CN101342640B - 激光快速成型制备功能梯度材料的同轴送粉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光快速成型制备功能梯度材料的同轴送粉系统，包括进粉器，通过载气吸取传送粉末，通过第1输送管与粉末混合器相连通；粉末混合器，对进粉器送入的粉末进行混合，经过第2输送管进入分粉器；分粉器，将混合后的粉末分成多路，通过第3输送管分别与喷嘴的粉末入口相连通；喷嘴，将多路粉末汇聚于激光形成的熔池内，在激光及粉末的熔覆作用下，完成功能梯度材料的制备。本发明粉末混合均匀，具有良好的送粉性能，可以实现最优加工，同时也可适应不同的加工距离，粉末利用率高，制造精度好，同时粉末输送距离在一定范围内可调，不受制造空间限制。
Description
技术领域
本发明涉及材料复合技术领域中功能梯度材料制备的送粉系统，具体地说是一种激光快速成型制备功能梯度材料的同轴送粉系统。
背景技术
功能梯度材料的研究开发最早始于1987年日本科学技术厅的一项“关于开发缓和热应力的功能梯度材料的基础技术研究”计划。所谓功能梯度材料是根据使用要求，选择使用两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间的组成和结构连续呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。激光快速成型技术是指采用大功率激光束在加工基板表面形成熔池的同时，将由保护气运输的金属粉末送入熔池互熔并形成熔覆层。随着激光束与基板按事先设计的加工轨迹进行相对运动，将在基板表面沉积形成熔覆层，激光加工每完成一层沉积，同轴喷嘴将相对基板向上平移一层的高度，继续沉积下一层，直至零件制备结束。
利用激光技术制备功能梯度材料的研究开始得较早，而激光快速成型技术制备功能梯度材料则是最近才发展起来的。无论是以前的技术还是现在的激光快速成型技术，其制备功能梯度材料的原理都是相同的，都是利用高能激光束熔覆复合粉末，但是在制备过程中其送粉和产生梯度的方式却不尽相同。第一种方法是利用粉末在熔池的自由沉降形成梯度材料。这种制备功能梯度材料的方法源于激光表面改性，其方法是先用激光束在基材上照射产生溶池，然后在光斑后面的熔池内紧跟着送粉末(要保证粉末不能和激光束接触)，随着熔池的逐渐冷却，粉末在溶池中重力沉降自然形成梯度层，这种方法送粉系统结构简单，但粉末利用率较低。第二种方法是采用预铺粉方式形成梯度材料。采用预铺粉制备功能梯度材料的方法比较简单，首先把混合粉末A、B以不同的比例混合、研磨均匀后，预先将混合粉末涂覆在基体材料试样表面，预覆层厚度根据光斑大小和激光功率自行调节，然后用激光光束照射重熔试样表面预置层形成AB的合金化层，这种方法的缺点是粉末混合不均匀，难以形成真正意义上的功能梯度材料，且粉末浪费较多。
发明内容
针对上述现有技术中存在的诸多不足，本发明的目的在于提供一种输送粉末稳定均匀、粉末利用率高、具有良好送粉性能的激光快速成型制备功能梯度材料的同轴送粉系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明具有进粉器，通过载气吸取传送粉末，通过第1输送管与粉末混合器相连通；粉末混合器，对进粉器)送入的粉末进行混合，经过第2输送管进入分粉器；分粉器，将混合后的粉末分成多路，通过第3输送管分别与喷嘴的粉末入口相连通；喷嘴，将多路粉末汇聚于激光形成的熔池内，在激光及粉末的熔覆作用下，完成功能梯度材料的制备。
