技术领域本发明属于材料技术领域，涉及熔融涂覆成形装置及方法，尤其是一种金属材料熔融涂覆成形装置及方法。
背景技术：
增材制造技术(又称为“3D打印”)正在快速改变着传统的生产和生活方式，其核心思想是将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照零件的三维CAD模型的分层数据，将离散态的成形材料逐步结合在一起，形成一个个分层截面，继而逐层堆积形成实体零件，无需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，缩短研制周期。目前，相对成熟的金属件增材制造技术主要有激光快速成形，如选区激光熔融(SelectiveLaserMalting，SLM)、直接金属烧结(DirectMetalLasterSintering，DMLS)和激光净近成形(LaserEngineeringNetShaping，LENS)；电子束快速成形，如电子束熔融(ElectronBeamMelting，EBM)，等离子快速成形，如等离子溶剂直接制造(PlasmaPowderDepositionManufacturing，PPDM)；电弧熔积快速成形，如电弧直接制造技术(ArcDirectRapidPrototypingManufacturing，ADRPM)等。但上述方法存在设备成本高、成形速度慢、层间结合强度不足等问题。金属材料熔融涂覆成形式是一种新的金属材料成形技术，是将材料、机械、测控技术、信息处理集为一体的增材制造技术。目前，国内外有诸多科研院所，如美国加州大学欧文分校、麻省理工学院、MicroFab公司、加拿大多伦多大学等，国内的哈尔滨工业大学、西北工业大学、华中科技大学等，开展了金属熔滴成形技术及其中涉及的传热分析等方面，对金属为涂覆成形技术研究甚少。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种金属材料熔融涂覆成形装置及方法，其能够实现金属材料高效、高质量、低成本零件的增材制造。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：这种金属材料熔融涂覆成形装置，包括金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、三维成形平台、气氛保护装置；所述气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；所述熔融涂覆头连接至金属熔炼单元下端，所述三维成形平台设置在熔融涂覆头的下方；所述激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台的一侧；所述金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置和三维成形平台均设置在气氛保护装置；所述气氛保护装置为手套箱。进一步，上述金属熔炼单元包括自上而下依次设置的密封装置、加热元件、冷却管路、温度及气压监测元件、与涂覆头相连接的熔体内流道接口。进一步，上述金属熔炼单元的熔炼加热方式为电阻、感应加热或微波加热。进一步，上述气压驱动装置包括气源、减压阀、连接管路和动态密封元件，所述气源依次通过减压阀、连接管路和动态密封元件连接至金属熔炼单元的上端，在连接管路上还设置有流量控制器；所述连接管路还有一支路连接至气氛保护装置。进一步，上述气压驱动装置与金属熔炼单元连接处设置有密封盖、垫圈及冷却部件。进一步，上述熔融涂覆头由上至下包括有加热保温元件、涂覆内流道和可拆卸的涂覆头出口元件；所述熔融涂覆头上还设置有测温元件。进一步，上述熔融涂覆头还设有与金属熔炼单元连接的锁紧元件及密封垫圈。进一步，上述激光表面辅助重熔装置包括小功率激光器、聚焦镜、光纤管路、冷却元件；所述聚焦镜设置在小功率激光器的激光出口，所述光纤管路设置在聚焦镜的出射端，且所述光纤管路的光出口端朝向三维成形平台的工作面。进一步，上述的三维成形平台为旋转式成形平台或非回转式成形平台。