[发明专利]一种梯度材料粉末混合装置及其方法

说明书

一种梯度材料粉末混合装置和方法，其装置包括主混粉单元，其入口为大开口，出口为小开口，在主混粉单元可依次实现双漏斗近同步泄粉冲击混合、底部汇聚混合、底部气流冲击混合三种形式的混合效果；设置在主混粉单元的大开口侧的供粉及近同步泄粉冲击混合单元，包括设有供粉空间的供粉腔、控制供粉腔内的粉末泄入主混粉单元的供粉轴、斜向集粉板、垂直板；以及均布混合单元，包括两分散腔、和夹在两分散腔之间并连通两分散腔的集粉腔，通过分散腔上的放射状流道及倒梯形设置的收集腔设置，可实现粉末分散、混合、再分散，进一步混合粉末并将粉末均布为合适宽度。与现有技术相比，本发明能缩短混合时间、提高混合效果。

技术领域

本发明涉及梯度材料技术领域，特别是涉及一种梯度材料粉末混合装置及其方法。

背景技术

现有技术中，金属零件通过3D打印的方法进行生产，例如激光熔覆制造法、激光选区熔化法、电子束熔融沉积法，目前这些技术已应用到航空航天、医学零件、汽车制造等领域。然而，当前这些技术多用于单种金属材料的成型。随着技术的不断成熟，人们已不满足只使用单种金属材料进行3D打印。包括梯度材料零件在内的多材料金属零件3D打印技术正越来越受到重视。

梯度材料零件是一种由不同的材料在成分或结构上沿厚度或直径方向呈连续变化的新型复合材料零件。梯度材料零件的不同位置上布置不同的材料或结构，从而使得零件不同部位具有不同的性质或功能。而且零件内的材料成分或结构特征连续过渡，使不同的材料或结构之间得到良好结合，不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏。因此，梯度材料零件在工业及日常生活中有着巨大的应用潜力。目前梯度材料零件的成型方法多数为通过喷涂或气相沉积等方法在基体零件表面获得薄层的梯度材料层，其工艺复杂且效率低下。相对传统零件制造方法，3D打印(亦称增材制造)具有自动化程度高、易实现复杂结构成型、成型效率高等优点，在3D打印技术问世后，已逐步出现可实现梯度材料零件制造的3D打印工艺。

激光选区熔化(Selective Laser Melting-SLM)3D打印工艺是当前打印精度最高的金属零件3D打印工艺之一，成型时需采用刮板或辊轴逐层铺设粉末，即每次铺粉，都会铺设一层厚度的粉末。受每次需铺设一层粉末的原理限制，该工艺技术一般用于单种材料零件的成型，为实现梯度材料SLM成型，需要在执行激光选区熔化之前，通过刮板或辊轴在选区内铺设好所需成分的材料。为此，常采用以下两种方法获取不同成分的粉末材料：一种是预先调配法，按各部分的材料成分将预先混合好的粉末分别装入不同的漏斗中，成型过程中，需要用到哪一种梯度成分，则从对应的漏斗处泄下相应的梯度成分粉末，但对梯度材料零件而言可能出在多个梯度成分区域，因此相应地要求用到多个漏斗，从而导致设备构建成本以及体积的增加；另一种方法是实时调配法，实时按配比混合多种不同的粉末，这种方法只需要按基本构成材料的成分种类设置用于盛装原始粉末的漏斗并在成型时按比例及时调配即可，无需按配比分别设置不同的漏斗，具有缩小成型设备体积以及可获得多种不同的梯度材料成分的优势。

尽管实时调配法相对于预先调配法具有一定的优势，但是仍然存在一定的缺点，包括以下几个方面：

(1)由于需要在成型过程中实时混合粉末，因此会增加总成型时间，而传统的机械翻转式粉末混合装置，例如V型混合机、双锥型混合机，粉末混合时间一般需要5分钟以上，对梯度材料零件3D打印而言，由于用到不同的粉末材料，这就造成每次铺设不同类型的粉末材料前需要一次单独的实时混合粉末过程，势必大大降低3D打印的效率，失去与其它技术相比的优势。

(2)由于金属材料SLM成型时，必须通入保护气体以防止材料在成型过程中发生氧化，因此，实时混合粉末过程需要在保护气体内进行，同时粉末混合过程也不能将未混合好的粉末直接洒落到成型平台上。但是由于是实时混粉的装置也需要与SLM成型室、各漏斗集成为一体，且相互连通，采用传统的翻转式混合粉末装置，例如V型混合机，由于回转半径大，因粉末混合前需接入两漏斗按比例下泄的粉末因而难做到在翻转混合过程不洒落粉末，也很难将这类粉末混合装置集成到SLM设备内。