專利名稱：噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及到一種噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝及設(shè)備。
背景技術(shù)：
噴射沉積成形(spray deposition forming)是一種利用高速氣體,霧化金屬熔液并形成微小金屬液滴射流，然后沉積成形的材料加工工藝，得到的沉積坯具有晶粒細(xì)小、沒有宏觀偏析等優(yōu)點(diǎn)。因此是一種工藝簡(jiǎn)單、短流程、高品質(zhì)，而且適用材料范圍廣的材料成形技術(shù)。但目前的噴射沉積成形工藝由于在沉積時(shí)含有一定量的凝固態(tài)材料，再加上霧化
氣體的影響，沉積坯或制件或多或少存在孔隙和微觀疏松，孔隙率至少0. 5%以上。而這些缺陷使沉積制件的機(jī)械性能大為下降，必須進(jìn)行熱等靜壓、擠壓、鍛造或其它密實(shí)工藝，消除或減少孔隙，以達(dá)到使用要求。激光重熔(laser beam remelting)是利用激光的高能量密度和非接觸作用的特點(diǎn)，掃描固體粉末表面，使之熔化并沉積，并通過逐層堆積的方式制造實(shí)體零件。但由于要重熔完全固態(tài)的粉末，因此不可避免地存在孔隙等缺陷，也需要進(jìn)行熱等靜壓等后續(xù)工藝進(jìn)行密實(shí)，以滿足使用要求。同時(shí)激光重熔沉積技術(shù)一般都需要事先制備的材料粉末，因此流程較長(zhǎng)，工藝受粉末性質(zhì)的影響較大，易引入雜質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，該復(fù)合成形工藝將噴射沉積與激光重熔沉積工藝結(jié)合，減少或消除沉積層組織中的孔隙和疏松，致密化噴射沉積的材料組織，提高了沉積坯的性能。本發(fā)明的另一目的在于提出一種噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備，該設(shè)備通過將噴射沉積與激光(或電子束)重熔沉積工藝結(jié)合進(jìn)行沉積坯的成形，減少或消除沉積組織中的孔隙和疏松，致密化噴射沉積的材料組織，提高了沉積坯的性能。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，包括以下步驟噴射沉積向沉積基體上的沉積區(qū)域內(nèi)噴射金屬液以在所述沉積區(qū)域內(nèi)形成沉積層；激光重熔利用激光掃描所述沉積層以對(duì)所述沉積層進(jìn)行激光重熔和束流沖擊形成重熔層；和沉積坯成形驅(qū)動(dòng)所述沉積基體運(yùn)動(dòng)且在所述沉積基體運(yùn)動(dòng)過程中重復(fù)執(zhí)行所述噴射沉積和激光重熔，以在所述沉積基體上形成由多層沉積-重熔層構(gòu)成的沉積坯。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，將激光(或電子束等高能束)的掃描重熔技術(shù)與噴射沉積成形技術(shù)結(jié)合，利用激光(或電子束等高能束)，對(duì)噴射沉積成形的沉積層組織進(jìn)行同步掃描，通過控制沉積區(qū)域的溫度和重熔沉積層的方法，減少或消除沉積層組織中的孔隙和疏松，致密化噴射沉積的材料組織，以進(jìn)一步提高其性能。
另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝還可以具有如下附加的技術(shù)特征根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述激光重熔的區(qū)域沿相同的運(yùn)動(dòng)軌跡跟隨所述噴射沉積的區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝還包括在噴射沉積之前檢測(cè)所述沉積基體的表面溫度；和根據(jù)檢測(cè)到的所述沉積基體的表面溫度通過所述激光掃描預(yù)熱所述沉積基體的表面以將噴射沉積之前的所述沉積基體的表面溫度控制在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝還包括在噴射沉積過程中檢測(cè)所述沉積層的表面溫度；和根據(jù)檢測(cè)所述沉積層的表面溫度通過所述激光掃描將所述沉積層的表面控制為半液態(tài)或半固態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝還包括在所述噴射沉積和激光重熔過程中檢測(cè)每一層所述沉積層和每一層所述重熔層的溫度；根據(jù)檢測(cè)到的所述沉積層和重熔層的溫度通過改變噴射沉積參數(shù)、所述激光的功率、所述激光的頻率、所述激光的掃描路徑和所述沉積基體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的至少一部分，以控制所述沉積層和重熔層的溫度均勻性。