[发明专利]激光熔覆成型设备及一种金属零件的激光熔覆成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属零件成型加工技术领域，特别涉及激光熔覆成型设备及一种金属零件的激光熔覆成型方法。

背景技术

传统的金属零件成型方法包括数控机床切削加工、铸造、注塑等。数控机床是普遍使用的加工制造设备。但是，数控机床难以制造具有复杂表面或结构的零件，如薄壁结构、封闭内腔结构和共行冷却结构等；也难以加工某些材料的零件，如钛合金和高硬度材料。

快速成型是一个新的制造方法，能够解决传统制造方法存在的问题。当前，最主要的快速成型材料有：树脂、粉末、纸、蜡、塑料材料甚至橡胶，并且它们只能用于概念模型、视觉原型。加工出的零件在成型精度和效率上存在问题。另外，一些工艺受到材料性能的限制，不适于直接制造快速模具。金属零件有好的表面质量，高的形状和尺寸精度，和高的结构强度导致了无法直接地以传统快速成型方法来成型，因此无法满足制造业——尤其是快速模具制造领域——对零件机械性能的较高要求，工业上迫切需要一种能够快速制造金属零件的快速成型技术。

目前国内外对金属零件的快速成型方法的研究主要有下述方面。

一、立体光造形(StereoLithographyApparatus，SLA）技术。SLA技术又称光固化快速成型技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高），表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成型然后粘接的方法进行制作。缺点：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，(2)设备运转及维护成本较高。(3)可使用的材料种类较少。(4)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。(5)需要二次固化。(6)液态树脂同化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不使进行机加工，树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。该方法主要用于成型零件原型，金属零件加工中，需要以此原型经失蜡铸造制作金属零件，成型时间较长，加工成本较高。

二、直接熔融金属成型零件的技术，主要包括选择性激光烧结SLS（SelectiveLaserSintering）技术、激光熔覆成型LCF（LaserCladdingForming）技术、激光近形LENS（LaserEngineeringNetShaping）技术等。SLS的成型原理是：先在工作台上用辊筒铺一层粉末加热至略低于它的熔化温度，然后，激光束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息，对加工的实心部分所在的粉末进行扫描，使粉末的温度升至熔化点，于是粉末交界处熔化后相互粘结，逐步得到各层轮廓。在非烧结区的粉末仍呈松散状，作为工件和下一层粉末的支撑。一层成型完成后，工作台下降一截面层的高度，再进行下一层的铺料和烧结，如此循环最终形成三维工件。LCF技术的工作原理是通过对工作台数控，实现激光束对粉末的扫描、熔覆，最终成型出所需形状的零件。研究结果表明：零件切片方式、激光熔覆层厚度、激光器输出功率、光斑大小、光强分布、扫描速度、扫描间隔、扫描方式、送粉装置、送粉量及粉末颗粒的大小等因素均对成型零件的精度和强度有影响。LENS技术则是将SLS技术和LCF技术相结合，并保持了这两种技术的优点；选用的金属粉末有三种形式：（1）单一金属；（2）金属加低熔点金属粘结剂；（3）金属加有机粘结剂。

上述直接熔融金属成型零件的技术的缺点在于均采用的是铺粉方式，所以不管使用哪种形式的粉末，激光烧结后的金属的密度较低、多孔隙、强度较低。要提高烧结零件强度，必须进行后处理，如浸渗树脂、低熔点金属，或进行热等静压处理，但这些后处理会改变金属零件的精度，且表面粗糙度较高，成型效率不高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种成型效率高，制备的零件组织致密、晶粒细小、表面粗糙度低，适用范围广的激光熔覆成型设备；同时提供一种基于该激光熔覆成型设备的金属零件的激光熔覆成型方法。