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一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基 复合材料的装置及方法

阅读：356发布：2023-01-24

专利汇可以提供一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置及方法，属于增材制造技术领域。具体步骤包括：采用定位夹紧装置使超声冲击枪与同轴送粉喷嘴保持随动，在直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的过程中，利用超声的空化、声流、机械和热效应，实时干预熔池的凝固行为，利用超声冲击的定域冲击强化作用，实时对应力进行调控。本发明与直接激光沉积的成形方法相比，能够有效地减少样件内部的气孔，保证凝固组织的一致性和应力分布的均匀性。同时本发明中的方法对超声能量的利用率高，能够实现大型构件成形过程中的超声干预。，下面是一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置，其特征在于，该装置包括同轴送粉式激光熔化沉积成形系统、定位夹紧装置和随动超声系统；
所述的同轴送粉式激光熔化沉积成形系统包括激光器(1)、送粉器(2)、送粉筒(3)、同轴送粉喷嘴(16)、金属基板(18)、数控机床(20)、保护气系统(4)、冷却水循环系统(7)和工控机(6)；所述的数控机床(20)上设有燕尾型导轨(15)和数控工作台(19)，所述的金属基板(18)放置在数控工作台(19)上，所述同轴送粉喷嘴(16)固定在燕尾型导轨(15)上；所述激光器(1)设置光路系统，激光器(1)发射的激光经光路系统从同轴送粉喷嘴(16)中射出，在金属基板(18)上形成激光束；两个送粉筒(3)连接在送粉器(2)上方，提供熔覆粉末；所述送粉器(2)连接至同轴送粉喷嘴(16)，从同轴送粉喷嘴(16)喷出的粉末汇聚在金属基板(18)上，与激光束重合，形成沉积层(17)；所述的保护气系统(4)一侧连接送粉器(2)，将熔覆粉末从送粉器(2)吹入熔池中；保护气系统(4)另一侧连接至同轴送粉喷嘴(16)，作为同轴保护气；所述冷却水循环系统(7)连接在同轴送粉喷嘴(16)上，用于冷却同轴送粉喷嘴(16)上的激光头；所述工控机(6)分别连接激光器(1)、送粉器(2)和数控机床(20)，用于控制激光器(1)、送粉器(2)和数控机床(20)；
所述的定位夹紧装置包括F形定位座(8)、T形手动精密滑台(12)和超声冲击枪固定座(11)；所述超声冲击枪固定座(11)连接在T形手动精密滑台(12)上，所述T形手动精密滑台(12)固定在F形定位座(8)上，F形定位座(8)固定在燕尾型导轨(15)上；
所述的随动超声系统包括超声发生器(5)及与超声发生器(5)连接的超声冲击枪；所述超声冲击枪包括依次顺序连接的换能器(9)、变幅杆(10)、工具头(13)和超声冲击针(14)；
超声冲击枪固定在超声冲击枪固定座(11)上，并使超声冲击枪位于同轴送粉喷嘴(16)的正后方，实现超声冲击枪与同轴送粉喷嘴(16)的随动。
2.根据权利要求1所述的一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置，其特征在于，所述超声冲击枪的轴线与同轴送粉喷嘴(16)轴线的夹角为15°-45°；所述同轴送粉喷嘴(16)与金属基板(18)的垂直距离为5-10mm；所述超声冲击针(14)与金属基板(18)的垂直距离为5-10mm，超声冲击针(14)与同轴送粉喷嘴(16)的水平距离为5-50mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置，其特征在于，所述的金属基板(18)的材质为钛及其合金、铁及其合金、镍及其合金或钴及其合金。
4.根据权利要求1或2所述的一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置，其特征在于，所述的保护气系统(4)为惰性气体。
5.根据权利要求3所述的一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置，其特征在于，所述的保护气系统(4)为惰性气体。
6.如权利要求1-5任一所述的随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置的实施方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：
(1)对金属基板(18)进行打磨、清洗和烘干预处理；对熔覆粉末进行烘干预处理；将熔覆粉末分别放入送粉器(2)的两个送粉筒(3)中；
(2)将超声冲击枪通过定位夹紧装置固定在燕尾型导轨(15)上，实现超声冲击枪与同轴送粉喷嘴(16)的随动；并使超声冲击枪位于同轴送粉喷嘴(16)的正后方，保持超声冲击针(14)与同轴送粉喷嘴(16)的水平距离在5-50mm的熔覆层最大塑性变形区范围内，调节同轴送粉喷嘴(16)与金属基板(18)的垂直距离，使同轴送粉喷嘴(16)的粉末汇聚点在金属基板(18)上；调节超声冲击枪与金属基板(18)之间的垂直距离，保证超声冲击针(14)能够有效作用在沉积层(17)上；
(3)开启超声发生器(5)，使超声冲击枪处于超声振动状态；所述超声发生器(5)的超声功率为500-2000w，超声频率为15-25kHz；
(4)按顺序依次开启冷却水循环系统(7)、激光器(1)、保护气系统(4)和送粉器(2)；所述激光器(1)的激光功率为200-2000W，扫描速度为100-1000mm/min；每沉积一层，数控机床Z轴提升量为0.1-1.0mm；送粉器(2)的送粉速率为10-50r/min；
(5)打开数控机床(20)，控制同轴送粉喷嘴(16)相对于数控工作台(19)上的金属基板(18)运动，进行第一层材料的沉积；同时，超声冲击针(14)作用在沉积层(17)下方50-250μm处，从而保证超声冲击枪一直作用在沉积层(17)上，实时干预熔凝过程，实施调控应力状态；在提升量Z轴方向上，成型高度每增加2-6mm，超声发生器(5)的超声功率增加100-200W；
(6)成形结束后，按顺序依次关闭送粉器(2)、保护气系统(4)、激光器(1)、冷却水循环系统(7)和数控机床(20)，超声发生器(5)的超声功率密度以100-200W/min的速度逐渐降低为零，然后关闭超声发生器(5)。
7.根据权利要求6所述的一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，熔覆粉末包括陶瓷粉末和金属粉末；所述陶瓷粉末为碳化物、氧化物、硼化物、氮化物；所述金属粉末为钛及其合金、铁及其合金、镍及其合金、钴及其合金。
8.根据权利要求6或7所述的一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对熔覆粉末进行烘干预处理的过程为：将熔覆粉末在100-150℃的环境下，干燥4-6h后自然冷却。

