[发明专利]基于低温超音速喷涂生产自由成型部件的方法及应用

说明书

本发明提供了一种基于低温超音速喷涂生产自由成型部件的方法及应用。该方法包括以下步骤：(1)喷涂脱膜层：使用低温超音速喷涂装置于支撑面喷涂脱模层；(2)规划路径：规划喷涂的路径；(3)制造部件：使用低温超音速喷涂方法，并利用边缘补偿喷涂工艺，在支撑面逐层喷涂材料，构成部件；(4)脱模：把部件连同支撑面放进加热装置，将所述脱模层熔化，使部件与支撑面分离，即得。通过该方法能够令模具可重复使用，降低部件生产成本。

技术领域

本发明涉及超音速喷涂技术领域，具体涉及一种基于低温超音速喷涂生产自由成型部件的方法及应用。

背景技术

相对于高速氧气燃料热喷涂及直接金属激光烧结等增材制造技术，低温超音速喷涂技术属于低温工序，其工作温度低于喷涂材料的熔点。低温超音速喷涂技术较适用于制造体积较大的部件，因为此技术成型效率高，工作温度低，而且喷涂时不会出现相变，令部件孔隙率大幅降低，减少材料氧化，消除部件中结晶化不均匀的问题。不过，使用此技术时，材料颗粒于喷咀出口的分布及速度并不平均，导致颗粒于基材上的分布近似于高斯分布。请参照图1，许多研究指出，使用低温超音速喷涂技术时，如轴对称的拉瓦尔喷咀扫描速度较高或重复扫描次数较少时，涂层轮廓大概呈现对称的正态高斯分布曲线。在正态高斯分布曲线中，μ是高峰峰顶的中心位置，亦是分布曲线的平均值，σ是分布曲线的标准偏差。当轴对称的拉瓦尔喷咀扫描速度较低或重复扫描次数较多时，涂层会形成三角形的轮廓，以致后续的材料颗粒难以沉积。请参照图2，连续喷涂使单道涂层轮廓由开始时堆栈效率较高的薄涂层，逐渐转变为堆栈效率较低的三角形状涂层。在喷涂过程中，喷咀中心的颗粒速度一般高于边缘区域的颗粒速度。此外，沉积在轨迹中心的颗粒的数量比边缘的颗粒多，其尺寸也比边缘的颗粒大。因此，中间的厚度会明显增加，使得中心线以外颗粒的入射角度逐渐减小。使用低温超音速喷涂技术时，材料颗粒需要达到临界速度，才能产生塑性变形而形成涂层，所以此技术对喷涂入射角度较敏感。90度的入射角度可以确保垂直于沉积表面的速度分量为最大，从而达到最大的堆栈效率。入射角度较小的颗粒，由于垂直于沉积表面的速度分量达不到临界速度，所以会被反弹消散，无法沉积于表面上。因此，中间缓慢上升的涂层轮廓不利于后续颗粒的沉积，尤其是在中心线以外的颗粒，其入射角度迅速减小，导致堆栈效率急剧下降。逐渐只有在中心线的颗粒才有高于临界速度的垂直速度分量，能够继续沉积于表面上，这些都进一步加剧了后续颗粒沉积的难度，最终中间可以沉积颗粒的有效区域也不断缩小，以至于形成三角形的单轨轮廓。

所以，尽管低温超音速喷涂技术能够迅速形成三维体积，但其三角形的单轨轮廓对于形成复杂三维形状方面存在明显的局限性，而且三角形的单轨轮廓使其不能像其他增材制造技术一样，通过逐层堆栈的方式形成三维形状，以致此技术未能有效地应用于制造部件。目前，为了使用低温超音速喷涂技术制成部件，必须先喷涂大量多余材料，然后以减材加工的方法裁切出部件的形状。喷涂大量多余材料会延长生产时间及浪费喷涂材料，而后续减材加工工序，包括线切割放电加工及铣削加工，会改变部件表面的特性，例如令表面氧化及粗糙，继而影响部件的性能。后续加工工序亦会增加生产成本，并使部件的形状设计受到限制。

如果要在不依赖减材加工的情况下，通过低温超音速喷涂技术制造形状复杂的部件，则需要能够喷涂出直立厚壁，然后通过逐层堆栈的方式形成复杂三维形状。目前有厂商使用“三角喷涂工艺”，以喷涂出直立厚壁作逐层堆栈。请参照图3，该工艺是通过倾斜喷嘴，使当前涂层垂直喷在前一个轨迹的倾斜表面上。但是，采用这种工艺时，需要先喷涂出典型的三角形单轨轮廓。正如之前所述，由于入射角度逐渐减少，材料颗粒的垂直速度分量达不到临界速度，导致典型的三角形单轨轮廓影响了整体的堆栈效率。另外，高而尖锐的三角形单轨轮廓会令材料颗粒产生平行于沉积表面的速度分量，从而于沉积表面上产生平行于沉积表面的拉力，令材料颗粒与先前喷涂的涂层之间的结合强度降低，孔隙率也会随之增加，导致整体部件的强度降低。考虑到上述种种问题，“三角喷涂技术”对于以低温超音速喷涂技术制造高质量的部件，并不是一个良好的解决方案。