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝還包括還包括在所述沉積坯成形之后通過所述激光掃描所述沉積坯，以控制所述沉積坯的冷卻速度和冷卻過程中的溫度場(chǎng)均勻性。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備，包括腔室本體，所述腔室本體內(nèi)具有工藝腔室；驅(qū)動(dòng)支撐裝置，所述驅(qū)動(dòng)支撐裝置設(shè)在所述工藝腔室內(nèi)，用于支撐沉積基體和驅(qū)動(dòng)所述沉積基體在所述工藝腔室內(nèi)運(yùn)動(dòng)；噴射裝置，所述噴射裝置與所述腔室本體相連，用于向所述沉積基體上的沉積區(qū)域內(nèi)噴射金屬液，以在所述沉積區(qū)域內(nèi)形成沉積層；和激光掃描裝置，所述激光掃描裝置與所述腔室本體相連，用于對(duì)所述沉積層進(jìn)行激光掃描，以將所述沉積層進(jìn)行激光重熔和束流沖擊。另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備還可以具有如下附加的技術(shù)特征根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還包括溫度檢測(cè)裝置，所述溫度檢測(cè)裝置與所述腔室本體相連，用于檢測(cè)所述沉積基體表面的溫度、所述沉積層的溫度和所述重熔層的溫度；和控制裝置，所述控制裝置分別與所述激光掃描裝置、噴射裝置、驅(qū)動(dòng)支撐裝置和溫度檢測(cè)裝置相連，以控制所述激光掃描裝置、噴射裝置、驅(qū)動(dòng)支撐裝置和溫度檢測(cè)裝置的運(yùn)行。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射裝置包括設(shè)在所述工藝腔室內(nèi)的霧化噴嘴；所述激光掃描裝置包括設(shè)在所述工藝腔室外面的用于產(chǎn)生激光的激光器和與所述激光器相連的聚焦掃描裝置；及所述溫度檢測(cè)裝置為設(shè)在所述工藝腔室外面的紅外熱成像儀。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述腔室本體上設(shè)有激光窗口和檢測(cè)窗口，所述工藝腔室內(nèi)設(shè)有分別用于對(duì)所述激光窗口和所述檢測(cè)窗口的內(nèi)側(cè)面進(jìn)行除塵的除塵氣嘴，所述聚焦掃描裝置設(shè)在所述激光窗口處以通過所述激光窗口向所述工藝腔室內(nèi)發(fā)射激光，所述紅外熱成像儀設(shè)在所述檢測(cè)窗口處以通過所述檢測(cè)窗口檢測(cè)所述沉積基體表面的溫度、所述沉積層的溫度和所述重熔層的溫度。
本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備的示意圖，其中示出了噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形管狀沉積坯； 圖2是圖I中所示管狀沉積坯的表面示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備的示意圖，其中示出了噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形圓柱狀沉積坯；圖4是根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備的示意圖，其中示出了噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形板狀沉積坯；和圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了方便和簡(jiǎn)化描述本發(fā)明，而非指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位和定向、以特定的方位和定向構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。術(shù)語(yǔ)“多個(gè)”指兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確的限定。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，所述沉積層經(jīng)所述激光重熔后稱為“重熔層”或“沉積-重熔層”，二者含義沒有區(qū)別。