本发明还提供了一种基于上述金属材料熔融涂覆成形装置的成形方法，包括以下步骤：步骤1：根据成形件需求，成形材料的属性，确定需要加热熔化金属的质量，将成形材料经表面去氧化皮、干燥处理；步骤2：将步骤1处理后的材料放入金属熔炼单元中，用密封装置进行密封；步骤3：开启气氛保护装置，使金属熔炼单元部分结构、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置的光纤管路、三维成形平台都在惰性气体的保护下工作，根据成形材料特性，确定手套箱内的水氧含量范围，开启气源向成形腔体内通入惰性气体；步骤4：启动金属熔炼单元的加热元件和水冷装置，根据材料熔点，设定加热温度，调整温升曲线，确保金属材料的熔炼质量；步骤5：开启涂覆头加热保温元件，设定预热温度及保温时间，成形基板的预热温度、调节气压驱动装置的压力范围，及动态密封元件的工作状态；步骤6：开启激光表面辅助重熔装置，熔化已经涂覆成形表面，在已成形层与熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池，实现不同成形层间的冶金结合；步骤7：当金属熔炼单元的保温时间、熔融涂覆头的预热时间、成形基板的预热温度达到设定时，打开气压驱动装置、三维运动平台的旋转轴，调节运动参数，根据成形件的分层数据，金属熔体通过熔体内流道、熔融涂覆头，开始涂覆第一层成形；当第二层开始涂覆时，调整旋转轴转速、三维成形平台下降、移动，按照步骤6所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池，实现不同成形层间冶金结合；步骤8：当成形件为非回转件时，将成形基板固定于三维运动平台，调节成形基板与熔融涂覆头的间距、设定基板的预热温度；重复步骤5-7实现非回转件第一层涂覆成形；成形第二层时，运动平台下降、移动；按照步骤6所述，开启激光辅助表面重熔装置，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池，保证不同成形层间冶金结合。相对于现有技术，本发明的优点及效果为：(1)本发明提供的金属材料熔融涂覆成形装置和方法，设有金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、三维成形平台、气氛保护装置。依据成形构件的材料和功能要求，成形所需的金属材料零件。降低设备成本、提高成形质量、缩短成形时间，实现金属材料零件的增材制造。(2)本发明提供的金属材料熔融涂覆成形装置及方法，采用逐层累加涂覆成形的方法，使经金属熔炼单元熔化通过内流道与涂覆头的熔融态金属在热毛细效应及气压驱动元件的作用下实现金属材料零件的增材制造，开发成本低，装置简单，成形效率高、可操作性强。(3)本发明中使用的激光表面辅助重熔装置，可增强涂覆成形层间结合强度，提高成形件的质量，使成形效果优于直接涂覆成形时的效果。在快速冷却的作用下消除成形层中的气孔、夹杂和微裂纹等缺陷。附图说明图1为本发明金属材料零件熔融涂覆成形装置总体原理示意图；图2为本发明直接涂覆成形金属材料非回转件的示意图；图3为本发明直接涂覆成形金属材料回转件的示意图。其中：1-1密封装置；1-2加热元件；1-3熔体内流道；2-1气源；2-2减压阀；2-3连接管路；2-4流量控制器；2-5动态密封元件；3-1加热保温元件；3-2涂覆内流道；3-3可拆卸的涂覆头出口元件；4-1小功率激光器；4-2聚焦镜；5三维成形平台；6计算机控制中心；7金属熔体；8局部浅层熔池；9非回转件；10成形基板；11手套箱；12惰性气体；13回转件；14成形基板；15三维运动平台的旋转轴。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述：如图1-3所示：本发明公开了一种金属材料熔融涂覆成形装置，包括金属熔炼单元，还包括气压驱动装置、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置、三维成形平台、气氛保护装置；气压驱动装置通过管路与金属熔炼单元连接；熔融涂覆头连接至金属熔炼单元下端，所述三维成形平台5设置在熔融涂覆头的下方；激光表面辅助重熔装置设置在三维成形平台5的一侧；金属熔炼单元、熔融涂覆头、激光表面辅助重熔装置和三维成形平台5均设置在气氛保护装置；气氛保护装置为手套箱11。