本发明涉及一种基于平面分区空间分层的动态梯度熔覆工艺和装置，属于材料表面工程与激光技术应用领域。特别适用于在熔覆过程中动态调整合金粉末的成分配比以及熔覆工艺参数，来提高工件的耐高温、耐腐蚀、高强度和高韧性等综合力学性能的制造工艺。
背景技术：
激光熔覆(lasercladding)又叫激光包覆，激光熔覆是一种新兴的快速成型技术。它通过以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。该技术具有熔覆层组织致密、成形快、生产周期短、实现材料梯度功能、柔性化程度高可控性好等优点，因此应用前景十分广阔。
从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于三个方面：一，对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；二，对产品的表面修复，如转子，模具等。三，快速原型制造。即利用金属粉末的逐层烧结叠加，快速制造出模型。目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料，陶瓷等材料。其中，又以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。然而,随着现代制造业的蓬勃发展，每个零件的不同部位都承担着相应的功能，处于不同极端环境下各部分的性能要求也大不相同，单一的静态合金粉末成分配比和制造工艺已经很难满足以上需求。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于平面分区空间分层的动态梯度熔覆工艺和装置，即采用平面分区空间分层的同种材料动态梯度熔覆工艺，即将熔覆件分为n层，每层根据零件不同区域功能不同，划分为多个平面区域，在每个区域的熔覆过程中动态调整合金粉末的成分配以及熔覆工艺参数，进行跳跃式熔覆，来提高零件相应部位耐高温、耐腐蚀、高强度和高韧性等综合力学性能。同时抑制按顺序熔覆导致的翘曲问题，改善熔覆层的熔覆质量，从而获得更加理想的熔覆效果。
其具体步骤为：
(1)分析熔覆件各部位需要具备的力学性能，分为几大熔覆区域，每个熔覆区域根据该区域所需要的力学性能选择对应的合金元素，进行合金粉末元素成分的比例配比a：b：c，选定其中的一种元素，调节粉末送粉器送粉速率至最优速率v，以此速率为基准，计算出每种元素对应的粉末送粉器的送粉速率与粉末成分比例一致为a：b：c。
(2)利用软件根据骤(1)中的合金元素分布情况实现平面分区，空间分层，即将整个熔覆件划分为n层，每层划分为多个不同的熔覆区域，在每个熔覆区域上进行熔覆路径规划，计算机自动生成数控走刀程序代码。
(3)熔覆基体表面打磨后，使用毛刷去除熔覆基体表面杂质颗粒。
(4)将所有材料粉末分别研磨，再将粉末干燥。
(5)调节粉末混合器，连接各送粉器进行送粉测试，然后根据每个熔覆区域对应的粉末成份选择不同的激光功率参数进行熔覆测试，观测熔覆效果和熔覆质量，选取该区域粉末所匹配的最优激光熔覆工艺参数，记录下所有熔覆区域对应的最优熔覆工艺参数，最后在每个区域所对应的熔覆程序中设定与之对应的最优熔覆工艺参数，以此实现在整个零件的熔覆过程中激光工艺参数的动态调整，使其整体达到最好的熔覆效果。
(6)利用多轴联动工作台将熔覆基体移动到熔覆平台每层熔覆起点位置，按照平面分区路径，使用同轴送粉激光器对其进行激光熔覆，调节送粉器参数使其控制送出的粉末厚度，视为熔覆层1。
(7)每层熔覆结束后，熔覆表面进行机械打磨使表面平整，使层与层之间的冶金结合更加紧密。
