用于雙層梯度激光增材制造的八路同軸送粉噴嘴的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種用于雙層梯度激光增材制造八路同軸送粉噴嘴，在激光熔覆過程中，采用該八路同軸送粉噴嘴送粉，實(shí)現(xiàn)一次掃描雙層成型。所述八路送粉口分布與傳統(tǒng)四路同軸送粉噴嘴的四路送粉口分布基本相同，但采用了內(nèi)四路、外四路的分布模式，并保證該噴嘴內(nèi)四路噴射粉末的匯聚點(diǎn)上方與外四路噴射粉末的匯聚點(diǎn)鄰接；通過內(nèi)、外路同步送粉，在激光熔覆過程中將雙層熔覆層一次掃描成型，解決了傳統(tǒng)采用四路送粉噴嘴進(jìn)行梯度激光熔覆工藝繁瑣的問題，且有效避免了分層成型導(dǎo)致熔覆層產(chǎn)生裂紋等缺陷的問題。
【專利說明】
用于雙層梯度激光増材制造的八路同軸送粉噴嘴
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種八路同軸送粉噴嘴，適用于雙層梯度激光增材制造工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]激光恪化沉積(LaserMelting Deposit1n , LMD)是從激光恪覆(LaserCladding)技術(shù)發(fā)展而來的一種金屬增材制造技術(shù)工藝，是將3D打印的“疊層累加”原理和激光熔覆技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以金屬粉末為加工原料，通過“激光熔化-快速凝固”過程逐層沉積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)?；静襟E為利用激光的高能量使得金屬粉末和基材發(fā)生熔化，在基材上形成熔池，熔化的粉末在熔池上方沉積，冷卻凝固后在基材表面形成熔覆層。如中國專利文獻(xiàn)CN102453901B公開的為油鉆桿表面制備WC(碳化鎢)硬質(zhì)合金耐磨帶的方法，高功率激光束輻照工件表面的同時(shí)同步為激光熔覆送入合金粉末，合金粉末在熔池內(nèi)發(fā)生快速熔化和凝固，形成耐磨抗蝕熔覆層。LMD在新型汽車制造、航天、航空、新型武器裝備中的高性能特種零件和民用工業(yè)中的高精尖零件的制造領(lǐng)域，尤其是在常規(guī)方法很難加工的梯度功能材料、超硬材料和金屬間化合物材料的零件快速制造以及大型模具的直接快速制造領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景。
[0003]—般的LMD工藝常用傳統(tǒng)的四路同軸送粉噴嘴進(jìn)行單層激光熔覆，加工工藝存在缺陷。如石油行業(yè)的石油鉆井的設(shè)備要求表面有很好的耐磨性能，需要進(jìn)行兩次激光熔覆形成兩層，第一層使用Ni基粉末，第二層使用Ni+WC混合粉末?，F(xiàn)有的LMD工藝受所用的傳統(tǒng)四路送粉噴嘴所限，粉末一次只能匯聚于一處，形成兩層表面需要先后分別進(jìn)行第一層和第二層的激光熔覆，工藝過程繁瑣;在第一層上面進(jìn)行第二層的激光熔覆時(shí)，對第一層的熔覆層會(huì)產(chǎn)生回火效應(yīng)；另外，兩次激光熔覆之間有時(shí)間間隔，在進(jìn)行第二層激光熔覆時(shí)，表面溫度會(huì)下降，熔覆層表面易產(chǎn)生裂紋，影響熔覆層質(zhì)量。因此，研發(fā)開發(fā)一種新的適于雙層梯度激光熔覆的送粉噴嘴乃是當(dāng)務(wù)之急。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供用于雙層梯度激光增材制造方法的八路同軸送粉噴嘴，使用該送粉噴嘴可在激光熔覆中一次掃描雙層成型，簡化了梯度激光熔覆工藝，且避免熔覆層裂紋等缺陷的產(chǎn)生。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:
