一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置及方法，包括鋪粉裝置，以及自上而下通過管路依次連接的送料裝置、粉末匯集裝置、粉末混合控制裝置；送料裝置包括三個(gè)粉料筒，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；粉末匯集裝置包括粉末匯集室；粉末混合控制裝置；粉料筒通過管路連接粉末匯集室，并在這段管路上自上而下依次設(shè)置有流量控制器、氣體動(dòng)力發(fā)生器；粉末匯集室與粉末混合控制裝置接口處設(shè)有限壓閥門。采用本裝置及方法制備的梯度功能材料無明顯界面或分層，加工過程中可以在基板水平面和垂直面內(nèi)實(shí)現(xiàn)梯度變化，具有良好的空間連續(xù)性，并可以實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬的直接熔化成型，擴(kuò)展了梯度功能材料的使用范圍。
【專利說明】一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光選區(qū)熔化成型【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國防高科技及能源技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求變得越來越苛刻，有時(shí)根據(jù)外界環(huán)境的不同，對同一材料的不同部位有不同的特殊要求，在這種情況下，梯度功能材料(Functionally Graded Material,簡稱FGM)扮演者越來越重要的角色。FGM是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的材料制備技術(shù)，使材料的組成，結(jié)構(gòu)沿厚度方向呈梯度變化，從而使材料的性能也呈梯度變化的一種新型材料。從材料的結(jié)構(gòu)角度來看，梯度功能材料與均一材料、復(fù)合材料不同。它是選用兩種(或多種)性能不同的材料，通過連續(xù)地改變這兩種(或多種)材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其界面消失導(dǎo)致材料的性能隨著材料的組成和結(jié)構(gòu)的變化而緩慢變化，形成梯度功能材料。從材料的組合方式來看，梯度功能材料可分為金屬/合金，金屬/非金屬，非金屬/陶瓷、金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷等多種組合方式，因此可以獲得多種特殊功能的材料。除此之外，梯度功能材料的組分結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)都呈連續(xù)變化，同一材料的兩側(cè)具有不同的性質(zhì)或功能且能完美結(jié)合，由于其本身優(yōu)異的性能，梯度功能材料已經(jīng)引起了各國材料研究學(xué)者的高度重視，迄今為止，已經(jīng)研究出了多種制備梯度功能材料的方法并制備出許多體系的梯度功能材料。
[0003]梯度功能材料的設(shè)計(jì)思想是以實(shí)現(xiàn)特殊功能為目標(biāo)，通過合適的方法和手段完成材料的制備。主要的制備方法有粉末冶金法、等離子噴涂法、化學(xué)氣相沉積法、物理氣相層積法、激光熔覆法、自蔓延高溫合成法等。但常規(guī)的制備方法一般只能制造尺寸小、形狀簡單的梯度功能材料。開發(fā)和應(yīng)用新的制備技術(shù)，如仿生法、微波合成與燒結(jié)法、分子自組裝法、無壓浸滲法、超分子復(fù)合法、快速成型法、形變與馬氏體相變法等，深入研究電、磁、光、聞能射線等對工藝的影響，為梯度材料的制備提供更廣闊的途徑。
[0004]近些年，激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting,簡稱SLM)在金屬零件3D打印領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，SLM技術(shù)是一種基于激光熔化金屬粉末的3D打印技術(shù)，采用增材制造的基本原理，即先采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出零件的三維模型，然后通過專用軟件對三維模型進(jìn)行切片分層，得到截面的輪廓數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入快速成形設(shè)備，設(shè)備根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)，控制激光束選擇性地熔化各層的金屬粉末，逐步堆疊成三維金屬零件。與傳統(tǒng)的加工方法相比，SLM技術(shù)的優(yōu)勢在于能直接制造具有高精度、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、組織致密、機(jī)械性能良好的金屬零件。
