[发明专利]一种激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法

说明书

一种激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法，将激光熔覆成形和冷喷成形两种工艺进行同步复合，同时作用于三维零件的累加过程，形成一种新的金属零件成形方法，冷喷成形过程中，高速金属射流对前序激光熔覆金属层进行冲击处理，清除表面的氧化层等污染物，消除其间的疏松、微裂纹等缺陷，改善其残余应力状况，提高层间结合强度，提高力学性能；激光熔覆成形过程中，熔覆层形成的高温环境降低了冷喷成形所需的金属射流速度，改善了金属射流的汇聚性，提高了成形精度。本发明公开的金属激光熔覆‑冷喷同步复合的金属零件成形方法具有材料性能好、成形效率高、环境友好的特点，可用于高性能金属零件的绿色高效成形。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种面向高性能金属零件的绿色高效成形的激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法。

背景技术

激光熔覆技术是主流的金属三维直接成形技术之一，基于的金属材料熔融-凝固的点-线-面“热基”累加原理，广泛存在材料缺陷多、致密性低、热变形严重等困难，难以实现精密的“控形控性”制造。经过多年努力，激光熔覆的静机械性能已可媲美锻件，但因较低的高周疲劳强度，即便经过热等静压等后处理，其高周疲劳等关键指标依然无法达到锻件，导致其无法完全满足航空航天等高端需要。

冷喷涂是一种“冷基”工艺，利用非熔融金属粉末高速冲击基板形成致密涂层。冷喷涂层内部存在的低水平压缩残余应力，有助于改善疲劳强度。因其良好的材料性能，冷喷在航空航天零件表面处理和修复等方面得到了广泛应用，对解决传统金属三维成形工艺的困难极具吸引力。然而，对于传统冷喷涂，为得到面向高性能的致密涂层/零件，需将粉末加速到极高速度，工艺难度较大：1)极高的速度带来了粉末射流的极大分散性，使得精细金属射流的获取非常困难，严重影响了冷喷涂的分辨率，是发展冷喷涂增材制造技术的最大挑战。2)为加速粉末需消耗大量气体，增加了物料及能源消耗。特别的，高性能冷喷涂通常选用加速性更好的氦气作为气源，极大增加了成本。3)为将粉末加速到高速，需高压气源，增加了设备防护成本和操作危险性。为降低对喷射速度的需要，通常的做法是对粉末进行预热，如利用高温气体和/或激光加热粉末，但该处理增加了工艺复杂性、提高了成本。

面向高性能零件的加工，为解决传统“热基”三维零件直接成形技术存在材料性能不足和“冷基”三维零件直接成形技术工艺条件苛刻的困难，急需基于这两种技术，发展一种可克服各自不足、可实现优势互补的金属零件成形方法及开发相应设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有材料性能好、成形效率高、环境友好的特点，可用于高性能金属零件的绿色高效成形的激光熔覆和冷喷同步复合的金属零件成形方法。

为达到上述目的，本发明采用的方法如下：

1)获取零件三维数据：通过三维建模软件建立实体零件的三维数据；

2)数据处理：对实体零件的三维数据进行离散处理、扫描路径规划、工艺参数设定得到控制实施材料累加所需的成形数据；

3)实施材料累加：根据步骤2)得到的成型数据采用激光熔覆累加和冷喷累加同步复合成形得到由当前激光熔覆累加层和当前冷喷累加层组成的当前材料累加层；

4)完成零件成形：根据成形数据，判断是否已完成零件成形，如果没有，则根据成形数据继续实施下一层材料累加，即重复步骤3)，直到所有材料累加操作，从而完成零件成形。

所述步骤2)离散处理指从三维数据获得适用于累加成形方式的离散数据格式；

扫描路径规划包括获得激光熔覆喷头和冷喷喷头的层内扫描路径和层间步进高度；

工艺参数设定，包括激光熔覆工艺参数、冷喷喷头工艺参数、复合工艺参数和环境温度参数。