所述喷嘴内部采用三层结构，内层为与喷嘴同轴设置的激光及保护气通道，该通道出口与喷嘴出粉口在喷嘴前端部汇合；第二层为粉流腔，于激光及保护气通道的外层与之同轴环状设置，该粉流腔的粉末入口均布于喷嘴中部等高位置，粉流腔的粉末出口即为喷嘴出粉口；第三层为第1水冷腔，环设于粉流腔外层；在喷嘴的后端还具有第2水冷腔，环设于激光及保护气通道的外层；在喷嘴的粉末入口等高截面环设有分粉环，分粉环上均布有多个孔即分粉环孔；所述喷嘴的前端设有校直孔，喷嘴出粉口内嵌于喷嘴的前端；喷嘴的后端设有调节连接套，通过调节连接套上的调节螺钉对喷嘴进行径向调节；所述进粉器为多个，每个进粉器有一个粉末出口，分别通过第1输送管与粉末混合器相连通；所述进粉器具有箱体及粉斗，粉斗出粉口设于箱体内转盘的环形槽上方，在环形槽的相应位置设有吸粉嘴，该吸粉嘴通过出粉管经粉末出口、第1输送管与粉末混合器的混合器进粉口相连；所述转盘通过减速机接至步进电机的输出轴。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.粉末混合均匀。本发明系统通过多个均匀分布的粉末通道进入粉末混合器，并在粉末混合器的锥顶以相同速率汇聚，在粉末混合器的出粉口处保证了多路粉末的混合均匀性，同时由于在第1、2输送管中通入高速载气，使粉末在输送管中接近于均匀分布，呈悬浮状态输送，进一步改善了粉末混合的均匀性问题。
2.具有良好的送粉性能。本发明和系统可同时输送多种不同的粉末，在1～150g/min范围内可以实现连续调节，送粉均匀易控，且避免了粉末的聚团和粘滞，可以很好的控制粉末间的配比，实现多种合金熔覆层之间的材料梯度变化。
3.可以实现最优加工，同时也可适应不同的加工距离。本发明系统在喷嘴后端设有调节连接套，可以调节激光光斑尺寸的大小，还可以调节粉末流束焦点位置以适应不同的加工距离，实现最优加工。
4.粉末利用率高，制造精度好。本发明根据光斑熔池的大小来设计从喷嘴喷射出的粉末的会聚直径大小，这样可以是更多的粉末进入熔池形成熔覆层，从而减少了粉末的浪费；由于是同轴送粉，只有在加工区域才进行粉末的熔覆，非加工区域没有粉末的预铺，降低成本与减少后续加工，同时由于可以很好的控制粉末的输送量，每一个熔道的宽度和厚度得到了较好的控制，整个熔覆层的平面度较小，制造精度高。
5.粉末输送距离在一定范围内可调，不受制造空间限制。本发明系统各部件之间通过第1～3输送管相连，系统元部件的摆放因地制宜，安装方便。
附图说明
图1为本发明系统总体结构框图；
图2为本发明系统中进粉器结构示意图；
图3A为本发明系统中粉末混合器结构主视图；
图3B为本发明系统中粉末混合器结构仰视图；
图4A为本发明系统中分粉器结构主视图；
图4B为本发明系统中分粉器结构俯视图；
图5为本发明系统中喷嘴结构示意图；
图6A为本发明系统喷嘴中分粉环结构主视图；
图6B为本发明系统喷嘴中分粉环结构俯视图。
具体实施方式
本发明为通过激光快速成型技术制备功能梯度材料的系统，通过改进激光快速成型系统的送粉系统，使其可同时输送2种以上的粉末材料，并可按照需要对不同粉末材料的比例进行调节控制。为了能够在激光快速成型过程中实现合金粉末的定量进给、混合、分粉以及喷射熔覆，如图1所示，本发明的系统主要由五个部分组成：进粉器1、粉末混合器2、分粉器3、喷嘴4和控制装置。其中进粉器1，通过载气吸取传送粉末，其出粉口通过第1输送管5(3根)与粉末混合器三个入口相连通；粉末混合器2，对进粉器1送入的粉末进行混合，经过第2输送管6(一根)进入分粉器3的入口；分粉器3，将混合后的粉末均匀分成多路，通过第3输送管7(4根)分别与喷嘴4的4个粉末入口相连通；喷嘴4，将多路粉末汇聚于激光形成的熔池内，在激光及粉末的熔覆作用下，完成功能梯度材料的制备。
