[发明专利]激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统与方法

权利要求书

1.一种激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，其特征在于，包括基板(10)、3D打印系统(20)、冷喷涂系统(30)以及送粉系统(40)；

所述送粉系统(40)，用于向基板(10)的打印表面送粉；

所述3D打印系统(20)，包括激光熔覆头(21)，所述激光熔覆头(21)被设置成按照预设的轨迹移动并熔融基板(10)表面的粉末，沉积形成熔覆层，并通过自下而上生长的方式逐层沉积，直到完成工件成型；

所述冷喷涂系统(30)，被设置用于对所述3D打印系统(20)成型的每一层熔覆层进行冷喷涂处理，通过生成超音速的气体－粉末双相射流，高速撞击熔覆层。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，其特征在于，所述3D打印系统(20)为同轴送粉激光增材打印系统，或者旁轴送粉激光增材打印系统。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，其特征在于，所述送粉系统(40)包括第一送粉装置，所述第一送粉装置通过至少一路送粉管连接至所述激光熔覆头(21)，通过同轴送粉或者旁轴送粉的方式向基板(10)表面输送粉末。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，其特征在于，所述冷喷涂系统(30)包括载气装置(31)、第二送粉装置(32)、气体加热装置(33)以及拉瓦尔喷嘴(34)；第二送粉装置(32)与气体加热装置(33)通过各自独立的管路连接至拉瓦尔喷嘴(34)；

通过载气装置(31)将高速气体分成两路，其中第一路输送至第二送粉装置(32)作为粉末的载气，通过第二送粉装置(32)向拉瓦尔喷嘴(34)送粉；第二路经过气体加热装置(33)加热后作为加速气体，送至拉瓦尔喷嘴(34)，经过拉瓦尔喷嘴(34)产生超音速的气体－粉末双相射流，朝向熔覆层撞击。

5.根据权利要求4所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，其特征在于，所述拉瓦尔喷嘴(34)设置有前置的汇流室，所述第二送粉装置(32)与气体加热装置(33)通过各自独立的管路与所述前置的汇流室连通，送粉气体与加速气体在前置的汇流室混合后，再经拉瓦尔喷嘴(34)缩放产生超音速的气体－粉末双相射流。

6.根据权利要求4所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，其特征在于，所述载气装置(31)的载气压力为2-5MPa，载气流量40-50Nm³/min。

7.根据权利要求4所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，其特征在于，所述气体加热装置(33)对经过的气体的预热温度为400℃-700℃。

8.根据权利要求4所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，其特征在于，所述第二送粉装置(32)的送粉辊转速为1-5r/min。

9.根据权利要求4～8中任意一项所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，其特征在于，冷喷涂所用合金粉末的粒径为10-50μm。

10.一种基于权利要求1～9中任意一项所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据打印工件的三维模型规划激光熔覆头(21)的打印路径以及切片分层，获得增材制造的成型工艺，包括激光扫描路径参数和沉积参数；

所述3D打印系统(20)的激光熔覆头(21)根据上述成型工艺，按照预设的轨迹移动并熔融基板(10)表面的粉末，沉积形成熔覆层，并通过自下而上生长的方式逐层沉积，直到完成工件成型；

其中，再每一层熔覆层沉积后，通过所述冷喷涂系统(30)生成超音速的气体－粉末双相射流，高速撞击熔覆层，对每一层熔覆层进行冷喷涂处理，促使第i层熔覆层中形成再结晶晶粒，并且再结晶晶粒随着第i+1层熔覆层的沉积而长大，从而使熔覆层沿着沉积方向的组织呈现等轴晶区和细晶区的晶粒梯度，其中i＝1,2,3,…,N-1，N表示沉积层的总数。

11.根据权利要求10所述的激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造方法，其特征在于，冷喷涂所用粉末与3D打印增材制造采用的粉末材料相同，粒径为10-50μm。