下面參考附圖來(lái)詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，包括一下步驟噴射沉積向沉積基體上的沉積區(qū)域內(nèi)噴射金屬液以在所述沉積區(qū)域內(nèi)形成沉積層。激光重熔利用激光掃描所述沉積層以對(duì)所述沉積層進(jìn)行激光重熔和束流沖擊形成重熔層。沉積坯成形驅(qū)動(dòng)所述沉積基體運(yùn)動(dòng)且在所述沉積基體運(yùn)動(dòng)過程中重復(fù)執(zhí)行所述噴射沉積和激光重熔，以在所述沉積基體上形成由多層沉積-重熔層構(gòu)成的沉積坯。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，將激光(或電子束等高能束)的掃描重熔技術(shù)與噴射沉積成形技術(shù)結(jié)合，利用激光(或電子束等高能束)，對(duì)噴射沉積成形的沉積層組織進(jìn)行同步掃描，通過控制沉積區(qū)域的溫度和重熔沉積層的方法，減少或消除沉積層組織中的孔隙和疏松，致密化噴射沉積的材料組織，以進(jìn)一步提高其性能。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述激光重熔的區(qū)域跟隨所述噴射沉積區(qū)域。如圖2所示，在噴射沉積過程中，掃描區(qū)域32在沉積區(qū)域31后面，沿相同的運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)，以對(duì)剛剛沉積下的沉積材料進(jìn)行重熔和束流沉積，改善沉積層的組織狀態(tài)。有利地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝還包括在噴射沉積之前檢測(cè)所述沉積基體的表面溫度；和根據(jù)檢測(cè)到的所述沉積基體的表面溫度通過所述激光掃描預(yù)熱所述沉積基體的表面，以將噴射沉積之前的所述沉積基體的表面溫度控制在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。由此，在噴射沉積初始階段，通過激光束(或電子束)的掃描，并輔以溫度測(cè)量和傳感，對(duì)沉積基體表面進(jìn)行預(yù)熱，以改善和控制初始沉積層的溫度及組織狀態(tài)。 進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝還包括在噴射沉積過程中檢測(cè)所述沉積層的表面溫度；和根據(jù)檢測(cè)所述沉積層的表面溫度通過所述激光掃描將所述沉積層的表面控制為半液態(tài)或半固態(tài)。由此，通過控制沉積區(qū)域的溫度場(chǎng)，保證沉積層表面處于最佳的半液態(tài)或半固態(tài)，以獲得最佳的沉積組織。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝還包括在所述噴射沉積和激光重熔過程中檢測(cè)每一層所述沉積層和每一層所述重熔層的溫度；根據(jù)檢測(cè)到的所述沉積層和重熔層的溫度通過改變噴射沉積參數(shù)、所述激光的功率、所述激光的頻率、所述激光的掃描路徑和所述沉積基體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的至少一部分，以控制所述沉積層和重熔層的溫度均勻性。由此，通過檢測(cè)和監(jiān)測(cè)沉積區(qū)域及沉積層的表面溫度，并根據(jù)實(shí)測(cè)溫度，實(shí)時(shí)調(diào)整噴射沉積參數(shù)、激光的功率、激光的頻率、激光的掃描路徑和沉積基體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)，構(gòu)成一個(gè)沉積層表面溫度的閉合控制系統(tǒng)，以改善或維持沉積層和重熔層的溫度均勻性。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝還包括在所述沉積坯成形之后，通過所述激光掃描所述沉積坯以控制所述沉積坯的冷卻速度和冷卻過程中的溫度場(chǎng)均勻性。由此，可以避免沉積坯出現(xiàn)局部疏松。下面參考附圖來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備。、
如圖1-4所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備，包括腔室本體1，驅(qū)動(dòng)支撐裝置2，噴射裝置4和激光掃描裝置5。具體地說(shuō)，腔室本體I內(nèi)具有工藝腔室11。驅(qū)動(dòng)支撐裝置2設(shè)在工藝腔室11內(nèi)。用于支撐沉積基體3和驅(qū)動(dòng)沉積基體3在工藝腔室11內(nèi)運(yùn)動(dòng)。噴射裝置4與腔室本體I相連。用于向沉積基體3上的沉積區(qū)域31內(nèi)噴射金屬液，以在沉積區(qū)域31內(nèi)形成沉積層。激光掃描裝置5與腔室本體I相連。用于對(duì)所述沉積層進(jìn)行激光掃描，以將所述沉積層進(jìn)行激光重熔和束流沖擊，形成沉積-重熔層。