如图2所示，所述进粉器1，其具有箱体13及粉斗11，粉斗出粉口设于箱体13内转盘15的环形槽上方，在环形槽的相应位置设有吸粉嘴14，该吸粉嘴14通过出粉管12经粉末出口、第1输送管5与粉末混合器2的进粉口相连；所述转盘15通过减速机17接至步进电机16的输出轴。
如图5所示，所述喷嘴4为同轴送粉喷嘴，内部采用三层结构，内层为与喷嘴4同轴设置的惯通喷嘴4后端和前端的激光及保护气通道406，该激光及保护气通道406出口与喷嘴出粉口410在喷嘴4前端部汇合；第二层为粉流腔409，于激光及保护气通道406的外层与之同轴环状设置，该粉流腔409的粉末入口均布于喷嘴4中部等高位置，粉流腔409的粉末出口即为喷嘴出粉口410；第三层为第1水冷腔408，环设于粉流腔409外层；所述在喷嘴4的后端还具有第2水冷腔403，环设于激光及保护气通道406的外层；在喷嘴4的粉末入口等高截面处环设有分粉环407，该分粉环407上均布有多个分粉环孔4071(如图6A、6B所示)，孔的；所述喷嘴4的前端设有校直孔411，喷嘴出粉口410内嵌于喷嘴4的前端；喷嘴4的后端设有调节连接套402，通过调节连接套402上的调节螺钉401对喷嘴4进行径向调节。
本实施例中包括三个独立的进粉器1，其粉末出口分别通过3根第1输送管5与粉末混合器2的三个进粉口23相连。粉末混合器2为一个三进一出的装置，混合后的粉末经第2输送管6进入分粉器3，该分粉器3为一个一进四出的装置，其将粉末分成四路分别送至喷嘴4的四个粉末入口，再由喷嘴4的出粉口喷出。
进粉器1的工作情况直接决定粉末流量的稳定性与均匀性，从而影响金属功能零件成型的全过程。进粉器是基于气体动力学原理，通过载气的吸取传送粉末，它是在刮吸式进粉器和转盘刮板式进粉器的基础上设计出的一种新型进粉器。本发明进粉器1的转盘上有一定宽度和深度的环形槽，由步进电机16通过减速机17带动转动，粉末从粉斗出口在重力和气压的作用下落到转盘15的环形槽内并均匀分布。载流气体通过吸粉嘴14将粉末以流动的形式送出。粉末的输送量由环形槽形状、尺寸和转盘的转速控制。转盘经过加工，环形槽形状和尺寸一定，粉流量由粉斗出口与环形槽的距离控制，则送粉量只由转盘转速决定。粉末输送过程采用封闭式载气系统，通过压气式气力输送，有利于粉末流动和混合。为了实现三个进粉器1分别独立高精度地控制转盘的转速，选用步距角小的步进电机16，并且通过速比较大的减速机17(1/50-1/70，本实施列采用1/60)与转盘15连接，使转盘有更精确的转速。
如图3A、3B所示，粉末混合器的工作原理是采用锥体上开均匀分布的多个粉末通道(本实施例为3个)，通道上宽下窄，粉末从混合器进粉口21进入，然后从混合器中粉锥22的锥底向锥顶运动，最后从出粉口23送出，粉末颗粒由载气从进粉器输送出时具有较高的速度，在载气的推动下保证了粉末颗粒向前运动，在锥顶处会聚混合，而且在从混合器出粉口23处出来时能够保证粉末的混合均匀性。由于输送气流速度较大，粉末进入第2输送管6后在管内接近于均匀分布状态，呈悬浮状态输送，这样混合粉末容易分散均匀及流畅运输，且输送管道不会堵塞，进一步改善了粉末混合均匀性的问题。
实现激光同轴送粉的一个关键问题在于获得与激光束同轴输出的圆对称均匀分布的粉末流，为此采用多路送粉合成方案。如图4A、4B所示，分粉器3的结构与粉末混合器2相似。只是粉末经分粉器进粉口31沿粉锥32从锥顶向锥底运动，然后进入多个粉末通道(本实施例为4个)，分别从粉锥32的锥底分粉器出粉口33流出，经4根第2输送管送入喷嘴4的4个进粉口。
