[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

说明书

本发明提供一种激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统与方法，包括基板、3D打印系统、冷喷涂系统以及送粉系统；3D打印系统通过自下而上生长的方式逐层沉积，直到完成工件成型；冷喷涂系统对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。将冷喷涂与激光熔覆沉积工艺复合，每打印一层都对熔覆层进行冷喷涂处理，利用固态的金属粉末颗粒高速撞击使熔覆层发生剧烈塑性变形，提供了大量的形核位点，促进了超细小的动态再结晶晶粒的形成，导致局部的晶粒发生动态再结晶，再结晶晶粒在后续的加热过程中长大，最终晶粒趋于均匀，构件的构件组织得到细化，从而提升构件的力学性能。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体而言涉及一种激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统与方法。

背景技术

增材制造过程中，材料往往存在强烈的物理、化学变化以及复杂的物理冶金过程，同时伴随着复杂的形变过程，以上过程影响因素众多，涉及材料、结构设计、工艺过程、后处理等诸多因素，这也使得增材制造过程的材料—工艺—组织—性能关系往往难以准确把握，形性的主动、有效调控较难实现。

激光熔覆沉积是一种基于快速原型制造基本原理的增材制造技术，以金属粉末为原材料，采用高能量的激光作为能量源，按照预定的扫描路径，将同步送给的金属粉末进行逐层熔化，快速凝固和逐层沉积，从而实现金属零件的直接制造的技术。但由于其特殊的冶金过程，涉及材料、结构、多种物理场和化学场的多因素、多层次和跨尺度耦合的极端复杂系统，所得零件的组织容易产生柱状晶显著、组织的不均匀等问题。围绕这一问题，现有技术已经开展了大量探索性研究，从增材制造工艺本身、添加强化颗粒细化晶粒及利用磁场、电场等手段进行微观组织的调控，试图解决增材制造冶金组织问题。

美国Banerjee等利用激光立体成型技术成功制备出Ti-TiB和Ti6Al4V-TiB复合材料，TiB增强体可以均匀分布在沉积态合金内，并可以在一定程度上细化组织。通过添加形核剂是从增加形核质点来实现组织改善，但添加形核剂会影响合金成分，对于合金成分要求严格的合金也不适合。

沈航、王维等人的研究表明在熔覆过程中复合超声振动可降低熔覆过程中相邻层间的温差，增强了熔池对流且熔池温度场更加均匀稳定，使得熔覆层组织均匀、晶粒有效细化、残余应力减小，气孔尺寸和数量显著减小。然而通过熔覆过程中复合超声振动的效果有限，且晶粒细化效果不明显。

发明内容

本发明目的在于针对于激光熔覆沉积过程组织容易产生柱状晶显著、组织的不均匀等问题，提供一种激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，结合冷喷涂处理，调控激光熔覆沉积冶金组织的形态，显著提高激光熔覆沉积制造零构件的使用性能，实现构件力学性能和疲劳寿命的改善。

根据本发明目的的第一方面提出一种激光熔覆沉积同步冷喷涂复合增材制造系统，包括基板、3D打印系统、冷喷涂系统以及送粉系统；

所述送粉系统，用于向基板的打印表面送粉；

所述3D打印系统，包括激光熔覆头，所述激光熔覆头被设置成按照预设的轨迹移动并熔融基板表面的粉末，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，被设置用于对所述3D打印系统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。

在可选的实施例中，所述送粉系统包括第一送粉装置，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，通过同轴送粉或者旁轴送粉的方式向基板表面输送粉末。

在可选的实施例中，所述冷喷涂系统包括载气装置、第二送粉装置、气体加热装置以及拉瓦尔喷嘴；第二送粉装置与气体加热装置通过各自独立的管路连接至拉瓦尔喷嘴；