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備，將激光(或電子束等高能束)的掃描重熔技術(shù)與噴射沉積成形技術(shù)結(jié)合，利用激光(或電子束等高能束)，對(duì)噴射沉積成形的沉積層組織進(jìn)行同步掃描，通過控制沉積區(qū)域的溫度和重熔沉積層的方法，減少或消除沉積層組織中的孔隙和疏松，致密化噴射沉積的材料組織，以進(jìn)一步提高其性能。有利地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備還包括溫度檢測(cè)裝置6，和控制裝置(未示出)。溫度檢測(cè)裝置6與腔室本體I相連，用于檢測(cè)沉積基體3表面的溫度、所述沉積層的溫度和所述重熔層的溫度。所述控制裝置分別與激光掃描裝置5、噴射裝置4、驅(qū)動(dòng)支撐裝置2和溫度檢測(cè)裝置6相連，以控制激光掃描裝置5、噴射裝置4、驅(qū)動(dòng)支撐裝置2和溫度檢測(cè)裝置6的運(yùn)行。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，噴射裝置4包括設(shè)在工藝腔室11內(nèi)的霧化噴嘴41。激光掃描裝置5包括設(shè)在工藝腔室11外面的用于產(chǎn)生激光的激光器51和與激光器51相連的聚焦掃描裝置52。溫度檢測(cè)裝置6為設(shè)在工藝腔室11外面的紅外熱成像儀61。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，腔室本體I上設(shè)有激光窗口 12和檢測(cè)窗口
13。工藝腔室11內(nèi)設(shè)有分別用于對(duì)激光窗口 12的內(nèi)側(cè)面進(jìn)行除塵的除塵氣嘴121和對(duì)檢測(cè)窗口 13的內(nèi)側(cè)面進(jìn)行除塵的除塵氣嘴131。聚焦掃描裝置52設(shè)在激光窗口 12處以通過激光窗口 12向工藝腔室11內(nèi)發(fā)射激光。紅外熱成像儀61設(shè)在檢測(cè)窗口 13處以通過檢測(cè)窗口 13檢測(cè)沉積基體3表面的溫度、所述沉積層的溫度和所述重熔層的溫度。圖I和圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，可用于制造管狀沉積零件。沉積基體3可以在工藝腔室11中進(jìn)行繞驅(qū)動(dòng)支撐裝置2的中心軸的旋轉(zhuǎn)和沿其中心軸向(即如圖I中所示的左右方向)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在噴射沉積開始前,激光器51 (可以是CO2激光器、YAG激光器、光纖激光器和半導(dǎo)體激光器)產(chǎn)生高能激光束，激光功率在100W 10，OOOff之間。在聚焦掃描裝置52的作用下對(duì)沉積基體3表面掃描加熱，而紅外熱成像儀61檢測(cè)沉積基體3的表面溫度。當(dāng)沉積基體3的表面溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，開始用高壓氮?dú)饣蚨栊詺怏w(氬氣或氦氣)將金屬液體在霧化噴嘴41處進(jìn)行霧化，并噴射沉積到沉積基體3上。沉積基體3保持旋轉(zhuǎn)和軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使沉積區(qū)域31在沉積基體3表面不斷移動(dòng)，逐漸形成沉積層。而激光掃描區(qū)域32則緊隨沉積區(qū)域31，對(duì)剛沉積下的沉積層進(jìn)行重熔和束流沖擊，以消除孔隙、氣孔和顯微疏松。有利地，激光掃描區(qū)域32應(yīng)略大于沉積區(qū)域31，由此，對(duì)于沉積區(qū)域31，特別是沉積邊緣區(qū)域進(jìn)行選擇性的掃描加熱，以控制沉積區(qū)域31的溫度及其均勻性，改善沉積層的組織狀態(tài)。在沉積和重熔過程中，紅外熱成像儀61不間斷地監(jiān)測(cè)沉積區(qū)域31、激光掃描區(qū)域32、沉積基體3、所述沉積層和所述重熔層(也可以是沉積-重熔層)表面的溫度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉積成形區(qū)域的溫度低于或高于工藝要求時(shí)，則調(diào)整激光輸出功率或調(diào)整沉積基體3的旋轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動(dòng)速度，以保證噴射沉積過程的穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉積成形區(qū)域的溫度出現(xiàn)不均勻時(shí)，則調(diào)整激光掃描路徑及功率，對(duì)低溫區(qū)域增加掃描次數(shù)和激光功率，對(duì)高溫區(qū)域減小掃描次數(shù)和激光功率，以改善或維持沉積層的溫度均勻性。在噴射-重熔沉積完成后，仍然維持對(duì)沉積基體3進(jìn)行激光掃描，而且通過沉積基體3的旋轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大激光在沉積基體3表面的掃描區(qū)域，以控制沉積坯的冷卻速度和冷卻過程的溫度場(chǎng)，以避免出現(xiàn)局部疏松。