说明书全文

一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基 复合材料的

装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于增材制造技术领域，尤其涉及一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置及方法。

背景技术

[0002] 直接激光沉积技术结合了数字化制造技术和激光技术，通过利用高能量密度的激光热源，直接熔化高熔点的陶瓷与金属粉末，经过熔化粉末的原位沉积，实现零件的快速成形制造。直接激光沉积技术与传统的制造技术相比，具有材料利用率高，适用材料范围广，系统柔性强等优势，目前已经广泛应用在航空航天、核电装备、生物医疗等领域。但是，相关研究表明，由于非稳态的凝固行为引起的组织分布不均以及快熔快凝特征引起的应力分布不均，残余应力大，使得直接激光沉积得到的陶瓷增强金属基复合材料无法满足苛刻的使用要求，因此，保证直接激光沉积凝固组织的一致性和应力分布的均匀性是非常有意义的。

[0003] 通过查阅国内外的相关文献专利，发现为了解决熔凝过程中晶粒粗大，组织分布不均匀的问题，主要采用的方法有基板预热法、磁场辅助法、电弧复合法和超声辅助法等。其中，超声辅助法利用超声的空化、声流、机械和热效应，可以有效地干预熔池的凝固行为，有利于细化晶粒，使组织分布均匀。但采用的超声辅助方式均为底部超声振板带动工件产生超声振动，这种超声能场的施加方式超声能量利用率低，对应力的改善效果有限，并且无法实现大型构件全区域的有效超声干预。为了解决应力分布不均，残余应力大的问题，主要采用的方法有喷丸强化、机械研磨、激光冲击和超声冲击等。其中，超声冲击方法利用冲击针在零件表面的高速冲击，能够在零件表面产生压应力层，从而改善应力分布和提高力学性能。但采用的超声冲击方法均为熔覆层沉积完成后，再进行超声冲击处理，这种方法虽然也能细化晶粒，但是无法干预熔池的凝固行为，对组织分布的一致性改善效果有限，并且操作复杂，需要反复开闭超声冲击系统和直接激光沉积系统。相关报道如下：

[0004] 中国专利CN 201610390878.X公开了一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，将超声振板安放在工作台上，在激光近净成形Al2O3共晶陶瓷刀具的过程中，通过超声装置的预调节和实时改变辅助超声功率，来实现超声对熔池的等效作用，这种方法能够细化晶粒，促进元素分布的均匀性。但是采用底部超声振板带动工件产生超声振动的方式，超声能量利用率低，对应力的改善效果有限，在制备大型构件时适应性差。

