[發明專利]一種激光同軸熔絲打印大型鈦合金零件的裝置及方法

有效

• 申請號: 202011349953.0
• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112548115B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 方學偉;李帛洋;黃科;孫斌;蔣笑;王永信
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F10/20
• 分類號: B22F10/20;B22F12/50;B22F10/50;B33Y30/00;B33Y10/00;B33Y40/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發明公開了一種激光同軸熔絲打印大型鈦合金零件的裝置及方法，本發明裝置將光鏡與送絲嘴同軸設置，將絲材由光內送達激光熔池從而實現任意方向沉積。通過激光清洗裝置對沉積部分進行實時清洗去除沉積件表面的氧化層保證層間結合。本發明主要應用于大型鈦合金零件激光熔絲增材制造，用于實現大尺寸鈦合金零件自由制造，不需根據打印尺寸定制大型防氧化裝置對打印沉積件進行防護。可實現高效率、任意尺寸鈦合金零件增材制造。

技術領域

本發明屬于鈦合金/激光熔絲/激光增材制造（3D打印）領域，具體涉及一種激光同軸熔絲打印大型鈦合金零件的裝置及方法。

背景技術

鈦合金具有密度低、強度高、耐腐蝕等突出優點,在先進戰機、大型飛機、高推重比航空發動機及工業重型燃氣輪機等裝備中的用量越來越大，例如波音787大型客機中鈦合金結構件用量已超過機體結構重量的15%，美國第四代戰機F-22中鈦合金結構件用量更高達41%，高推比航空發動機中鈦合金用量達25%～40%同時，為有效降低裝備結構重量、提高裝備性能、使用壽命和可靠性，飛機、航空發動機等裝備均需越來越多地采用鈦合金大型整體結構。事實上，大型整體鈦合金關鍵結構件用量的高低，已成為衡量現代飛機和航空發動機等重大裝備技術先進性的重要標志之一。

激光直接沉積技術是在快速原型技術和激光熔覆技術的基礎上發展起來的一種先進制造技術。該技術是基于離散/堆積原理，通過對零件的三維 CAD 模型進行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在惰性氣體保護環境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預定的加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實現金屬零件的直接制造與修復。激光直接沉積技術是20世紀 90 年代首先從美國發展起來的。1995年，美國國家實驗室開發出了直接由激光束逐層熔化金屬粉末來制造致密金屬零件的快速近凈成形技術。此后，針對鎳基高溫合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼、工具鋼、鎢等多種金屬材料開展了大量的成形工藝研究。

但是激光直接沉積技術也存在以下不足：

當打印過程中由于熱輸入的不斷累積會導致防護罩外部的沉積件溫度升高從而產生表面氧化問題，導致層間不能有效結合嚴重影響沉積件的各項性能。

使用大型防氧化裝置成本會大幅提高打印成本且需要依照打印零件尺寸定制防護裝置。無法實現任意尺寸的零件自由制造。

激光光外送絲打印工藝能極大的提高熔覆材料的利用率，但受送絲材位置和送絲角度的影響極大，在立體多方向的成形時不能保證打印層各個方向的一致性。激光同軸送粉打印大型鈦合金零件由于粉末的發散以及難控制，粉末利用率不能達到100%。且沉積效率較低。

發明內容

本發明的目的在于克服上述不足，提供一種激光同軸熔絲打印大型鈦合金零件的裝置及方法，解決增材制造過程中大型鈦合金零件尺寸受防氧化裝置尺寸制約的問題，實現了大型鈦合金零件自由制造。

為了達到上述目的，一種激光同軸熔絲打印大型鈦合金零件的裝置，包括激光轉接頭，激光轉接頭上設置有光纖接頭和光鏡，光纖接頭與光鏡通過內部光路連接，激光轉接頭上設置有送絲接頭和送絲嘴，送絲接頭和送絲嘴連通，光鏡與送絲嘴同軸設置，激光轉接頭設置在移動導軌上，移動導軌上設置有激光清洗頭，激光轉接頭上設置有激光清洗光纖接頭，激光清洗光纖接頭通過內部光路與激光清洗頭連接。

激光轉接頭固定在旋轉臺上，激光轉接頭上設置有第一步進電機，第一步進電機用于帶動旋轉臺在X-Y平面移動。

激光清洗頭上設置有第二步進電機，第二步進電機用于帶動激光清洗頭在移動導軌上移動。

激光轉接頭下部設置有防氧化氣罩，防氧化氣罩罩住光鏡和送絲嘴。

防氧化氣罩上設置有保護氣接頭和水氧含量傳感器。

激光轉接頭上設置有安裝法蘭。

一種激光同軸熔絲打印大型鈦合金零件的裝置的工作方法，包括以下步驟：