[0006]—種八路同軸送粉噴嘴，包括噴嘴體上分布的激光束通道和八個(gè)送粉口，所述激光束通道和送粉口均為噴嘴體上的通孔，所述送粉口圍繞激光束通道中心軸均勻?qū)ΨQ分布，所述八個(gè)送粉口分為四個(gè)內(nèi)路送粉口和四個(gè)外路送粉口，所述內(nèi)路送粉口與激光束通道中心軸的距離小于外路送粉口；所述四個(gè)內(nèi)路送粉口沿出粉方向的延長線匯聚于粉末匯聚點(diǎn)一，所述四個(gè)外路送粉口沿出粉方向的延長線匯聚于粉末匯聚點(diǎn)二，所述粉末匯聚點(diǎn)一與粉末匯聚點(diǎn)二鄰接且距離噴嘴體比粉末匯聚點(diǎn)二近，一般八路同軸送粉噴嘴向下送粉，此時(shí)粉末匯聚點(diǎn)一位于粉末匯聚點(diǎn)二上方。
[0007 ] 優(yōu)選地，所述激光束通道為圓臺形孔或圓柱形孔。
[0008]本實(shí)用新型技術(shù)方案提供了支持內(nèi)、外路送粉口同步送粉的送粉噴嘴，使外路粉末匯聚點(diǎn)與內(nèi)路粉末匯聚點(diǎn)相鄰，在激光熔覆過程中一次掃描雙層成型，解決了傳統(tǒng)梯度激光熔覆工藝繁瑣的問題，且有效避免分層成型導(dǎo)致熔覆層產(chǎn)生裂紋等缺陷的問題。
【附圖說明】
[0009]圖1a為本實(shí)用新型八路同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)立體圖；
[0010]圖1b為本實(shí)用新型八路同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)正視圖；
[0011]圖1c為本實(shí)用新型八路同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0012]圖2為本實(shí)用新型八路同軸送粉噴嘴工作原理示意圖。
[0013]其中:1:噴嘴體;2:激光束通道;31:內(nèi)路送粉口； 32:外路送粉口；Pl:粉末匯聚點(diǎn)一;P2:粉末匯聚點(diǎn)二; 4:送粉管。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明，以便更好地理解本實(shí)用新型。
[0015]本實(shí)施例八路同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)如圖la、Ib和Ic所示，圓臺形的激光束通道2和八個(gè)送粉口為噴嘴體I上開出的通孔，該八路同軸送粉噴嘴裝配在激光加工頭上時(shí)，激光束沿激光束通道2的中心軸通過;從圖1c中噴嘴體I的頂部看，所述八個(gè)送粉口均勻分布在以激光束通道2的中心軸為圓心的兩個(gè)圓周上，其中四個(gè)為分布在較小半徑圓周上的內(nèi)路送粉口 31，其余四個(gè)為分布在較大半徑圓周上的外路送粉口 32;如圖1a和Ib所示，所有送粉口均噴嘴體I頂部到底部為完全貫通，且送粉口沿送粉方向向中心軸傾斜會(huì)聚。
[0016]使用本實(shí)施例的八路同軸送粉噴嘴的工作方式如圖2所示，內(nèi)路送粉口31沿出粉方向的延長線匯聚于粉末匯聚點(diǎn)一Pl，外路送粉口32沿出粉方向的延長線匯聚于粉末匯聚點(diǎn)二 P2，粉末匯聚點(diǎn)一 Pl位于粉末匯聚點(diǎn)二 P2上方，實(shí)際加工過程中，可將粉末匯聚點(diǎn)近似為球，則粉末匯聚點(diǎn)一 Pl下半球與粉末匯聚點(diǎn)二 P2上半球相切或近似相切。通常加工過程中激光束沿激光束通道2的中心軸通過八路同軸送粉噴嘴，粉末匯聚點(diǎn)一 Pl和粉末匯聚點(diǎn)二P2位于激光束光路上。開始制造過程前，在八個(gè)送粉口中插入送粉管4，所述送粉管4內(nèi)徑可根據(jù)需要選擇，外徑與送粉口一致，之后將八路同軸送粉噴嘴安裝在激光加工頭上;制造開始時(shí)，調(diào)節(jié)激光束使其穿過八路同軸送粉噴嘴的激光束通道2輻照在待熔覆基材表面并按照加工要求進(jìn)行掃描，同時(shí)通過八個(gè)送粉口中的送粉管4同步向激光束輻照位置送入金屬粉末，內(nèi)路送粉口 31和外路送粉口 32送入的粉末分別匯聚在位于激光束焦點(diǎn)處的粉末匯聚點(diǎn)一 Pl和粉末匯聚點(diǎn)二 P2處，粉末匯聚點(diǎn)一 Pl在粉末匯聚點(diǎn)二 P2上方并與其鄰接，內(nèi)路送粉口 31送入的粉末硬度較高，用以形成外層熔覆層，外路送粉口 32送入的粉末硬度較低，用以形成內(nèi)層熔覆層;利用激光束產(chǎn)生的高熱熔化送入的金屬粉末和基材，在輻照位置形成熔池，熔化的金屬粉末在熔池上方沉積，粉末匯聚點(diǎn)一Pl和粉末匯聚點(diǎn)二 P2處的金屬粉末冷卻凝固后分別形成熔覆層，于是經(jīng)一次激光束掃描即可在待熔覆基材表面同時(shí)形成雙層熔覆層。