[发明专利]一种激光增材制造装置和方法

说明书

本发明提供一种高效激光增材制造装置及方法，包括控制计算机，连续激光器，激光头，双通电磁阀，液氮罐，机械手臂，液氮喷嘴，粉末输送管，保护气输送管，送粉器，氩气瓶，氮气瓶。在激光增材过程中，当制备非强化层时，采用氩气作为熔池的气氛保护气体；当需要制备氮化物强化沉积层时，调节氮气作为熔池的气氛保护气体，使氮元素与熔池中的金属元素原位发生反应，生成氮化物增强相，本发明能够在激光增材制造过程中，实现在指定区域快速生成氮化物沉积层，并且不影响激光增材构件快速成型的效率，达到氮化物强化沉积层与非强化沉积层在制备过程中快速过渡的目的。

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，特指一种激光增材制造装置和方法。

背景技术

激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技术是以高能激光束为热源，对金属合金粉末进行熔化加工的增材制造技术。激光具有能量密度大，能量集中的有点，可以实现高熔点、难加工金属材料的加工制造，如钛合金、高温合金等。此外，激光增材制造技术柔性自动化程度高，可以实现结构复杂、多种尺度零件的加工。

当前的激光增材制造设备及技术，通常都是激光以高能激光束为热源，根据设定的扫描路径，在惰性气体的氛围中，将同轴送给的粉末或丝材熔化，逐层沉积，实现金属构件直接成型。设备主要由激光器，激光头，数控平台，送粉/送丝器，保护气罐等组成。在制备过程中，不改变任何的工艺参数，所制备出的通常都是综合力学性能单一的金属构件。

一些学者为了制备同一金属构件，在不同部位具有不同力学性能和强度的增材制造构件，利用在增材制造过程中，改变粉末或工艺参数的方法来获得多样性力学性能增材构件。但是在增材过程中，改变粉末，通常需要激光器停止运行，将粉末输送管中残余的粉末全部排出，然后更换其他粉末，工作效率低下，而且在高能激光束的作用下，预置沉积层也会同时熔化，金属元素在高温熔池中迅速扩散，与新置沉积层发生熔合反应，导致本该具有不同力学性能的沉积层性能类似；改变工艺参数的方法，所制备的沉积层通常力学性能差异不明显，效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现定域氮化层强化的激光增材制造装置。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种激光增材制造装置，包括工作台，所述工作台上方设有激光头，所述激光头内设有粉末输送管和保护气输送管，所述粉末输送管与送粉器连接，所述保护气输送管通过双通电磁阀同时与氩气瓶和氮气瓶连接，所述激光头与连续激光器光路连接，所述激光头旁设有液氮喷嘴，所述液氮喷嘴与液氮罐连接。

上述方案中，所述液氮喷嘴和所述双通电磁阀通过同步信号发生器连接。

上述方案中，所述液氮喷嘴安装在机械手臂上。

上述方案中，所述工作台、所述同步信号发生器、所述送粉器、所述连续激光器和所述机械手臂均与控制计算机连接。

上述方案中，所述激光头内还安装有三棱镜，所述三棱镜的两侧对应安装有第一反射镜和第二反射镜，所述连续激光器发出的激光通过第三反射镜反射给所述三棱镜，所述三棱镜将激光同时折射给所述第一反射镜和所述第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜将激光反射聚焦到所述工作台上的基材上。

本发明提供的一种激光增材制造方法，包括以下步骤：S1 选择一块平板金属合金材料作为基材，打磨清洗干净烘干后，安放在工作台表面；S2 在控制计算机中建立工件的三维模型，对其进行切片处理，获得工件剖面的轮廓信息，以及构件的层片信息，在控制计算机中编制激光头和液氮喷嘴的工艺参数；S3 根据扫描速度和工件的轮廓和层片位置信息，确定制备非强化层和氮化物强积层的时间节点，在控制计算机中编制程序，要求制备非强化层时，双通电磁阀输出氩气并关闭液氮喷嘴，当制备氮化物强积层时，双通电磁阀切换为输出氮气，并打开液氮喷嘴同时开始喷射液氮；S4 增材构件制备结束后，关闭所有设备。