双层梯度激光增材制造方法与流程

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光增材制造方法，特别是一种新型的双层梯度激光增材工艺。

背景技术：

激光熔化沉积（Laser Melting Deposition, LMD）是从激光熔覆（Laser Cladding）技术发展而来的一种金属增材制造技术工艺，是将3D打印的“叠层累加”原理和激光熔覆技术有机结合，以金属粉末为加工原料，通过“激光熔化-快速凝固”过程逐层沉积，从而形成金属零件的制造技术。与传统的堆焊、喷涂、电镀和气相沉积等制造技术相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，在新型汽车制造、航天、航空、新型武器装备中的高性能特种零件和民用工业中的高精尖零件的制造领域具有极好的应用前景，尤其是在常规方法很难加工的梯度功能材料、超硬材料和金属间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领域前景广阔。

LMD的基本步骤为利用激光的高能量使得金属粉末和基材发生熔化，在基材上形成熔池，熔化的粉末在熔池上方沉积，冷却凝固后在基材表面形成熔覆层。如中国专利文献CN102453901B公开的为油钻杆表面制备WC（碳化钨）硬质合金耐磨带的方法，高功率激光束辐照工件表面的同时同步为激光熔覆送入合金粉末，合金粉末在熔池内发生快速熔化和凝固，形成耐磨抗蚀熔覆层。

一般的LMD工艺采用的是传统的单层激光熔覆方法，在进行梯度激光熔覆加工时存在缺陷。如石油行业的石油钻井的设备要求表面有很好的耐磨性能，需要进行两层激光熔覆，第一层使用Ni基粉末，第二层使用Ni+WC混合粉末。现有的LMD工艺需要先后分别进行第一层和第二层的激光熔覆，工艺过程繁琐；在第一层上面进行第二层的激光熔覆时，对第一层的熔覆层会产生回火效应；另外，两次激光熔覆之间有时间间隔，在进行第二层激光熔覆时，表面温度会下降，熔覆层表面易产生裂纹，影响熔覆层质量。因此，研究开发一种适于梯度激光熔覆的增材制造方法乃是当务之急。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供双层梯度激光增材制造方法，该制造方法可一次扫描双层成型，简化了梯度激光熔覆工艺，且避免熔覆层裂纹等缺陷的产生。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

双层梯度激光增材制造方法，其步骤包括：使用激光束辐照并扫描待熔覆基材表面，采用多路送粉方式向激光束辐照位置同步送入金属粉末，所述多路送粉的管路分为两组，两组管路送入的金属粉末分别形成位置邻接的两个粉末汇聚点，同组的管路送入的金属粉末材质相同；熔化所述金属粉末和基材在所述辐照位置形成熔池，熔化的金属粉末在熔池上方沉积，冷却凝固后在基材表面形成熔覆层。

优选地，送入金属粉末采用八路送粉方式，分为内四路和外四路两组，内四路粉末汇聚点位于外四路粉末汇聚点上方。

优选地，两组管路分别送入不同材质的金属粉末，通常用于形成外层熔覆层的金属粉末硬度较高，如Ni（镍）+WC（碳化钨）粉末；用于形成内层熔覆层的金属粉末硬度较低，如Ni基625合金等Ni基合金粉末；根据需要两组管路也可送入材质相同的金属粉末。

本发明技术方案通过内、外路送粉口同步送粉，外路粉末汇聚点与内路粉末汇聚点相邻，在激光熔覆过程中一次扫描双层成型，解决了传统梯度激光熔覆工艺繁琐的问题，且有效避免分层成型导致熔覆层产生裂纹等缺陷的问题。

附图说明

图1为本发明采用八路送粉的工作原理示意图；

图2为使用本发明制造方法一次扫描双层成型的效果示意图。

其中：1：喷嘴；21：内路送粉口；22：外路送粉口；P1：粉末汇聚点一；P2：粉末汇聚点二；L1：外层熔覆层；L2：内层熔覆层；3：送粉管；4：待熔覆基材；D：激光扫描方向。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明。

本实施例双层梯度激光增材制造方法送入金属粉末采用八路送粉方式，分为内四路和外四路。工作时，使用激光束辐照并扫描待熔覆基材表面，分别通过内四路和外四路同时向激光束辐照位置同步送入金属粉末。

送粉方式如图1所示，其中内路送粉口21沿出粉方向的延长线汇聚于粉末汇聚点一P1，外路送粉口22沿出粉方向的延长线汇聚于粉末汇聚点二P2，粉末汇聚点一P1和粉末汇聚点二P2位于激光束光路上；粉末汇聚点一P1位于粉末汇聚点二P2上方，实际加工过程中，可将粉末汇聚点近似为球，则粉末汇聚点一P1下半球与粉末汇聚点二P2上半球相切或近似相切。开始制造过程前，在八个送粉口中插入送粉管3，所述送粉管3内径可根据需要选择，外径与送粉口一致；制造开始时，调节激光束使其辐照在待熔覆基材4表面并按照加工要去进行扫描，同时通过八个送粉口中的送粉管3同步向激光束辐照位置送入金属粉末，内路送粉口21和外路送粉口22送入的粉末分别汇聚在位于激光束焦点处的粉末汇聚点一P1和粉末汇聚点二P2处，粉末汇聚点一P1在粉末汇聚点二P2上方并与其邻接，内路送粉口21送入的粉末硬度较高，用以形成外层熔覆层L1，外路送粉口22送入的粉末硬度较低，用以形成内层熔覆层L2；利用激光束产生的高热熔化送入的金属粉末和基材，在辐照位置形成熔池，熔化的金属粉末在熔池上方沉积，粉末汇聚点一P1和粉末汇聚点二P2处的金属粉末冷却凝固后分别形成熔覆层，于是经一次激光束扫描即可在待熔覆基材4表面同时形成双层熔覆层，效果如图2所示。

送粉粉路不限于八路，也可以采用其它数目，同时激光辐照既可与送粉管路同轴，也可不同轴，均可根据工况选择。现有技术中经常使用四路同轴送粉喷嘴，在四路送粉的基础上，扩充为内、外两组的实施方式较为便利，激光也采用同轴方式辐照。传统的四路送粉方式只有一个粉末汇聚点，采用单层成型方式，激光熔覆效率低，采用上述八路送粉方式，一次激光扫描即可实现双层熔覆层成型，大大提高了制造效率。双层同时成型还避免了内层熔覆层的回火效应，避免外层熔覆层在加工过程中产生裂纹。

在石油钻铤、钻杆、钻探等石油产品的专用材料上进行双层熔覆以说明加工效果。金属粉末采用美国进口合金粉末，内层选用Ni基合金粉末，外层选用Ni+WC混合粉末。首先进行粉末烘干，再对实验件表面进行处理，用砂纸打磨表面至光亮；采用八路同轴送粉喷嘴按照上述实施例的八路送粉方法进行双层梯度激光熔覆的增材制造，实验件材质分别选择无磁不锈钢、718模具钢和17-4不锈钢；实验件材质为无磁不锈钢时采用传统的四路送粉单层熔覆方法进行加工，以作为对比；激光熔覆设备准备完成后，确定激光功率、扫描速度、送粉率、搭接率等工艺参数；双层熔覆结束后，采用着色探伤的方法对激光熔覆层进行探伤处理。结果发现，采用传统方法在无磁不锈钢加工出的熔覆层表面产生裂纹，而在三种实验件上采用八路送粉的增材制造方法加工的熔覆层，表面均无裂纹产生。

应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。