[发明专利]金属基碳纳米复合材料零部件的一体化成形装置及方法

说明书

本发明涉及金属基碳纳米复合材料零部件的一体化成形装置及方法，包括控制系统、成形腔、真空系统、碳源气体供给及检测系统、气体循环系统、激光器及光学系统、送铺粉系统和尾气处理系统。该装置采用刮刀均匀地铺设金属粉末于基板上，然后激光束聚焦到金属粉末上，通过控制气态碳源在激光束作用下裂解并在基体表面沉积出碳纳米材料，再通过选区激光熔化成形技术逐层工作的方式直接成形出金属基碳纳米复合材料零部件。该装置能准确地获取碳源气体和氢气浓度值，可定量控制碳纳米材料的含量，也可实现成形装置中杂质气体的实时监测和排放。以气态碳源扩散‑裂解‑沉积的方式生成的碳纳米增强相均匀分散、不易团聚，可有效增强复合材料的力学性能。

技术领域

本发明属于金属基碳纳米复合材料零部件的激光制备技术领域，特别涉及一种结合选区激光熔化法(SLM)和激光化学气相沉积法(LCVD)原位反应合成金属基碳纳米复合材料的成形装置及方法。

背景技术

金属基碳纳米复合材料具有优异的物理性能和力学性能。然而，特定情况下金属基复合材料的应用需要将其加工成特定形状的零部件，通常都是按照模具制造，或者进行后期的机械加工，尤其对于内部形状十分复杂的零部件。传统方法费时费力。本发明将SLM和LCVD技术相结合，在金属粉末的SLM熔化成形过程中加入气态碳源，通过控制气态碳源在激光束作用下的裂解并在基体表面沉积出碳纳米材料，再通过选区激光熔化成形技术逐层工作的方式直接成形出金属基碳纳米复合材料零部件。如此的快速成形法，极大程度地缩短制备周期，提高制备效率，不必采用模具加工或是后期机械加工就可直接成形复合材料零部件。值得注意的是，由于气体的分散性很好，采用该装置和方法生成的碳纳米增强相可均匀分散、不易团聚，能有效增强复合材料的力学性能。

送铺粉系统是选区激光熔化成形装置中的关键组成部分之一，送铺粉系统的可靠性、稳定性和连续性，及其铺设粉末的均匀性，直接影响着成形的速度和精度，并最终影响成形件的力学性能。

专利201410363212.6公开的金属基碳纳米复合材料成形装置中，送粉器向工作头内送入金属粉末，金属粉末从工作头自由散落到金属基板上实现送铺粉过程。该装置仅采用送粉器和工作头送粉，并未使用刮刀实现铺粉过程，难以实现金属粉末的均匀铺设，这将直接影响复合材料的熔化-成形过程，并最终影响复合材料成形件的力学性能。并且专利201410363212.6公开的金属基碳纳米复合材料成形装置中，激光束通过工作头后再作用到铺设的金属粉末上，实现粉末的选区熔化。由于工作头后再熔化金属粉末，工作头通过机械系统控制，运行速度和精度不可避免地受到影响，这将严重影响激光束的扫描速度和精度，并最终影响复合材料成形件的力学性能。并且上述专利公开的金属基碳纳米复合材料成形装置中，并未设置碳源气体和反应生成气体(氢气)含量传感器，不能准确地获取碳源气体和氢气含量，因此，并不能实现作为增强相的碳纳米材料含量的精准控制，也不能实现成形装置中杂质气体的实时监测和排放。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种金属基碳纳米复合材料零部件的一体化成形装置；本发明的目的之二在于提供金属基碳纳米复合材料零部件的一体化成形方法，采用SLM与LCVD并行加工技术，在激光束熔化金属粉末的同时，利用激光化学气相沉积原理使金属熔池附近高温温度场内的碳源气体裂解并催化生成各类碳纳米结构材料，并与熔化-凝固过程中的金属基体进行复合，再通过选区激光熔化成形技术逐层工作的方式直接成形出金属基碳纳米复合材料零部件。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、金属基碳纳米复合材料零部件的一体化成形装置，包括控制系统、成形腔、真空系统、碳源气体供给室、保护气体室；碳源气体检测装置、气体循环系统、光学系统、送铺粉系统，送铺粉系统下端设置有用于铺设球形金属粉末的刮刀。

优选的，所述光学系统含有激光器和激光传输装置，激光器通过激光传输装置将激光束聚焦到粉末床以实现对金属粉末的选区熔化。