[0005]目前SLM技術(shù)只能對單一的金屬材料進(jìn)行增材制造,而隨著科技的發(fā)展,復(fù)雜的環(huán)境對功能零件的要求越來越高，為了實(shí)現(xiàn)具有特殊功能、特殊要求的金屬零件3D打印，基于SLM技術(shù)的梯度功能材料及裝置的制備必將會(huì)帶來新的創(chuàng)新與突破。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置及方法；其結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)多種高熔點(diǎn)金屬材料及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的直接成型。
[0007]本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，包括鋪粉裝置，以及自上而下通過管路依次連接的送料裝置、粉末匯集裝置、粉末混合控制裝置；
[0009]所述送料裝置包括三個(gè)粉料筒1-1，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；
[0010]所述粉末匯集裝置包括粉末匯集室2-1 ；
[0011]所述粉末混合控制裝置，包括自上而下依次設(shè)置的緩沖篩網(wǎng)3-1、攪拌葉片3-2、控制開關(guān)3-3、供粉口 3-4 ；
[0012]所述粉料筒1-1通過管路連接粉末匯集室2-1，并在這段管路上自上而下依次設(shè)置有流量控制器1-2、氣體動(dòng)力發(fā)生器1-3 ；
[0013]所述粉末匯集室2-1與粉末混合控制裝置接口處設(shè)有限壓閥門2-2。
[0014]所述粉料筒1-1與粉末匯集室2-1的管路接口處還設(shè)置有密封墊圈1-4。
[0015]所述鋪粉裝置包括控制鋪粉裝置運(yùn)動(dòng)的小電機(jī)4-1、鋪粉刷4-2、粉料槽4-3。
[0016]所述緩沖篩網(wǎng)3-1的網(wǎng)格為300目；所述攪拌葉片3-2包括上下兩個(gè)葉片。
[0017]上述制備裝置制備金屬粉末并完成零件3D打印的方法，包括如下步驟:
[0018]步驟1:首先按照用量，取三種金屬粉末，即Co金屬粉末、Cr金屬粉末、Mo金屬粉末，分別進(jìn)行干燥處理；
[0019]步驟2:將干燥處理后的三種金屬粉末，分別裝入各個(gè)粉料筒中，粉料筒加蓋、密封，打開氣體保護(hù)裝置11，向成型室內(nèi)通入保護(hù)氣；
[0020]步驟3:確定鋪粉層厚，根據(jù)鋪粉面積，計(jì)算供粉體積V，按照每種金屬粉末的比例，調(diào)節(jié)各流量控制閥1-2的開度；
[0021]步驟4:啟動(dòng)氣體動(dòng)力發(fā)生器1-3，各粉末在氣體動(dòng)力作用下開始沿管路進(jìn)行輸送，當(dāng)其中一種金屬粉末的供給達(dá)到所需用量時(shí)，停止相應(yīng)的粉末輸送；
[0022]步驟5:上述三種金屬粉末進(jìn)入粉末匯集室2-1中，在氣體沖擊的作用下，對金屬粉末進(jìn)行初步混合，此時(shí)粉末匯集室2-1內(nèi)壓力升高；
[0023]步驟6:當(dāng)粉末匯集室2-1內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開限壓閥門2-2，繼續(xù)向粉末匯集室2-1輸送金屬粉末；
[0024]步驟7:在粉末匯集室2-1的氣壓作用下，金屬粉末經(jīng)過緩沖篩網(wǎng)3-1時(shí)得到緩沖，先通過的金屬粉末在攪拌葉片3-2的作用下繼續(xù)混合，得到CoCrMo梯度功能材料；
[0025]步驟8:當(dāng)三種金屬粉末混合輸送完畢時(shí)，打開控制開關(guān)3-3，移動(dòng)鋪粉裝置4，當(dāng)供粉口 3-4的b點(diǎn)與的接口 a點(diǎn)相對時(shí)，制備好的CoCrMo梯度功能材料送入鋪粉裝置，于此同時(shí)，鋪粉裝置4攜帶粉末開始運(yùn)動(dòng)，將粉末鋪在成型缸5表面；
[0026]步驟9:上述步驟結(jié)束時(shí)，啟動(dòng)打印機(jī)的光路系統(tǒng)，激光器10出光，經(jīng)過隔離器9、擴(kuò)束鏡8、f-0鏡7進(jìn)入加工平面，熔化粉末并成型，多余的粉末進(jìn)入粉末收集器6內(nèi)，即完成一次鋪粉；
[0027]步驟10:每完成完成一次鋪粉后，成型缸5下降一個(gè)加工層厚，然后繼續(xù)進(jìn)行粉末混合、鋪送，直至加工完成。[0028]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0029](I)、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了梯度功能材料制備和供應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了激光選區(qū)熔化技術(shù)的優(yōu)勢，可以直接制造具有功能梯度和任意復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的金屬零件，提高零件的綜合性能。