激光功率可以在在100W 10，000W之間，所述的聚焦距離在300mm 1500mm之間，掃描的角速度在lrad/s 30rad/s之間。沉積基體3所述沉積層和重熔層表面的加熱溫度在200°C 1500°C之間,所述的沉積基體3的旋轉(zhuǎn)速度在IOrpm IOOrpm,軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度在lmm/s 100mm/s之間。圖3示出了本發(fā)明的另一具體實(shí)施例，可用于制造圓柱狀沉積零件或錠子。沉積基體3可繞驅(qū)動(dòng)支撐裝置2的中心軸旋轉(zhuǎn)和升降(即如圖3中所示的上下方向)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)支撐裝置2的中心軸與垂線有0 50°夾角。在噴射沉積開始前，沉積基體3沿驅(qū)動(dòng)支撐裝置2的中心軸升降，調(diào)整到與霧化噴嘴41適當(dāng)距離(例如，可以是300mm 1000mm),并繞驅(qū)動(dòng)支撐裝置2的中心軸旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)速度可以為IOrpm 400rpm)。激光器51產(chǎn)生高能激光束,在聚焦掃描裝置52的作用下對(duì)沉積基體3表面掃描加熱，而紅外熱成像儀61檢測(cè)沉積基體3的表面溫度。當(dāng)沉積基體3的表面溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，開始用高壓氮?dú)饣蚨栊詺怏w將金屬液體在霧化噴嘴41處進(jìn)行霧化，并噴射沉積到沉積基體3的頂面上一側(cè)。沉積基體3的旋轉(zhuǎn)使沉積層逐漸覆蓋整個(gè)表面，并逐層堆積得到沉積層和重熔層。而激光掃描區(qū)域32則在沉積基體3或所述沉積層的另一側(cè)，隨著沉積基體3和所述沉積層和重熔層的繞軸旋轉(zhuǎn)，剛沉積下的沉積層會(huì)迅速進(jìn)入激光掃描區(qū)域32，激光對(duì)其進(jìn)行重熔和束流沖擊，以消除孔隙、氣孔和顯微疏松，并調(diào)整表面溫度。之后又迅速進(jìn)入沉積區(qū)域31，進(jìn)行下一層的噴射沉積。隨著沉積層和重熔層的逐漸增厚，沉積基體3逐步下降，保持沉積層和重熔層表面相對(duì)于霧化噴嘴4的位置和沉積過程的穩(wěn)定。在沉積和重熔過程中，紅外熱成像儀61不間斷地監(jiān)測(cè)沉積區(qū)域31、激光掃描區(qū)域32、沉積層和重熔層及沉積基體3表面的溫度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉積成形區(qū)域的溫度低于或高于工藝要求時(shí)，則調(diào)整激光輸出功率或調(diào)整沉積基體3的旋轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動(dòng)速度，以保證噴射沉積過程的穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉積成形區(qū)域的溫度出現(xiàn)不均勻時(shí)，則調(diào)整激光掃描路徑及功率，對(duì)低溫區(qū)域增加掃描次數(shù)和激光功率，對(duì)高溫區(qū)域減小掃描次數(shù)和激光功率，以改善或維持沉積層的溫度均勻性。在噴射-重熔沉積完成后，仍然維持對(duì)沉積層和重熔層表面進(jìn)行激光控溫掃描，而且通過沉積基體3的旋轉(zhuǎn)，擴(kuò)大激光在沉積層和重熔層表面的掃描區(qū)域，以控制沉積層和重熔層的冷卻速度和冷卻過程的溫度場(chǎng)，以避免沉積坯出現(xiàn)局部疏松。圖4示出了本發(fā)明的又一具體實(shí)施例，可用于制造平板狀沉積零件。沉積基體3可由驅(qū)動(dòng)支撐裝置2驅(qū)動(dòng)。具體地，可由Y軸(即圖4中所示的前后方向)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22和X軸(即圖4中所示的左右方向)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)23驅(qū)動(dòng)，做二維平面運(yùn)動(dòng)，并在升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行升降(即如圖4中所示的上下方向)運(yùn)動(dòng)。升降機(jī)構(gòu)的軸線與垂線夾角為0 50°。在噴射沉積開始前，升降機(jī)構(gòu)將沉積基體3調(diào)整到與霧化噴嘴41適當(dāng)距離(例如，可以是300mm 1000mm)。