[發明專利]一種激光誘導界面原位反應增強的鈦合金增材制造方法

在審

• 申請號: 202010855583.1
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN111992715A
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 李波;王健君;姚建華;吳國龍;董剛
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;C23C24/04;B33Y10/00
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 吳秉中

1.種激光誘導界面原位反應增強的鈦合金增材制造方法，其特征在于：首先將氣霧化的鈦合金粉末(12)倒入送粉器(5)，高壓氮氣通過送粉器(5)和冷噴涂噴槍(8)，再通過冷噴涂噴槍(8)將鈦合金粉末(12)和高壓氮氣噴涂到鈦合金基體(10)表面；在噴涂時，同步開啟激光發生器，使激光發生器發出的激光束(14)照射在鈦合金基體(10)表面噴涂的鈦合金粉末(12)的顆粒上，鈦合金粉末(12)的顆粒在激光加熱作用下表面微熔并與周圍的高壓氮氣流(13)作用，發生原位反應，鈦合金粉末(12)的顆粒發生機械和冶金結合，在鈦合金基體(10)上形成鈦合金涂層，由此制備出高致密的鈦合金零件。

2.根據權利要求1所述的種激光誘導界面原位反應增強的鈦合金增材制造方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

步驟一：將鈦合金基體(10)依次進行噴砂、清洗和擦拭干燥的表面預處理，處理后將鈦合金基體(10)水平放置在工作臺(11)上；

步驟二：將冷噴涂噴槍(8)和連接激光發生器的激光頭(9)集成在可移動機械手臂上，其中冷噴涂噴槍(8)開口朝下且豎直設置，激光頭(9)和冷噴涂噴槍(8)排布在同一個垂直面，冷噴涂噴槍(8)和激光頭(9)之間的夾角為10～80°，調整激光頭(9)位置使得加工時激光頭(9)發出的激光輻射在鈦合金基體(10)上的輻照面積完全覆蓋冷噴涂噴槍(8)噴涂顆粒在鈦合金基體(10)上的噴涂面積；

步驟三：將鈦合金粉末(12)進行噴涂前的烘干預處理；并將烘干后的鈦合金粉末(12)裝入送粉器(5)中；

步驟四：將氮氣供應裝置(1)的輸出管利用三通管分流出第一輸出支管(15)和第二輸出支管(16)兩條，氮氣供應裝置(1)的輸出管上設置有流量閥，第一輸出支管(15)通過送粉器(5)連接冷噴涂噴槍(8)，第一輸出支管(15)中的氮氣為送粉器(5)向冷噴涂噴槍(8)的送粉提供動力，第一輸出支管(15)上設置有用于控制送粉壓力的第一調壓閥(3)；第二輸出支管(16)經過加熱裝置(6)后連接到冷噴涂噴槍(8)的輸入口位置，冷噴涂噴槍(8)工作時經過加熱裝置(6)加熱后的高壓氮氣和鈦合金粉末(12)同時從冷噴涂噴槍(8)噴槍的出口中送出，第二輸出支管(16)上設置有第二調壓閥(4)；

步驟五：，通過流量閥(2)和第二調壓閥(4)調節氮氣壓力為3～5MPa，氮氣流量100～300Nm³/h，調節加熱器的加熱溫度為500～1000℃，調節送粉器(5)的送粉轉速為1～5r/min；在激光發生器的控制面板中設置激光功率500～1000W

步驟六：通過調整冷噴涂噴槍(8)的噴涂距離和激光頭(9)的激光膠墊位置校正冷噴涂粉斑和激光光斑的相對位置，使得冷噴涂粉斑和激光光斑位于同一水平面內，冷噴涂粉斑小于激光光斑，冷噴涂粉斑的噴涂距離為10～50mm；

步驟七：打開氮氣供應裝置(1)、加熱裝置(6)、激光發生器，經過加熱的高壓氮氣和鈦合金粉末(12)同時從冷噴涂噴槍(8)的出口中噴出到鈦合金基體(10)上，同時激光頭(9)發出的激光光斑也在照射至鈦合金基體(10)，冷噴涂噴槍(8)噴出的冷噴涂粉斑與激光頭(9)發出的激光光斑在鈦合金基體(10)上重合；冷噴涂噴槍(8)噴出的鈦合金粉末(12)噴涂到鈦合金基體(10)上時，同步耦合的激光瞬時加熱鈦合金粉末(12)的顆粒，使鈦合金粉末(12)的顆粒表面微熔并與氮氣產生原位反應，而后撞擊后鈦合金粉末(12)的顆粒發生機械和冶金結合，在鈦合金基體(10)上形成鈦合金涂層；

步驟八：通過可移動機械手臂控制冷噴涂噴槍(8)和激光頭(9)同步水平往復運動，單層掃描結束后，機械手臂自動抬升一定高度以消除已沉積鈦合金涂層高度對后續光斑重合度的影響，在鈦合金基體(10)表面上獲得逐層堆積的鈦合金涂層，進而獲得高質量強化的鈦合金增材制造構件。

3.根據權利要求2所述的種激光誘導界面原位反應增強的鈦合金增材制造方法，其特征在于：所述步驟一中鈦合金基體(10)的表面預處理方式：利用24#白剛玉在空氣壓力為0.8MPa的情況下進行噴砂處理，提高鈦合金基體(10)表面粗糙度并去除鈦合金基體(10)表面氧化皮，隨后用濃度為99.5％的無水乙醇進行清洗，清洗完畢后將鈦合金基體(10)進行擦拭干燥。

4.根據權利要求2所述的種激光誘導界面原位反應增強的鈦合金增材制造方法，其特征在于：所述可移動機械手臂的移動速度為10～50mm/s。