[0005] 中国专利CN201310214376.8公开了一种超声冲击强化激光熔覆层的装置及方法，在一道激光熔覆完成后用超声冲击来对激光熔覆层进行作用，多道多层激光熔覆时，激光熔覆与超声冲击交替进行，超声冲击会在激光熔覆层的表面形成一定深度的塑性变形层，同时植入压应力，从而在一定程度上消除激光熔覆层中的残余应力。但是这种超声冲击强化激光熔覆层的装置及方法，不能参与到熔池的凝固行为，对组织的一致性改善效果有限，并且操作复杂，需要反复开闭超声冲击系统和直接激光沉积系统。

发明内容

[0006] 为解决直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料过程中，组织分布不一致、应力分布不均等问题，本发明提供了一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置及方法，利用定位夹紧装置，使超声冲击枪与同轴送粉喷嘴保持随动，在激光直接沉积陶瓷增强金属基复合材料的过程中，利用超声效应实时干预熔池的凝固行为，并且利用超声冲击实时对应力进行调控，从而促进晶粒细化，保障组织分布的一致性和应力分布的均匀性。同时该方法采用超声随动施加的方式，超声能量利用率高，而且能够实现大型构件成形过程中的超声干预。

[0007] 本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置，其包括同轴送粉式激光熔化沉积成形系统、保持超声冲击枪与同轴送粉喷嘴随动的定位夹紧装置和随动超声系统。

[0009] 所述的同轴送粉式激光熔化沉积成形系统包括激光器1、送粉器2、送粉筒3、工控机6、同轴送粉喷嘴16、金属基板18、数控机床20、冷却水循环系统7和保护气系统4。所述的数控机床20上设有燕尾型导轨15和数控工作台19，金属基板18放置在数控工作台19上表面，同轴送粉喷嘴16固定在燕尾型导轨15上。所述激光器1设置光路系统，激光器1发射的激光经过光路系统从同轴送粉喷嘴16中射出，在金属基板18上形成激光束。两个送粉筒3连接在送粉器2上方，实现为同轴送粉式激光熔化沉积成形系统提供陶瓷粉末和金属粉末；所述送粉器2连接至同轴送粉喷嘴16，从同轴送粉喷嘴16喷出的粉末汇聚在金属基板18上，与激光束重合，形成沉积层17。所述保护气系统4一侧连接送粉器2，惰性气体作为载气将熔覆粉末从送粉器2吹入熔池中；保护气系统4另一侧连接至同轴送粉喷嘴16，作为同轴保护气；所述冷却水循环系统7连接在同轴送粉喷嘴16上，用于冷却同轴送粉喷嘴16上的激光头。所述工控机6分别连接激光器1、送粉器2和数控机床20，用于控制激光器1、送粉器2和数控机床20。

[0010] 所述的定位夹紧装置包括F形定位座8、T形手动精密滑台12和超声冲击枪固定座11。所述的T形手动精密滑台12固定在F形定位座8上，F形定位座8固定在燕尾型导轨15一侧；所述超声冲击枪固定座11连接在T形手动精密滑台12上，超声冲击枪固定座11用于固定连接超声冲击枪。

[0011] 所述的随动超声系统包括超声发生器5，及与超声发生器5连接的超声冲击枪，超声冲击枪固定在超声冲击枪固定座11上，并使超声冲击枪位于同轴送粉喷嘴16的正后方，从而实现超声冲击枪与同轴送粉喷嘴16的随动。所述超声冲击枪包括依次顺序连接的换能器9、变幅杆10、工具头13和超声冲击针14。

[0012] 进一步地，所述超声冲击枪的轴线与同轴送粉喷嘴16轴线的夹角可调节范围是15°-45°；所述同轴送粉喷嘴16与金属基板18的垂直距离为5-10mm；所述超声冲击针14与金属基板18的垂直距离为5-10mm，超声冲击针14与同轴送粉喷嘴16的水平距离为5-50mm。

[0013] 进一步地，所述的金属基板18的材质为钛及其合金、铁及其合金、镍及其合金、钴及其合金等。

[0014] 进一步地，所述的保护气系统4为惰性气体。

[0015] 一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的方法，包括以下步骤：

[0016] (1)对熔覆粉末进行烘干预处理，对金属基板18进行打磨、清洗和烘干预处理，将熔覆粉末分别放入送粉器2的两个送粉筒3中。

[0017] 所述的熔覆粉末包括陶瓷粉末和金属粉末，所述陶瓷粉末为碳化物(TiC、SiC)、氧化物、硼化物、氮化物等熔覆粉末；所述金属粉末为钛及其合金、铁及其合金、镍及其合金、钴及其合金等熔覆粉末。