喷嘴4最基本的功能包括通光与粉末的均匀汇聚，粉末汇聚程度越高，则粉末利用率越高、制造精度越高。由于喷嘴与熔池距离很近，熔池的辐射热易使喷嘴端部升温，造成喷嘴堵粉或损坏，因此要有水冷功能。不同粉末的抗氧化性不同，喷嘴通常还设计有惰性气体通路，以保护熔池。而本发明采用在粉流腔中通入惰性气体做为载气，即起到输送粉末作用，又起到保护粉末不被氧化的作用，所以喷嘴4采用了从内到外三层结构，内层通激光，同时通有同轴保护气(氦气)保证透镜不被污染和整形粉末流束。第二层是粉末通道——粉流腔409，粉末经粉流腔409到达环形出粉口410，再汇聚进入光束作用区，经过与激光的相互作用吸收能量到达基体，进入熔池冷却后凝固形成覆层。输送粉末的载气(氩气)隔绝了激光熔池中高温熔体与空气的直接接触，很好地保证了基体表面成功地利激光熔融覆合金材料的先决条件。第三层是水冷部分，包括第1水冷腔408及第2水冷腔403，内外结合全部采用循环水冷却，为防止加工过程中喷嘴4过热造成喷嘴堵粉或损坏，在靠近熔池的部件都采用焊接结构以形成水冷腔，由水冷机组向水冷腔内注入冷水，循环水流可以及时带走因长时间加工而蓄积在喷嘴4上的热量，防止喷嘴过热，保证工作过程的稳定。喷嘴4的出粉口采用内嵌结构，并添加校直孔，经过尺寸优化，使出粉口与校直孔之间有1～3mm的距离，既可防止粉末堵塞，又可使粉末良好汇聚。
本实施例在设计喷嘴结构时，通过理论计算，粉粒束碰撞后形成的粉帘所形成的扇形中心角略大于90°，所以在设计中采用四路粉管均布的送粉方式，可以形成一个封闭的粉帘。为了使粉末具有更好的流动性和会聚性，第3输送管7与喷嘴4上的铜管连接，该铜管的出口轴线与粉流腔法线呈一定角度(25～35度，本实施例采用30度)，这样粉末进入粉流腔时沿内腔壁螺旋方向前进，避免粉末直接撞击内腔壁，而使粉末四射失去流动会聚性。粉末进入粉流腔之前要经过分粉环407，本实施例中分粉环上设有36个分粉环孔4071孔，它的作用有两个：一是可以使粉末进一步混合均匀，二是改变粉末的螺旋前进方向，使粉末沿锥面轴线方向流动，开始汇聚。
为了使粉末流聚得更好，粉流腔采用小内径大汇聚角，并对出粉口和校直孔411进行尺寸优化。
熔覆过程中对熔道宽度(即基体上激光在同一高度向左或者向右移动一次熔覆的宽度)要求不同，因此喷嘴4还设计有调节光斑尺寸的功能，以得到宽窄不同的熔道；为了具备调节焦点位置和光斑大小的功能，使光束能从喷嘴的中心轴线处射出，确保对称性，本发明系统在喷嘴后端设计一个调节连接套402，通过调节连接套402两端的螺纹与喷嘴及光路出口分别连接，通过螺纹旋合长度调节光斑尺寸的大小；调节连接套402径向均匀分布4个调节螺钉401，可以调节焦点位置，一旦调好，由锁紧螺母锁死，完成了调节过程。
为了便于加工，本部件采用分体式，由两部件组成，并且为了保证各个部分的同轴度，采用定向轴404定位，螺纹连接方式405。原喷嘴一般采用四层结构，结构复杂，定位和连接全部采用螺纹，使各个部件的同轴度降低。腔体呈锥形，而且长度大，属于深孔，加工难度大，工艺性差。
本实施例中，控制装置的主要功能是，针对加工的功能梯度材料零件的加工路径文件、扫描方式、扫描间距、性能要求和加工效率，在选定合适的激光加工功率的前提下，对3台进粉器1的送粉电机，根据要求的粉末混合比设定转动速度，并向进粉器1的步进电机16驱动器发出相应的脉冲指令，步进电机16带动转盘15实时接收相应比例的粉末，通过吸粉嘴14及第1输送管5在载气的作用下向粉末混合器2输送粉末，并在粉末混合器2内混合成为加工所需的梯度材料粉末。
本发明的工作过程如下：
