液控制模块根据溶液状态传感器的溶液状态参数在所述溶液构造腔内构造、监测、调节溶液环境；
5、所述激光增材制造系统包括激光器、激光头、送粉器、保护罩、气瓶组与基板，所述激光头设置在所述保护罩形成的保护区域内，气瓶组提供特殊成分气体以在溶液环境内形成局部干区；所述激光器产生激光传输至激光头，激光折射汇聚于基板的预设点形成微熔池，送粉器向所述激光头传输金属粉末，金属粉末与激光相互作用形成液态熔池，激光头执行复杂的运动轨迹和逐层沉积合金粉末。
6、在一些实施方式中，所述高压舱主体的横截面呈圆形，沿所述高压舱主体的外壁向高压舱主体的中心方向，由外到内依次设置原料腔、溶液构造腔和工作腔；所述原料腔为沿圆周均匀分布的多个独立腔室，每个独立腔室用于长期存放不同原料液；
7、所述溶液构造腔设置在所述原料腔的外部，为环形的单一腔室；所述原料腔和所述溶液构造腔底部均设置有一向下的倾斜面；所述工作腔用于构建激光增材制造所需的特种溶液环境。
8、在一些实施方式中，所述原料液的种类不少于1种；原料液互相混合形成过渡溶液，多种成分溶液以预设先后次序配置，经充分反应且成分均匀的溶液形成目标溶液；
9、所述气-液控制模块包括气瓶组、多个气体通道，液体通道、气路电控阀门和液路电控阀，通过气路电控阀门和液路电控阀控制所述原料腔、所述溶液构造腔的压力以及液体的流动；
10、所述溶液状态传感器设置于所述工作腔的侧壁上，实时监测工作腔内溶液环境的状态参数。
11、在一些实施方式中，每个原料腔上均至少设置一个进液通道、一个进气通道和一个出气通道；每个进液通道、进气通道和出气通道上均设置有电控阀门；溶液原料通过原料腔进液通道进入原料腔内，添加原料液；原料腔内多余的气体通过原料腔出气通道排出高压舱主体，高压气体通过原料腔进气通道向原料腔内的溶液原料施加压力；电控阀门用于控制其对应流经气体或流经液体的流量和压力。
12、在一些实施方式中，溶液构造腔上部设置有一出气通道和一进气通道，溶液构造腔的底部设置有一进液通道和一排液通道；溶液构造腔的出气通道、进气通道、进液通道和排液通道上分别设置有独立的电控阀门；原料腔内的原料液按照溶液配置的先后顺序，通过溶液构造腔的进液通道向溶液构造腔内通入原料液，形成过渡溶液；溶液构造腔内多余本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，包括：高压舱系统、溶液环境构造系统、激光增材制造系统；
2.根据权利要求1所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，所述高压舱主体的横截面呈圆形，沿所述高压舱主体的外壁向高压舱主体的中心方向，由外到内依次设置原料腔、溶液构造腔和工作腔；所述原料腔为沿圆周均匀分布的多个独立腔室，每个独立腔室用于长期存放不同原料液；
3.根据权利要求2所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，所述原料液的种类不少于1种；原料液互相混合形成过渡溶液，多种成分溶液以预设先后次序配置，经充分反应且成分均匀的溶液形成目标溶液；
4.根据权利要求3所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，每个原料腔上均至少设置一个进液通道、一个进气通道和一个出气通道；每个进液通道、进气通道和出气通道上均设置有电控阀门；溶液原料通过原料腔进液通道进入原料腔内，添加原料液；原料腔内多余的气体通过原料腔出气通道排出高压舱主体，高压气体通过原料腔进气通道向原料腔内的溶液原料施加压力；电控阀门用于控制其对应流经气体或流经
5.根据权利要求3所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，溶液构造腔上部设置有一出气通道和一进气通道，溶液构造腔的底部设置有一进液通道和一排液通道；溶液构造腔的出气通道、进气通道、进液通道和排液通道上分别设置有独立的电控阀门；原料腔内的原料液按照溶液配置的先后顺序，通过溶液构造腔的进液通道向溶液构造腔内通入原料液，形成过渡溶液；溶液构造腔内多余的气体通过溶液构造腔的出气通道排出高压舱；
6.根据权利要求5所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，所述工作腔侧壁上设置有多个溶液状态传感器，所述溶液状态传感器用于实时监测并反馈溶液状态参数；
7.根据权利要求5所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，所述激光器、送粉器和气瓶组设置于高压舱外部，机械手、激光头和保护罩设置于高压舱内部；所述机械手一端固定于所述高压舱主体内壁，另一端固定连接保护罩；所述激光头固定于保护罩内，机械手通过保护罩带动激光头沿预设轨迹运动；
8.一种环境可调的高性能激光增材制造方法，其特征在于，应用于如权利要求1~7任意一项所述的一种环境可调的高性能激光增材系统及制造方法中，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种环境可调的高性能激光增材制造方法，其特征在于，所述步骤S5中通过气瓶组和溶液构造系统，构建激光增材所需的气体环境和溶液环境，具体为，
10.根据权利要求8所述的一种环境可调的高性能激光增材制造方法，其特征在于，在步骤S6中，所述激光增材制造系统的激光光斑直径为2~4 mm， 激光功率为2000~5000 W，扫描线速度为 800 ~1500 mm/min，送粉量为10~30 g/min，单层内道与道之间的搭接率为30%~60%，沉积层高度为0.4~1.5 mm，送粉气体流量为15~25 L/min, 送粉气压力比高压舱内的压力高0.3 MPa；
...【技术特征摘要】
1.一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，包括：高压舱系统、溶液环境构造系统、激光增材制造系统；
2.根据权利要求1所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，所述高压舱主体的横截面呈圆形，沿所述高压舱主体的外壁向高压舱主体的中心方向，由外到内依次设置原料腔、溶液构造腔和工作腔；所述原料腔为沿圆周均匀分布的多个独立腔室，每个独立腔室用于长期存放不同原料液；
3.根据权利要求2所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，所述原料液的种类不少于1种；原料液互相混合形成过渡溶液，多种成分溶液以预设先后次序配置，经充分反应且成分均匀的溶液形成目标溶液；
4.根据权利要求3所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，每个原料腔上均至少设置一个进液通道、一个进气通道和一个出气通道；每个进液通道、进气通道和出气通道上均设置有电控阀门；溶液原料通过原料腔进液通道进入原料腔内，添加原料液；原料腔内多余的气体通过原料腔出气通道排出高压舱主体，高压气体通过原料腔进气通道向原料腔内的溶液原料施加压力；电控阀门用于控制其对应流经气体或流经液体的流量和压力。
5.根据权利要求3所述的一种环境可调的高性能激光增材系统，其特征在于，溶液构造腔上部设置有一出气通道和一进气通道，溶液构造腔的底部设置有一进液通道和一排液通道；溶液构造腔的出气通道、进气通道、进液通道和排液通道上分别设置有独立的电控阀门；原料腔内的原料液按照溶液配置的先后顺序，通过溶液构造腔的进液通道向溶液...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩恩厚，孙桂芳，
申请(专利权)人：广东腐蚀科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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