[0018] 所述对熔覆粉末进行烘干预处理的过程为：将熔覆粉末在100-150℃的环境下，干燥4-6h后自然冷却。

[0019] (2)将超声冲击枪通过超声冲击枪固定座11、T形手动精密滑台12和F形定位座8与数控机床20Y轴燕尾型导轨15连接紧固，实现超声冲击枪与同轴送粉喷嘴16的随动；并使超声冲击枪位于同轴送粉喷嘴16的正后方，保持超声冲击针14与同轴送粉喷嘴16的水平距离在5-50mm的熔覆层最大塑性变形区范围内，调节同轴送粉喷嘴16与金属基板18的垂直距离，使同轴送粉喷嘴16的粉末汇聚点在金属基板18上；调节超声冲击枪与金属基板18之间的垂直距离，保证超声冲击针14能够有效作用在沉积层17上。

[0020] (3)开启超声发生器5的电源，使超声冲击枪处于超声振动状态。所述超声发生器5的超声功率为500-2000w，超声频率为15-25kHz。

[0021] (4)按顺序依次开启冷却水循环系统7、激光器1、保护气系统4和送粉器2；其中，激光器1的激光功率为200-2000W，扫描速度为100-1000mm/min；每沉积一层，数控机床Z轴提升量为0.1-1.0mm；送粉器2的送粉速率为10-50r/min。

[0022] (5)打开数控机床20，控制同轴送粉喷嘴16相对于数控工作台19上的金属基板18运动，进行第一层材料的沉积，此时，超声冲击针14作用在沉积层17下方50-250μm处，从而保证超声冲击枪能够一直作用在沉积层17上，实时干预熔凝过程，实施调控应力状态。在提升量Z轴方向上，成型高度每增加2-6mm，超声发生器5的超声功率增加100-200W。

[0023] 对熔凝过程的干预程度与熔池附近的振幅A有关，熔池附近的振幅A与超声功率P成线性关系，即A＝0.0055P+3，其中振幅A的单位为μm，超声功率P的单位为W；所述的熔池附近的振幅A还与超声冲击针14作用在沉积层17下方的位置B有关，二者成线性关系，即A＝0.165B-1.25，位置B的单位为μm。

[0024] (6)成型结束后，按顺序依次关闭送粉器2、保护气系统4、激光器1，冷却水循环系统7和数控机床20；超声发生器5的超声功率以100-200W/min的速度逐渐降低为零，然后关闭超声发生器5。

[0025] 本发明的有益效果：

[0026] (1)本发明利用超声冲击过程对熔池的空化、声流、机械和热效应，实时干预熔凝过程，控制凝固组织多界面、多形态特征，进而保证凝固组织的一致性。

[0027] (2)本发明利用超声冲击过程对组织的局部锻压效果和对应力的定域冲击强化作用，实时对应力进行调控，控制应力分布，传递特征，进而保证应力分布的均匀性。

[0028] (3)本发明采用随动施加超声的方式，对超声能量的利用率高，并且能够对直接激光沉积大型航天零部件实施有效的超声干预。附图说明

[0029] 图1为随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料装置的示意图。

[0030] 图中：1.激光器；2.送粉器；3.送粉筒；4.保护气系统；5.超声发生器；6.工控机；7.冷却水循环系统；8.F形定位座；9.换能器；10.变幅杆；11.超声冲击枪定位座；12.T形手动精密滑台；13.工具头；14.超声冲击针；15.燕尾型导轨；16.同轴送粉喷嘴；17.沉积层；18.金属基板；19.数控工作台；20.数控机床。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