[0030](2)、裝置簡單，開發(fā)成本低，可操作性強(qiáng)，創(chuàng)新度較高，可以根據(jù)成分的比例要求進(jìn)行粉末的配置和供應(yīng)。
[0031](3)、可以實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬合金材料的加工，擴(kuò)大了加工材料的范圍，為金屬零件3D打印技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置與現(xiàn)有成型裝置結(jié)合應(yīng)用示意圖。
[0033]圖2是本發(fā)明基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置原理圖。
[0034]圖3為圖2供粉口與鋪粉裝置的局部放大圖。
[0035]圖4為圖3鋪粉裝置的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。
[0037]實(shí)施例
[0038]如圖1—4所示。本發(fā)明公開了一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，包括鋪粉裝置，以及自上而下通過管路依次連接的送料裝置、粉末匯集裝置、粉末混合控制裝置；
[0039]所述送料裝置包括三個(gè)粉料筒1-1，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；
[0040]所述粉末匯集裝置包括粉末匯集室2-1 ；
[0041]所述粉末混合控制裝置，包括自上而下依次設(shè)置的緩沖篩網(wǎng)3-1、攪拌葉片3-2、控制開關(guān)3-3、供粉口 3-4 ；
[0042]所述粉料筒1-1通過管路連接粉末匯集室2-1，并在這段管路上自上而下依次設(shè)置有流量控制器1-2、氣體動(dòng)力發(fā)生器1-3 ；
[0043]所述粉末匯集室2-1與粉末混合控制裝置接口處設(shè)有限壓閥門2-2。
[0044]所述粉料筒1-1與粉末匯集室2-1的管路接口處還設(shè)置有密封墊圈1-4。
[0045]所述鋪粉裝置包括控制鋪粉裝置運(yùn)動(dòng)的小電機(jī)4-1、鋪粉刷4-2、粉料槽4-3。
[0046]所述緩沖篩網(wǎng)3-1的網(wǎng)格為300目；所述攪拌葉片3-2包括上下兩個(gè)葉片。
[0047]上述制備裝置制備金屬粉末并完成零件3D打印的方法，通過如下步驟實(shí)現(xiàn):
[0048]步驟1:首先按照用量，取三種金屬粉末，即Co金屬粉末、Cr金屬粉末、Mo金屬粉末，分別進(jìn)行干燥處理；
[0049]步驟2:將干燥處理后的三種金屬粉末，分別裝入各個(gè)粉料筒中，粉料筒加蓋、密封，打開氣體保護(hù)裝置11，向成型室內(nèi)通入保護(hù)氣；
[0050]步驟3:確定鋪粉層厚，根據(jù)鋪粉面積，計(jì)算供粉體積V，按照每種金屬粉末的比例，調(diào)節(jié)各流量控制閥1-2的開度；[0051]步驟4:啟動(dòng)氣體動(dòng)力發(fā)生器1-3，各粉末在氣體動(dòng)力作用下開始沿管路進(jìn)行輸送，當(dāng)其中一種金屬粉末的供給達(dá)到所需用量時(shí)，停止相應(yīng)的粉末輸送；
[0052]步驟5:上述三種金屬粉末進(jìn)入粉末匯集室2-1中，在氣體沖擊的作用下，對金屬粉末進(jìn)行初步混合，此時(shí)粉末匯集室2-1內(nèi)壓力升高；
[0053]步驟6:當(dāng)粉末匯集室2-1內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開限壓閥門2-2，繼續(xù)向粉末匯集室2-1輸送金屬粉末；
[0054]步驟7:在粉末匯集室2-1的氣壓作用下，金屬粉末經(jīng)過緩沖篩網(wǎng)3-1時(shí)得到緩沖，先通過的金屬粉末在攪拌葉片3-2的作用下繼續(xù)混合(由上而下，每一截面都得到均勻混合)，得到CoCrMo梯度功能材料；
[0055]步驟8:當(dāng)三種金屬粉末混合輸送完畢時(shí)，打開控制開關(guān)3-3，移動(dòng)鋪粉裝置4，當(dāng)供粉口 3-4的b點(diǎn)與的接口 a點(diǎn)相對時(shí)，制備好的CoCrMo梯度功能材料送入鋪粉裝置，于此同時(shí)，鋪粉裝置4攜帶粉末開始運(yùn)動(dòng)，將粉末鋪在成型缸5表面；
[0056]步驟9:上述步驟結(jié)束時(shí)，啟動(dòng)打印機(jī)的光路系統(tǒng)，激光器10出光，經(jīng)過隔離器9、擴(kuò)束鏡8、f-0鏡7進(jìn)入加工平面，熔化粉末并成型，多余的粉末進(jìn)入粉末收集器6內(nèi)，即完成一次鋪粉；
