一种高致密度与低残余应力的零件增材制造设备及方法

摘要

一种高致密度与低残余应力的零件增材制造设备及方法，设备包括设置在工作台上方的复合喷嘴，复合喷嘴安装在运动机构上，复合喷嘴的热喷涂能量进口通过热喷涂进口闸阀和热喷涂系统连接，复合喷嘴的冷喷涂气体进口通过冷喷涂进口闸阀和冷喷涂系统连接，复合喷嘴的粉末入口和粉末供给系统连接，运动机构、热喷涂系统、热喷涂进口闸阀、冷喷涂系统、冷喷涂进口闸阀、粉末供给系统的控制输入和控制系统连接，通过控制系统控制开启、关闭或运动，在工作台的基板表面得到工件，方法通过热喷涂和冷喷涂交替完成制造，本发明能够实现零件的立体成形，其残余应力低，组织更致密、性能更优越。

说明书

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种高致密度与低残余应力的零件增材制造设备及方法。

背景技术

热喷涂与冷喷涂是重要的表面工程技术，但现有的技术存在以下缺点：

热喷涂涂层致密度不高，热喷涂过程中存在的温度梯度使涂层产生拉向热应力，且随着涂层厚度增高，累积的残余拉应力容易使涂层变形和开裂；

冷喷涂涂层由于剧烈的塑性变形产生加压应力，随着涂层厚度增高，累积的残余压应力变大，容易使涂层发生变形，甚至撕裂；

热喷涂与冷喷涂涂层的厚度受到限制，难以实现零件立体成形。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高致密度与低残余应力的零件增材制造设备及方法，能够实现零件的立体成形，其残余应力低，组织更致密、性能更优越。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高致密度与低残余应力的零件增材制造设备，包括设置在工作台9上方的复合喷嘴1，复合喷嘴1安装在运动机构2上，复合喷嘴1的热喷涂能量进口通过热喷涂进口闸阀3和热喷涂系统4连接，复合喷嘴1的冷喷涂气体进口通过冷喷涂进口闸阀5和冷喷涂系统6连接，复合喷嘴1的粉末入口和粉末供给系统7连接，运动机构2、热喷涂系统4、热喷涂进口闸阀3、冷喷涂系统6、冷喷涂进口闸阀5、粉末供给系统7的控制输入和控制系统8连接，通过控制系统8控制开启、关闭或运动，在工作台9的基板表面得到工件10。

所述的复合喷嘴1内部包括圆柱孔段11、收缩段12、喉口13和扩张段14，圆柱孔段11为入口，扩张段14为出口，圆柱孔段11设置两个进口，正对着喉口13的位置为热喷涂能量进口18，圆柱孔段11侧壁设置有冷喷涂气体进口17，喉口13位置侧壁设有粉末15的粉末入口16。

一种高致密度与低残余应力的零件增材制造方法，包括以下步骤：

1)建立所需工件10的三维实体模型，并对三维模型切片处理，获得每层截面数据；

2)开启热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，关闭冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5，在复合喷嘴1里将粉末15加热至熔融状态，加速冲击到工作台9上装夹的基板表面，并在运动机构2的作用下，形成第一层的热喷涂涂层19；

3)关闭热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，在运动机构2的作用下，复合喷嘴1远离工作台9一层涂层层厚距离；

4)开启冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5，关闭热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3或减少热喷涂输入，在复合喷嘴1中高压气体将粉末15加速喷涂到第一层的热喷涂涂层19上，在运动机构2的控制下，形成第一层的冷喷涂涂层20；

5)关闭冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5和喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，在运动机构2的作用下，复合喷嘴1远离工作台9一层涂层层厚距离；

6)重复步骤2)-5)，直到成形所需工件10。

所述的粉末15的粒径在1-100微米之间；粉末15能随成形涂层的增加而改变粉末15的成分，使成分以某种梯度变化，从而获得结构功能梯度材料零件.

