[发明专利]一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置

说明书

本发明涉及一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置。该装置包括沉积头，沉积头包括壳体，壳体包括横向筒体和竖向筒体，竖向筒体的下端设有端部碰嘴。横向筒体内沿激光传输方向依次设有准直镜、旋转对称棱镜和第一耦合棱镜。横向筒体和竖向筒体的连接拐角处的内壁上倾斜设有偏转镜，偏转镜上设有送丝孔和送粉孔，送丝孔中设有送丝管，送粉孔中设有送粉管，端部碰嘴上设置有送丝嘴和送粉通道。竖向筒体内部设有第二耦合棱镜。竖向筒体的下端于端部碰嘴的外侧设有非球面聚光透镜，送丝嘴和送粉通道的出口方向均朝向圆锥形激光束的焦点处。丝粉同轴送进并位于激光束内部，实现激光增材制造原位合金化梯度或金属基复合材料的高效无缺陷制备。

技术领域

本发明涉及激光增材加工技术领域，具体涉及一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置。

背景技术

目前，激光增材制造技术已广泛应用于航空航天、核能及军用关键零部件制造领域，就其沉积方式的不同可以分为送粉式和送丝式。两种沉积方式各有优缺点，通过送粉式激光增材制造的零件具有较高的尺寸和表面精度，其中以激光选区熔化(SLM)为代表的送粉式激光增材制造可以制造形状结构复杂、传统工艺无法加工制造的小型零件，但同时存在粉末高成本、低利用率和制造件的孔隙缺陷致使其强度较低，有可能不满足使用性能要求的不足。激光熔化沉积(LMD)增材制造技术既能以粉末作为原料，也能使用丝材作为原料，灵活性大大提高，其中以丝材作为原料，材料的利用率高，送料精度更准确，且沉积效率更高，适合制造大型构件。然而，丝、粉同步激光沉积是在激光熔化沉积的基础上，同时将粉末和丝材送入熔池，逐层沉积，实现增材制造工艺。将丝粉混合同步进行增材制造具有以下优势：

1.相对于单独的送粉式增材制造，其沉积效率高，所制备的零件致密度高。

2.所制备的零件成分设计更加灵活。可以通过调节送丝速度和送粉速度可以分别对每一层的成分进行设计，从而制备梯度功能材料。

3.对于某些合金，由于含有某些少量元素而无法将该合金加工成丝材，因此可以将该材料单独以粉末的形式添加道所制备的零件中。

4、丝、粉混合当前最大优势是用于金属基复合材料的原位制备。将硬质或特殊性能的颗粒以粉末的形式，通过流速可控的气体装置，将其添加到熔池中实现原位合金化制备高性能的金属基符合复合材料。

当前，绝大多数丝、粉同步激光增材制造工艺均采用旁轴送丝加旁轴送粉或旁轴送丝加同轴送粉的制造策略。旁轴送丝加旁轴送粉工艺是激光沿端部碰嘴轴线位置输出，粉末喷嘴与送丝嘴置于激光光束两侧，呈一定夹角排列。而旁轴送丝加同轴送粉工艺是将激光沿端部碰嘴轴线位置输出，同时将粉末运送通道集成于熔覆头周围。在粉末由端部碰嘴运送至熔池的过程中，粉末均匀地分布在激光光束四周，丝材以一定角度以旁轴送进的方式进入熔池。

采用上述两种送料方式进行激光增材制造平面类、柱状类等规则形状的零部件时具有一定的优势和可实现性，但制造如异形不等厚、空间网状结构等不规则复杂零部件时，往往存在激光束、旁轴送丝或送粉方向及装置结构尺寸与空间位置可达性要求不相匹配而无法进行正常的零部件成形过程的突出问题。同时，采用高斯分布的激光热源增材成型具有热膨胀系数大、温度梯度变化比较敏感的金属复合材料或功能梯度材料零部件时，因熔池液态金属成分变化和温度梯度分布不均衡以及激光对熔池的强冲击作用易造成如微裂纹、孔隙等缺陷的产生，影响整体增材件的力学、抗腐蚀等性能。因此，发展丝粉同轴送进的光束整形激光增材制造技术和装置对激光增材制造个性化产品和提升通用性零部件使用性能具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种丝粉同轴送进的激光增材制造装置，以解决目前现有丝粉激光增材不规则复杂零部件时存在的激光、旁轴送丝和送粉方向与空间位置可达性要求不一致而无法进行正常成形过程的问题，以及高斯分布的激光束容易在激光增材制造过程中造成材料出现孔隙和微裂纹等缺陷的问题。