[發(fā)明專利]激光快速成型制備功能梯度材料的同軸送粉系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710012046.5
• 申請日: 2007-07-11
• 公開（公告）號: CN101342640A
• 公開（公告）日: 2009-01-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉偉軍;田鳳杰;邢飛;卞宏友;尚曉峰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
• 主分類號: B23K26/42
• 分類號: B23K26/42;B23K26/34;B22F7/00;B22F3/105
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料復(fù)合技術(shù)領(lǐng)域中功能梯度材料制備的送粉系統(tǒng)，具體地說是一種激光快速成型制備功能梯度材料的同軸送粉系統(tǒng)。

背景技術(shù)

功能梯度材料的研究開發(fā)最早始于1987年日本科學(xué)技術(shù)廳的一項“關(guān)于開發(fā)緩和熱應(yīng)力的功能梯度材料的基礎(chǔ)技術(shù)研究”計劃。所謂功能梯度材料是根據(jù)使用要求，選擇使用兩種不同性能的材料，采用先進的材料復(fù)合技術(shù)，使中間的組成和結(jié)構(gòu)連續(xù)呈梯度變化，內(nèi)部不存在明顯的界面，從而使材料的性質(zhì)和功能沿厚度方向也呈梯度變化的一種新型復(fù)合材料。激光快速成型技術(shù)是指采用大功率激光束在加工基板表面形成熔池的同時，將由保護氣運輸?shù)慕饘俜勰┧腿肴鄢鼗ト鄄⑿纬扇鄹矊印ｋS著激光束與基板按事先設(shè)計的加工軌跡進行相對運動，將在基板表面沉積形成熔覆層，激光加工每完成一層沉積，同軸噴嘴將相對基板向上平移一層的高度，繼續(xù)沉積下一層，直至零件制備結(jié)束。

利用激光技術(shù)制備功能梯度材料的研究開始得較早，而激光快速成型技術(shù)制備功能梯度材料則是最近才發(fā)展起來的。無論是以前的技術(shù)還是現(xiàn)在的激光快速成型技術(shù)，其制備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復(fù)合粉末，但是在制備過程中其送粉和產(chǎn)生梯度的方式卻不盡相同。第一種方法是利用粉末在熔池的自由沉降形成梯度材料。這種制備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產(chǎn)生溶池，然后在光斑后面的熔池內(nèi)緊跟著送粉末(要保證粉末不能和激光束接觸)，隨著熔池的逐漸冷卻，粉末在溶池中重力沉降自然形成梯度層，這種方法送粉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但粉末利用率較低。第二種方法是采用預(yù)鋪粉方式形成梯度材料。采用預(yù)鋪粉制備功能梯度材料的方法比較簡單，首先把混合粉末A、B以不同的比例混合、研磨均勻后，預(yù)先將混合粉末涂覆在基體材料試樣表面，預(yù)覆層厚度根據(jù)光斑大小和激光功率自行調(diào)節(jié)，然后用激光光束照射重熔試樣表面預(yù)置層形成AB的合金化層，這種方法的缺點是粉末混合不均勻，難以形成真正意義上的功能梯度材料，且粉末浪費較多。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的諸多不足，本發(fā)明的目的在于提供一種輸送粉末穩(wěn)定均勻、粉末利用率高、具有良好送粉性能的激光快速成型制備功能梯度材料的同軸送粉系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明具有進粉器，通過載氣吸取傳送粉末，通過第1輸送管與粉末混合器相連通；粉末混合器，對進粉器)送入的粉末進行混合，經(jīng)過第2輸送管進入分粉器；分粉器，將混合后的粉末分成多路，通過第3輸送管分別與噴嘴的粉末入口相連通；噴嘴，將多路粉末匯聚于激光形成的熔池內(nèi)，在激光及粉末的熔覆作用下，完成功能梯度材料的制備。

所述噴嘴內(nèi)部采用三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為與噴嘴同軸設(shè)置的激光及保護氣通道，該通道出口與噴嘴出粉口在噴嘴前端部匯合；第二層為粉流腔，于激光及保護氣通道的外層與之同軸環(huán)狀設(shè)置，該粉流腔的粉末入口均布于噴嘴中部等高位置，粉流腔的粉末出口即為噴嘴出粉口；第三層為第1水冷腔，環(huán)設(shè)于粉流腔外層；在噴嘴的后端還具有第2水冷腔，環(huán)設(shè)于激光及保護氣通道的外層；在噴嘴的粉末入口等高截面環(huán)設(shè)有分粉環(huán)，分粉環(huán)上均布有多個孔即分粉環(huán)孔；所述噴嘴的前端設(shè)有校直孔，噴嘴出粉口內(nèi)嵌于噴嘴的前端；噴嘴的后端設(shè)有調(diào)節(jié)連接套，通過調(diào)節(jié)連接套上的調(diào)節(jié)螺釘對噴嘴進行徑向調(diào)節(jié)；所述進粉器為多個，每個進粉器有一個粉末出口，分別通過第1輸送管與粉末混合器相連通；所述進粉器具有箱體及粉斗，粉斗出粉口設(shè)于箱體內(nèi)轉(zhuǎn)盤的環(huán)形槽上方，在環(huán)形槽的相應(yīng)位置設(shè)有吸粉嘴，該吸粉嘴通過出粉管經(jīng)粉末出口、第1輸送管與粉末混合器的混合器進粉口相連；所述轉(zhuǎn)盤通過減速機接至步進電機的輸出軸。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：

1.粉末混合均勻。本發(fā)明系統(tǒng)通過多個均勻分布的粉末通道進入粉末混合器，并在粉末混合器的錐頂以相同速率匯聚，在粉末混合器的出粉口處保證了多路粉末的混合均勻性，同時由于在第1、2輸送管中通入高速載氣，使粉末在輸送管中接近于均勻分布，呈懸浮狀態(tài)輸送，進一步改善了粉末混合的均勻性問題。

2.具有良好的送粉性能。本發(fā)明和系統(tǒng)可同時輸送多種不同的粉末，在1～150g/min范圍內(nèi)可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，送粉均勻易控，且避免了粉末的聚團和粘滯，可以很好的控制粉末間的配比，實現(xiàn)多種合金熔覆層之間的材料梯度變化。

3.可以實現(xiàn)最優(yōu)加工，同時也可適應(yīng)不同的加工距離。本發(fā)明系統(tǒng)在噴嘴后端設(shè)有調(diào)節(jié)連接套，可以調(diào)節(jié)激光光斑尺寸的大小，還可以調(diào)節(jié)粉末流束焦點位置以適應(yīng)不同的加工距離，實現(xiàn)最優(yōu)加工。