所述的热喷涂包括火焰喷涂、氧乙火焰粉末喷涂、氧乙炔火焰喷焊、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、大气等离子喷涂和低压等离子喷涂。

所述的步骤2)中第一层的热喷涂涂层19与基板或者前一层涂层之间形成冶金结合。

所述的步骤4)针对伸长率δ≥20％的粉末15，开启冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5，关闭热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3；对于伸长率δ≤20％粉末15，同时开启冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5，热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，通过控制系统8控制降低热喷涂系统4的热量输入，使粉末15加热至塑性温度区间，保证粉末15伸长率δ≥20％，使其具有足够的塑性性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的复合喷嘴1复合了热喷涂与冷喷涂功能，以粉末5为原料，通过复合喷嘴1的热、冷喷涂功能交替使用，形成热喷涂涂层19与冷喷涂涂层20的交替组织，热喷涂涂层19与前一层形成冶金结合，提高力学性能，冷喷涂通过金属粉末的冲击与塑性变形，消除前层热喷涂涂层19残余拉应力，增加零件的致密度；成形的零件克服了热喷涂涂层残余拉应力和开裂倾向大、致密度不高缺点；消除了冷喷涂涂层的压应力与变形；解决了热喷涂与冷喷涂的涂层高度有限难题，能够实现零件的立体成形，其残余应力低，组织更致密、性能更优越。

附图说明

图1为本发明设备组成示意图。

图2为复合喷嘴结构示意图。

图3为本发明方法流程图。

图4为制备的零件内部组织构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，一种高致密度与低残余应力的零件增材制造设备，包括设置在工作台9上方的复合喷嘴1，复合喷嘴1安装在运动机构2上，复合喷嘴1的热喷涂能量进口通过热喷涂进口闸阀3和热喷涂系统4连接，复合喷嘴1的冷喷涂气体进口通过冷喷涂进口闸阀5和冷喷涂系统6连接，复合喷嘴1的粉末入口和粉末供给系统7连接，运动机构2、热喷涂系统4、热喷涂进口闸阀3、冷喷涂系统6、冷喷涂进口闸阀5、粉末供给系统7的控制输入和控制系统8连接，通过控制系统8控制开启、关闭或运动，在工作台9的基板表面得到工件10。

参照图2，所述的复合喷嘴1内部包括圆柱孔段11、收缩段12、喉口13和扩张段14，圆柱孔段11为入口，扩张段14为出口，圆柱孔段11设置两个进口，正对着喉口13的位置为热喷涂能量进口18，圆柱孔段11侧壁设置有冷喷涂气体进口17，喉口13位置侧壁设有粉末15的粉末入口16。

参照图3，一种高致密度与低残余应力的零件增材制造方法，包括以下步骤：

一种高致密度与低残余应力的零件增材制造方法，包括以下步骤：

1)建立所需工件10的三维实体模型，并对三维模型切片处理，获得每层截面数据；

2)开启热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，关闭冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5，在复合喷嘴1里将粉末15加热至熔融状态，加速冲击到工作台9上装夹的基板表面，并在运动机构2的作用下，形成第一层的热喷涂涂层19；

3)关闭热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，在运动机构2的作用下，复合喷嘴1远离工作台9一层涂层层厚距离；

4)开启冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5，关闭热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3或减少热喷涂输入，在复合喷嘴1中高压气体将粉末15加速喷涂到第一层的热喷涂涂层19上，在运动机构2的控制下，形成第一层的冷喷涂涂层20；

5)关闭冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5和喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，在运动机构2的作用下，复合喷嘴1远离工作台9一层涂层层厚距离；

6)重复步骤2)-5)，直到成形所需工件10。

下面结合实施例对本发明方法作详细描述。

实施例以平均粒径50μm的6061铝合金为原材料，一种高致密度与低残余应力的零件增材制造方法，包括以下步骤：

1)建立所需工件10的三维实体模型，并对三维模型切片处理，获得每层截面数据；

2)开启热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，关闭冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5，在复合喷嘴1里将粉末15加热至熔融状态，加速冲击到工作台9上装夹的基板表面，并在运动机构2的作用下，形成第一层的热喷涂涂层19；

3)关闭热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，在运动机构2的作用下，复合喷嘴1远离工作台9一层涂层层厚距离；

4)开启冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5，关闭热喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，在复合喷嘴1中高压气体将粉末15加速喷涂到第一层的热喷涂涂层19上，在运动机构2的控制下，形成第一层的冷喷涂涂层20；

5)关闭冷喷涂系统6及冷喷涂进口闸阀5和喷涂系统4及热喷涂进口闸阀3，在运动机构2的作用下，复合喷嘴1远离工作台9一层涂层层厚距离；

6)重复步骤2)-5)，直到成形所需工件10。