[发明专利]一种金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复方法与设备

权利要求书

1.一种金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复设备，由控制单元、熔覆材料同轴送粉器、陶瓷颗粒后侧送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台组成，控制单元分别与熔覆材料同轴送粉器、陶瓷颗粒后侧送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度陶瓷复合材料层制备工艺模块、金属失效表面仿生修复数控加工模块和金属失效表面修复仿生结构体设计模块；

所述多尺度陶瓷复合材料层制备工艺模块主要包括激光熔注辅助同轴送粉工艺参数数据库，该数据库中每一条数据记录包括金属表面的失效形式、材料、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔覆材料、粉末尺寸、送粉速度，熔注后金属表面化学成分、组织结构、耐磨性；

所述金属失效表面修复仿生结构体设计模块是选择具有耐磨功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对金属表面失效区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小金属失效表面修复应力应变角度，设计耐磨抗裂仿生单元体和不同单元体按一定规律偶联构成仿生结构体；仿生单元体设计包括仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态、陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数和陶瓷弥散形态设计；仿生结构体设计包括各仿生单元体耦合形式和偶联结构形态设计；从减小金属失效表面修复应力应变角度，修正设计的仿生单元体和仿生结构体；

所述金属失效表面仿生修复数控加工模块能够根据设计好的金属失效表面修复仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好金属失效表面修复仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该模块的示教系统中；

所述陶瓷颗粒后侧送粉器采用后侧熔注陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度1～150 mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm；

所述熔覆材料同轴送粉器采用同轴送粉，熔覆材料包括钴基、镍基和铁基合金粉末，送粉率1～800 mg/s，颗粒尺寸为100nm～1.0mm；

所述五自由度数控机械工作台是一个龙门数控操作平台，包括Y向行走机构，安装在龙门导轨上，Z向上下进给结构安装在Y向移动机构上，激光头、熔覆材料同轴送粉器和陶瓷颗粒后侧送粉器通过固定块与Z轴相连，龙门中间是工件夹具平台，平台带动工件能完成C向转动和B向翻转，翻转角度为正负90度。

3.一种利用权利要求1或2所述的设备进行金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉仿生修复方法，其特征在于：在金属失效表面，利用激光熔注辅助同轴送粉的加工方法，对表面进行填加化学元素和仿生修复。

4.根据权利要求3所述的方法，所述金属失效表面包括模具制品、车床导轨、阀门、轧辊、水轮机叶片、船舶螺旋桨、动车铁轨、矿山钻头的磨损表面。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述在金属失效表面激光熔注辅助同轴送粉而成仿生结构体，相邻陶瓷筋脉间距W1、W2为0.1~80mm，熔注陶瓷筋脉宽度W3、W4为0.1~10mm，熔注陶瓷筋脉厚度h1为0.1~8mm ，熔覆金属复合材料层厚度h2为0.1~8mm，筋脉夹角θ为20~160度。