本发明系统在加工过程进行粉末的输送、配比混合、分粉和与激光的同轴喷射。具体实现过程为：外界气源的载流气体进入进粉器1的箱体13和粉斗11，使箱体13和粉斗11内充满平衡气体。步进电机16通过硬件接口与控制装置连接，根据不同粉末的配比要求，步进电机16产生不同的转速，通过减速机带动转盘15转动，通过粉斗出粉口均匀分布在转盘15的环形槽内的粉末通过压气式输送方式进入吸粉嘴14，输送出进粉器1。三种不同的粉末由第1输送管5通过粉末混合器2的三路进粉通道进入，在锥顶处汇聚混合，进入第2输送管6，在第2输送管6内粉末以均匀分布，悬浮状态输送，流经一定距离(1.5～3m)的第2输送管6内粉末进一步混合均匀，然后进入分粉器3，分流成四路粉末，送进同轴喷嘴4。粉末经过分粉环孔4071及粉流腔409到达环形出粉口，再汇聚进入光束作用区，经过与激光的相互作用吸收能量到达基体，落入熔池冷却后凝固形成覆层。
本发明系统主要技术参数指标如下：
系统总重量：32Kg；载气流速：15～20m/s；粉末直径：20～150μm；粉末输送量：1～150g/min；送粉量误差＜3％；重复送粉量误差＜1％；喷嘴的粉末汇聚直径：2～4mm；喷嘴距基体距离：14～18mm；粉末输送距离：1.5～3m。
Claims (7)
1.一种激光快速成形制备功能梯度材料的同轴送粉系统，其特征在于具有：
进粉器(1)，通过载气吸取传送粉末，通过第1输送管(5)与粉末混合器(2)相连通；
粉末混合器(2)，对进粉器(1)送入的粉末进行混合，经过第2输送管(6)进入分粉器(3)；
分粉器(3)，将混合后的粉末分成多路，通过第3输送管(7)分别与喷嘴(4)的粉末入口相连通；
喷嘴(4)，将多路粉末汇聚于激光形成的熔池内，在激光及粉末的熔覆作用下，完成功能梯度材料的制备；喷嘴(4)内部采用三层结构，内层为与喷嘴(4)同轴设置的激光及保护气通道(406)，该通道出口与喷嘴出粉口(410)在喷嘴(4)前端部汇合；第二层为粉流腔(409)，于激光及保护气通道(406)的外层与之同轴环状设置，该粉流腔(409)的粉末入口均布于喷嘴(4)中部等高位置，粉流腔(409)的粉末出口即为喷嘴出粉口(410)；第三层为第1水冷腔(408)，环设于粉流腔(409)外层；在喷嘴(4)的粉末入口等高截面环设有分粉环(407)，分粉环(407)上均布有多个孔即分粉环孔(4071)。
2.按权利要求1所述的激光快速成形制备功能梯度材料的同轴送粉系统，其特征在于：在喷嘴(4)的后端还具有第2水冷腔(403)，环设于激光及保护气通道(406)的外层。
3.按权利要求1所述的激光快速成形制备功能梯度材料的同轴送粉系统，其特征在于：所述喷嘴(4)的前端设有校直孔(411)，喷嘴出粉口(410)内嵌于喷嘴(4)的前端。
4.按权利要求1所述的激光快速成形制备功能梯度材料的同轴送粉系统，其特征在于：喷嘴(4)的后端设有调节连接套(402)，通过调节连接套(402)上的调节螺钉(401)对喷嘴(4)进行径向调节。
5.按权利要求1所述的激光快速成形制备功能梯度材料的同轴送粉系统，其特征在于：所述进粉器(1)为多个，每个进粉器有一个粉末出口，分别通过第1输送管(5)与粉末混合器(2)相连通。
6.按权利要求1所述的激光快速成形制备功能梯度材料的同轴送粉系统，其特征在于：所述进粉器(1)具有箱体(13)及粉斗(11)，粉斗出粉口设于箱体(13)内转盘(15)的环形槽上方，在环形槽的相应位置设有吸粉嘴(13)，该吸粉嘴(13)通过出粉管(12)经粉末出口、第1输送管(5)与粉末混合器(2)的混合器进粉口(23)相连。
7.按权利要求6所述的激光快速成形制备功能梯度材料的同轴送粉系统，其特征在于：所述转盘(15)通过减速机(17)接至步进电机(16)的输出轴。
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