傳統(tǒng)的四路送粉噴嘴只有一個(gè)粉末匯聚點(diǎn)，采用單層成型方式，激光熔覆效率低，采用上述八路送粉噴嘴的送粉方式，一次激光掃描即可實(shí)現(xiàn)雙層熔覆層成型，大大提高了制造效率。雙層同時(shí)成型還避免了內(nèi)層熔覆層的回火效應(yīng)，避免外層熔覆層在加工過程中產(chǎn)生裂紋。
[0017]在石油鉆鋌、鉆桿、鉆探等石油產(chǎn)品的專用材料上使用本實(shí)用新型的八路同軸送粉噴嘴進(jìn)行雙層熔覆以說明加工效果。金屬粉末采用美國進(jìn)口合金粉末，內(nèi)層選用Ni基合金粉末，外層選用Ni+WC混合粉末。首先進(jìn)行粉末烘干，再對實(shí)驗(yàn)件表面進(jìn)行處理，用砂紙打磨表面至光亮;采用本實(shí)施例八路同軸送粉噴嘴進(jìn)行雙層梯度激光熔覆的增材制造，實(shí)驗(yàn)件材質(zhì)分別選擇無磁不銹鋼、718模具鋼和17-4不銹鋼;實(shí)驗(yàn)件材質(zhì)為無磁不銹鋼時(shí)采用傳統(tǒng)的八路同軸送粉噴嘴進(jìn)行單層熔覆加工，以作為對比;激光熔覆設(shè)備準(zhǔn)備完成后，確定激光功率、掃描速度、送粉率、搭接率等工藝參數(shù);雙層熔覆結(jié)束后，采用著色探傷的方法對激光熔覆層進(jìn)行探傷處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)四路同軸送粉噴嘴在無磁不銹鋼加工出的熔覆層表面產(chǎn)生裂紋，而采用本實(shí)施例的八路同軸送粉噴嘴加工的熔覆層，表面均無裂紋產(chǎn)生。
[0018]應(yīng)理解，上述實(shí)施例只為說明本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于供本領(lǐng)域技術(shù)人員了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并非【具體實(shí)施方式】的窮舉，并不能以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于雙層梯度激光增材制造的八路同軸送粉噴嘴，包括噴嘴體(I)上分布的激光束通道(2)和若干送粉口，所述激光束通道(2)和送粉口均為噴嘴體(I)上的通孔，所述送粉口圍繞激光束通道(2)中心軸均勻?qū)ΨQ分布，其特征在于: 所述送粉口數(shù)量為八個(gè)，分為四個(gè)內(nèi)路送粉口(31)和四個(gè)外路送粉口(32)，所述內(nèi)路送粉口(31)與激光束通道(2)中心軸的距離小于外路送粉口(32);所述四個(gè)內(nèi)路送粉口(31)沿出粉方向的延長線匯聚于粉末匯聚點(diǎn)一(Pl)，所述四個(gè)外路送粉口(32)沿出粉方向的延長線匯聚于粉末匯聚點(diǎn)二 (P2)，所述粉末匯聚點(diǎn)一 (Pl)與粉末匯聚點(diǎn)二 (P2)鄰接且距離噴嘴體(I)比粉末匯聚點(diǎn)二 (P2)近。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的八路同軸送粉噴嘴，其特征在于:所述激光束通道(2)為圓臺形孔或圓柱形孔。
【文檔編號】C23C24/10GK205635771SQ201620272078
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】高雪松, 劉爽, 肖猛, 張濤, 王凱
【申請人】南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院