激光器51產(chǎn)生高能激光束，在聚焦掃描裝置52的作用下對(duì)沉積基體3表面掃描加熱，而紅外熱成像儀61檢測(cè)沉積基體3的表面溫度。當(dāng)沉積基體3的表面溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，開始用高壓氮?dú)饣蚨栊詺怏w將金屬液體在霧化噴嘴41處進(jìn)行霧化，并噴射沉積到沉積基體3上。在Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22的驅(qū)動(dòng)下，沉積基體3沿Y軸做往復(fù)移動(dòng)，使沉積層在沉積基體3上逐漸覆蓋并形成一個(gè)沉積帶；同時(shí)在X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)23的驅(qū)動(dòng)下，沉積基體3沿X軸移動(dòng)，使Y向的沉積帶逐漸沿X向鋪展，并覆蓋整個(gè)沉積基體3的表面。逐層堆積，得到平板狀沉積沉積層。而激光掃描區(qū)域32則緊隨沉積區(qū)域31，對(duì)沉積帶中剛沉積下的沉積層進(jìn)行重熔和束流沖擊，以消除孔隙、氣孔或顯微疏松。隨著沉積層和重熔層的逐漸增厚，升降機(jī)構(gòu)逐步下降，保持沉積層和重熔層表面相對(duì)于霧化噴嘴41的位置和沉積過程的穩(wěn)定。在沉積和重熔過程中，紅外熱成像儀61不間斷地監(jiān)測(cè)沉積區(qū)域31、激光掃描區(qū)域32、沉積層和重熔層及沉積基體3表面的溫度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉積成形區(qū)域的溫度低于或高于工藝要求時(shí)，則調(diào)整激光輸出功率或調(diào)整Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22和X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)23的運(yùn)動(dòng)速度，以保證噴射沉積過程的穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉積成形區(qū)域的溫度出現(xiàn)不均勻時(shí)，則調(diào)整激光掃描路徑及功率，對(duì)低溫區(qū)域增加掃描次數(shù)和激光功率，對(duì)高溫區(qū)域減小掃描次數(shù)和激光功率，以改善或維持沉積層的溫度均勻性。在噴射-重熔沉積完成后，仍然維持對(duì)沉積層和重熔層進(jìn)行激光掃描，而且通過Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22和X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)23的二維運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大激光在沉積層和重熔層表面的掃描區(qū)域，以控制沉積坯的冷卻速度和冷卻過程的溫度場(chǎng)，以避免出現(xiàn)局部疏松。在本說(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨 的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
權(quán)利要求
1.一種噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，其特征在于，包括以下步驟 噴射沉積向沉積基體上的沉積區(qū)域內(nèi)噴射金屬液以在所述沉積區(qū)域內(nèi)形成沉積層；激光重熔利用激光掃描所述沉積層以對(duì)所述沉積層進(jìn)行激光重熔和束流沖擊形成重熔層；和 沉積坯成形驅(qū)動(dòng)所述沉積基體運(yùn)動(dòng)且在所述沉積基體運(yùn)動(dòng)過程中重復(fù)執(zhí)行所述噴射沉積和激光重熔，以在所述沉積基體上形成由多層沉積-重熔層構(gòu)成的沉積坯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，其特征在于，所述激光重熔的區(qū)域沿相同的運(yùn)動(dòng)軌跡跟隨所述噴射沉積的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，其特征在于，還包括 在噴射沉積之前檢測(cè)所述沉積基體的表面溫度；和 根據(jù)檢測(cè)到的所述沉積基體的表面溫度通過所述激光掃描預(yù)熱所述沉積基體的表面，以將噴射沉積之前的所述沉積基體的表面溫度控制在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，其特征在于，還包括 在噴射沉積過程中檢測(cè)所述沉積層的表面溫度；和 