[0032] 一种随动超声辅助直接激光沉积陶瓷增强金属基复合材料的装置，包括同轴送粉式激光熔化沉积成形系统、定位夹紧装置和随动超声系统。

[0033] 其中，同轴送粉式激光熔化沉积成形系统包括激光器1、送粉器2、送粉筒3、工控机6、同轴送粉喷嘴16、金属基板18、数控机床20、冷却水循环系统7和保护气系统4。所述的数控机床20设有燕尾型导轨15和数控工作台19，所述数控工作台19上表面放置金属基板18，所述的金属基板18为TC4基板。所述同轴送粉喷嘴16固定在燕尾型导轨15上。所述激光器1设置光路系统，激光器1发射的激光经过光路系统从同轴送粉喷嘴16中射出，在金属基板18上形成激光束；两个送粉筒3连接在送粉器2上方，为同轴送粉式激光熔化沉积成形系统提供陶瓷粉末和金属粉末；所述送粉器2连接至同轴送粉喷嘴16，从同轴送粉喷嘴16喷出的粉末汇聚在金属基板18上，与激光束重合，形成沉积层17。所述保护气系统4一侧连接送粉器
2，惰性气体作为载气将熔覆粉末从送粉器2吹入熔池中；保护气系统4另一侧连接至同轴送粉喷嘴16，作为同轴保护气。所述冷却水循环系统7连接在同轴送粉喷嘴16上，用于冷却同轴送粉喷嘴16上的激光头。所述工控机6分别连接激光器1、送粉器2和数控机床20，用于控制激光器1、送粉器2和数控机床20。

[0034] 定位夹紧装置包括F形定位座8、T形手动精密滑台12和超声冲击枪固定座11。所述的F形定位座8固定在燕尾型导轨15一侧，所述T形手动精密滑台12固定在F形定位座8上，超声冲击枪固定座11连接在T形手动精密滑台12上，超声冲击枪固定座11用于固定连接超声冲击枪。

[0035] 随动超声系统包括超声发生器5以及与超声发生器5连接的超声冲击枪；所述超声冲击枪包括依次顺序连接的换能器9、变幅杆10、工具头13和超声冲击针14；所述超声冲击枪固定在超声冲击枪固定座11上，并使超声冲击枪位于同轴送粉喷嘴16的正后方，实现超声冲击枪与同轴送粉喷嘴16随动。

[0036] 具体地，所述的保护气系统4为高纯氩气。

[0037] 采用随动超声系统、同轴送粉式激光熔化沉积成形系统以及保持超声冲击枪与同轴送粉喷嘴随动的定位夹紧装置对TiC和TC4粉末进行直接激光沉积成形，具体成形步骤如下：

[0038] (1)用砂纸打磨TC4基板，然后用丙酮擦拭、去离子水清洗，最后吹干TC4基板。将粒径为25-45μm的TC4和TiC粉末放至电热式鼓风干燥箱中，在150℃的环境下，干燥4h；待TC4和TiC粉末冷却后，将TC4和TiC粉末分别放入到送粉器2的两个送粉筒3中。

[0039] (2)利用螺栓的压紧力将F形定位座8固定在数控机床Y轴燕尾型导轨15上；采用螺栓螺母连接的方式，将F形定位座8与T形手动精密滑台12连接、T形手动精密滑台12与超声冲击枪固定座11连接、超声冲击枪固定座11与超声冲击枪连接。

[0040] 调整超声冲击枪的轴线与同轴送粉喷嘴16轴线的夹角为30°。将超声冲击枪调整至同轴送粉喷嘴16的正后方，并且保持超声冲击针14与同轴送粉喷嘴16的水平距离为7mm，使其在熔覆层最大塑性变形区范围内。调节同轴送粉喷嘴16与TC4基板的垂直距离为9mm，使同轴送粉喷嘴16的粉末汇聚点刚好在TC4基板上。

[0041] (3)开启超声发生器5的电源，使超声冲击枪处于超声振动状态。超声发生器5的超声功率设置为800W，超声频率为20kHz。

[0042] (4)按顺序依次开启冷却水循环系统7、激光器1、保护气系统4和送粉器2，其中，激光器1的激光功率设置为400W，扫描速度为300mm/min；每沉积一层，数控机床Z轴提升量为0.4mm，送粉器2的送粉速率为40r/min。

[0043] (5)打开数控机床20，控制同轴送粉喷嘴相对于数控工作台19上的TC4基板运动，进行第一层材料的沉积，此时，超声冲击针14作用在沉积层17下方150μm处，从而保证超声冲击枪能够一直作用在沉积层17上，实时干预熔凝过程，实施调控应力状态。在提升量Z轴方向上，成型高度每增加4mm，超声功率增加140-160W。

[0044] (6)成型结束后，按顺序关闭送粉器2、保护气系统4、激光器1，冷却水循环系统7和数控机床20，超声发生器5的超声功率以200W/min的速度逐渐降低为零，然后关闭超声发生器5。

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