[0057]步驟10:每完成完成一次鋪粉后，成型缸5下降一個(gè)加工層厚，然后繼續(xù)進(jìn)行粉末混合、鋪送，直至加工完成。
[0058]采用本裝置制備的梯度功能材料無明顯界面或分層，裝置加工過程中可以在基板水平面和垂直面內(nèi)實(shí)現(xiàn)梯度變化，具有良好的空間連續(xù)性。另外，該方法可以實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬的直接熔化成型，擴(kuò)展了梯度功能材料的使用范圍。
[0059]如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0060]本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，包括鋪粉裝置，其特征在于:還包括自上而下通過管路依次連接的送料裝置、粉末匯集裝置、粉末混合控制裝置； 所述送料裝置包括三個(gè)粉料筒，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒； 所述粉末匯集裝置包括粉末匯集室； 所述粉末混合控制裝置，包括自上而下依次設(shè)置的緩沖篩網(wǎng)、攪拌葉片、控制開關(guān)、供粉口 ； 所述粉料筒通過管路連接粉末匯集室，并在這段管路上自上而下依次設(shè)置有流量控制器、氣體動(dòng)力發(fā)生器； 所述粉末匯集室與粉末混合控制裝置接口處設(shè)有限壓閥門。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，其特征在于:所述粉料筒與粉末匯集室的管路接口處還設(shè)置有密封墊圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，其特征在于:所述鋪粉裝置包括控制鋪粉裝置運(yùn)動(dòng)的小電機(jī)、鋪粉刷、粉料槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，其特征在于:所述緩沖篩網(wǎng)的網(wǎng)格為300目；所述攪拌葉片包括上下兩個(gè)葉片。
5.采用權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述制備裝置制備金屬粉末并完成零件3D打印的方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1:首先按照用量，取三種金屬粉末，即Co金屬粉末、Cr金屬粉末、Mo金屬粉末,分別進(jìn)行干燥處理； 步驟2:將干燥處理后的三種金屬粉末，分別裝入各個(gè)粉料筒中，粉料筒加蓋、密封，打開氣體保護(hù)裝置，向成型室內(nèi)通入保護(hù)氣； 步驟3:確定鋪粉層厚，根據(jù)鋪粉面積，計(jì)算供粉體積V，按照每種金屬粉末的比例，調(diào)節(jié)各流量控制閥的開度； 步驟4:啟動(dòng)氣體動(dòng)力發(fā)生器，各粉末在氣體動(dòng)力作用下開始沿管路進(jìn)行輸送，當(dāng)其中一種金屬粉末的供給達(dá)到所需用量時(shí)，停止相應(yīng)的粉末輸送； 步驟5:上述三種金屬粉末進(jìn)入粉末匯集室中，在氣體沖擊的作用下，對金屬粉末進(jìn)行初步混合，此時(shí)粉末匯集室內(nèi)壓力升聞; 步驟6:當(dāng)粉末匯集室內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開限壓閥門，繼續(xù)向粉末匯集室輸送金屬粉末； 步驟7:在粉末匯集室的氣壓作用下，金屬粉末經(jīng)過緩沖篩網(wǎng)時(shí)得到緩沖，先通過的金屬粉末在攪拌葉片的作用下繼續(xù)混合，得到CoCrMo梯度功能材料； 步驟8:當(dāng)三種金屬粉末混合輸送完畢時(shí)，打開控制開關(guān)，移動(dòng)鋪粉裝置，當(dāng)供粉口的b點(diǎn)與的接口 a點(diǎn)相對時(shí)，制備好的CoCrMo梯度功能材料送入鋪粉裝置，于此同時(shí)，鋪粉裝置攜帶粉末開始運(yùn)動(dòng)，將粉末鋪在成型缸表面； 步驟9:上述步驟結(jié)束時(shí)，啟動(dòng)打印機(jī)的光路系統(tǒng)，激光器出光，經(jīng)過隔離器、擴(kuò)束鏡、f- Θ鏡進(jìn)入加工平面，熔化粉末并成型，多余的粉末進(jìn)入粉末收集器內(nèi)，即完成一次鋪粉；步驟10:每完成完成一次鋪粉后，成型缸下降一個(gè)加工層厚，然后繼續(xù)進(jìn)行粉末混合、鋪送，直至加工完成。
【文檔編號(hào)】B22F3/105GK104001917SQ201410226212
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】楊永強(qiáng), 王赟達(dá), 宋長輝 申請人:華南理工大學(xué)