[发明专利]一种高致密度与低残余应力的零件增材制造设备及方法

说明书

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。

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。

所述的复合喷嘴内部包括圆柱孔段、收缩段、喉口和扩张段，圆柱孔段为入口，扩张段为出口，圆柱孔段设置两个进口，正对着喉口的位置为热喷涂能量进口，圆柱孔段侧壁设置有冷喷涂气体进口，喉口位置侧壁设有粉末的粉末入口。

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

3)关闭热喷涂系统及热喷涂进口闸阀，在运动机构的作用下，复合喷嘴远离工作台一层涂层层厚距离；

4)开启冷喷涂系统及冷喷涂进口闸阀，关闭热喷涂系统及热喷涂进口闸阀或减少热喷涂输入，在复合喷嘴中高压气体将粉末加速喷涂到第一层的热喷涂涂层上，在运动机构的控制下，形成第一层的冷喷涂涂层；

5)关闭冷喷涂系统及冷喷涂进口闸阀和喷涂系统及热喷涂进口闸阀，在运动机构的作用下，复合喷嘴远离工作台一层涂层层厚距离；

6)重复步骤2)-5)，直到成形所需工件。

所述的粉末的粒径在1-100微米之间；粉末能随成形涂层的增加而改变粉末的成分，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。