根據(jù)檢測(cè)所述沉積層的表面溫度通過所述激光掃描將所述沉積層的表面控制為半液態(tài)或半固態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，其特征在于，還包括 在所述噴射沉積和激光重熔過程中檢測(cè)每一層所述沉積層和每一層所述重熔層的溫度； 根據(jù)檢測(cè)到的所述沉積層和重熔層的溫度通過改變噴射沉積參數(shù)、所述激光的功率、所述激光的頻率、所述激光的掃描路徑和所述沉積基體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的至少一部分，以控制所述沉積層和重熔層的溫度均勻性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝，其特征在于，還包括在所述沉積坯成形之后通過所述激光掃描所述沉積坯，以控制所述沉積坯的冷卻速度和冷卻過程中的溫度場(chǎng)均勻性。
7.—種噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備，其特征在于，包括 腔室本體，所述腔室本體內(nèi)具有工藝腔室； 驅(qū)動(dòng)支撐裝置，所述驅(qū)動(dòng)支撐裝置設(shè)在所述工藝腔室內(nèi)，用于支撐沉積基體和驅(qū)動(dòng)所述沉積基體在所述工藝腔室內(nèi)運(yùn)動(dòng)； 噴射裝置，所述噴射裝置與所述腔室本體相連，用于向所述沉積基體上的沉積區(qū)域內(nèi)噴射金屬液，以在所述沉積區(qū)域內(nèi)形成沉積層；和 激光掃描裝置，所述激光掃描裝置與所述腔室本體相連，用于對(duì)所述沉積層進(jìn)行激光掃描，以將所述沉積層進(jìn)行激光重熔和束流沖擊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備，其特征在于，還包括 溫度檢測(cè)裝置，所述溫度檢測(cè)裝置與所述腔室本體相連，用于檢測(cè)所述沉積基體表面的溫度、所述沉積層的溫度和所述重熔層的溫度；和 控制裝置，所述控制裝置分別與所述激光掃描裝置、噴射裝置、驅(qū)動(dòng)支撐裝置和溫度檢測(cè)裝置相連，以控制所述激光掃描裝置、噴射裝置、驅(qū)動(dòng)支撐裝置和溫度檢測(cè)裝置的運(yùn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備，其特征在于， 所述噴射裝置包括設(shè)在所述工藝腔室內(nèi)的霧化噴嘴； 所述激光掃描裝置包括設(shè)在所述工藝腔室外面的用于產(chǎn)生激光的激光器和與所述激光器相連的聚焦掃描裝置；及 所述溫度檢測(cè)裝置為設(shè)在所述工藝腔室外面的紅外熱成像儀。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備，其特征在于，所述腔室本體上設(shè)有激光窗口和檢測(cè)窗口，所述工藝腔室內(nèi)設(shè)有分別用于對(duì)所述激光窗口和所述檢測(cè)窗口的內(nèi)側(cè)面進(jìn)行除塵的除塵氣嘴，所述聚焦掃描裝置設(shè)在所述激光窗口處以通過所述激光窗口向所述工藝腔室內(nèi)發(fā)射激光，所述紅外熱成像儀設(shè)在所述檢測(cè)窗口處以通過所述檢測(cè)窗口檢測(cè)所述沉積基體表面的溫度、所述沉積層的溫度和所述重熔層的溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形工藝及設(shè)備，所述設(shè)備包括具有工藝腔室的腔室本體；驅(qū)動(dòng)支撐裝置，所述驅(qū)動(dòng)支撐裝置設(shè)在所述工藝腔室內(nèi)，用于支撐和驅(qū)動(dòng)沉積基體運(yùn)動(dòng)；噴射裝置，所述噴射裝置與所述腔室本體相連，用于向所述沉積基體上的沉積區(qū)域內(nèi)噴射金屬液；和激光掃描裝置，所述激光掃描裝置與所述腔室本體相連，用于對(duì)所述沉積層進(jìn)行激光掃描，以將所述沉積層進(jìn)行激光重熔和束流沖擊。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴射沉積-激光重熔復(fù)合成形設(shè)備工藝，將激光的掃描重熔技術(shù)與噴射沉積成形技術(shù)結(jié)合，通過控制沉積區(qū)域的溫度和重熔沉積層的方法，減少或消除沉積層組織中的孔隙和疏松，致密化噴射沉積的材料組織，以進(jìn)一步提高其性能。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102653850SQ20121005085
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者張人佶, 張婷, 張磊, 林峰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)