其中金属熔炼单元包括自上而下依次设置的密封装置1-1、加热元件1-2、冷却管路、温度及气压监测元件、与涂覆头相连接的熔体内流道1-3接口。金属熔炼单元的熔炼加热方式为电阻、感应加热或微波加热。气压驱动装置包括气源2-1、减压阀2-2、连接管路2-3和动态密封元件2-5，气源2-1依次通过减压阀2-2、连接管路2-3和动态密封元件2-5连接至金属熔炼单元的上端，在连接管路2-3上还设置有流量控制器2-4；连接管路2-3还有一支路连接至气氛保护装置。气压驱动装置通过一系列元器件、连接管路与金属熔炼单元连接，控制熔体的流量大小。气压驱动装置与金属熔炼单元连接处设置有密封盖、垫圈及冷却部件。熔融涂覆头由上至下包括有加热保温元件3-1、涂覆内流道3-2和可拆卸的涂覆头出口元件3-3；熔融涂覆头上还设置有测温元件。熔融涂覆头还设有与金属熔炼单元连接的锁紧元件及密封垫圈。熔融涂覆头接头元件为与金属熔体非润湿的材料，优选陶瓷、石墨或人造红宝石。激光表面辅助重熔装置包括小功率激光器4-1、聚焦镜4-2、光纤管路、冷却元件；聚焦镜4-2设置在小功率激光器4-1的激光出口，光纤管路设置在聚焦镜4-2的出射端，且所述光纤管路的光出口端朝向三维成形平台5的工作面。的三维成形平台5为旋转式成形平台或非回转式成形平台。上述成形装置成形金属材料的增材制造(3D打印)的方法，包括以下步骤：步骤1：根据成形件需求，成形材料的属性，确定需要加热熔化金属的质量，将成形材料(丝材、棒料、块体)经表面去氧化皮、干燥处理；步骤2：将处理后的材料放入金属熔炼单元A中，用密封装置1-1进行密封，安装压力及温度监测装置；步骤3：熔炼单元部分结构、整个涂覆头3-1、3-2、3-3、激光光纤出口4-2、成形平台5都在惰性气体12的保护下工作，根据成形材料特性，确定手套箱11内的水氧含量范围，向成形腔体内通入惰性气体2-1；步骤4：启动金属熔炼单元的加热元件1-2、水冷装置，根据材料熔点，设定加热温度，调整温升曲线，确保金属材料的熔炼质量；步骤5：当待成形件为回转件13时，将旋转轴15固定于三维运动平台上5，通过计算机控制中心6调整三维运动平台5的位置，使旋转轴轴线与涂覆头中心垂直相交；调整三维运动平台5与涂覆头底部3-3的间距H；步骤6：将待成形件CAD模型，导入分层数据处理软件，设定成形层厚及三维运动平台5相关运动参数；步骤7：开启涂覆头加热保温元件3-1，根据要求设定预热温度及保温时间，成形基板14的预热温度、调节气压驱动单元2-4的压力范围，及动态密封单元2-5的工作状态；步骤8：上述步骤结束时，开启激光表面辅助重熔装置的光路元件，激光器4-1出光、经过隔离器、聚焦镜4-2可以熔化已经涂覆成形表面，在已成形层与熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池8，实现不同成形层间的冶金结合；步骤9：当金融熔炼单元1-2的保温时间、涂覆头3-1的预热时间、基板的预热温度达到设定时，打开气压驱动装置2-5、三维运动平台的旋转轴15，调节运动参数，根据成形件的分层数据，金属熔体7通过内流道1-3、熔融涂覆头，开始涂覆第一层成形；当第二层开始涂覆时，调整旋转轴转速、运动平台下降、移动，按照步骤8所述，开启激光辅助表面重熔装置4-1、4-2，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池8，实现不同成形层间冶金结合；步骤10：当成形件为非回转件9时，将成形基板10固定于三维运动平台5，调节成形基板10与涂覆头3-3的间距、设定基板10的预热温度；重复步骤6-9实现非回转件9第一层涂覆成形；成形第二层时，运动平台下降、移动；按照步骤8所述，开启激光辅助表面重熔装置4-1、4-2，在第一层与第二层熔体铺展前沿处形成局部浅层熔池8，保证不同成形层间冶金结合。如上所述，便可较好地实现本发明。本发明的实施方式并不受所陈述例子的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、替代、简化、组合、修饰，均应视为等效的更换方式，都包含在本发明的保护范围之内。