(8)重复步骤(6)和(7)操作,该过程中激光熔覆的参数随粉末成分比例的变化动态调整；直到完成整个零件的激光熔覆，最后对零件表面机械加工切掉多余部分，并进行打磨抛光处理，使得零件表面粗糙度达到相应的使用要求，至此完成对整个零件的动态梯度熔覆。
步骤(2)中，所述的软件为计算机辅助金属熔覆成型编程专家，v4.3sau-ldmpianner430。
步骤(3)中，熔覆基体表面打磨后的粗糙度在ra6.3-ra12.5之间，熔覆基体采用熔覆基体夹具固定，熔覆基体夹具固定在距离熔覆基体上表面1/3位置处。
步骤(4)中，所有材料粉末分别研磨至平均粒径a≤10um，将粉末置于干燥箱中100-200℃干燥6h。
步骤(5)中，激光熔覆工艺参数范围如下：激光功率2.0～4.0kw、扫描速度4～9mm/s、光斑直径2-5mm、搭接率10％～30％、保护气ar3～5l/min、离焦量为200-300mm。
步骤(6)中，粉末厚度b取0.4mm。
步骤(7)中，熔覆表面进行机械打磨后的粗糙度在ra6.3-ra12.5之间。
本发明具有如下增益效果：
(1)本发明可实现熔覆过程中动态调整合金粉末的成分配比以及熔覆工艺参数，来提高工件的耐高温、耐腐蚀、高强度和高韧性等综合力学性能。
(2)本发明可实现同种材料同时具备多种梯度性能的快速成型制造。
(3)本发明采用的平面分区激光熔覆使得热应力分布更加均匀，大大降低了零件翘曲变形发生率，获得精度更高的熔覆平面
(5)本发明无污染、工艺适用范围广，成型成本低，自动化程度高，成型工件综合性能优良，适用于各种激光熔覆工艺。
附图说明
图1为激光熔覆平面分区空间分层示意图。
其中图(a)为空间分层示意图，n为熔覆层数，b为单层熔覆层厚度，h为零件总高度。
图(b)为其中一层的平面分区示意图。图(b)中共分为3大熔覆区域，从左至右依次为第一大区域、第二大区域、第三大区域；第一大区域占整个熔覆基体表面面积的60％，分为1-6小区域，第二大区域占整个熔覆基体表面面积的30％，分为7-9小区域，第三大区域占整个熔覆基体表面面积的10％，分为10-12小区域，每个大区域中小区域的面积相同；其中1-12为依次为各区域激光熔覆顺序，每个区域箭头方向为该区域激光熔覆方向，依次为水平、竖直、竖直、水平、竖直、水平、水平、竖直、水平、竖直、水平、竖直。
图2为一种基于平面分区空间分层的动态梯度熔覆工艺加工流程图。
图3为一种基于平面分区空间分层的动态梯度熔覆工艺和装置结构示意图。
1多轴联动工作台2熔覆基体3熔覆基体夹具
4机械打磨臂5光束转换及调节装置6数控操作台
7中央控制处理器8光斑调节装置9全反光镜
10钕玻璃激光器11钕玻璃激光器控制器12送粉监测仪
13粉末动态混合装置14空气泵15氩气保护气
16送粉器1号17送粉器2号18送粉器3号
19氩气保护气
图4为一种基于平面分区空间分层的动态梯度熔覆的结合区截面金相组织图。
图5为一种基于平面分区空间分层的动态梯度熔覆的中间层截面金相组织图。
图6为一种基于平面分区空间分层的动态梯度熔覆工艺的表层截面金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式做详细的说明,但本发明不应仅限于实施例。
一种利用上述加工方法在钛合金基体表面进行tib/tic/tib2/nb/la/ni/mo复合粉末涂层梯度熔覆的实例，熔覆层厚度4mm，需要的熔覆层厚度为a,送出的粉末厚度为b，n就等于a/b+1；试验熔覆基材选用tc4钛合金，其成分(质量分数，％)为:6.8al、4.2v、0.3fe、0.2o、0.1c,余量ti，硬度为350hv0.2，试样尺寸为20mm×20mm×4mm，选用粉末元素为tic+tib2+mo+nb、la、ni混合合金粉末的机械混合物作为熔覆材料，熔覆过程中粉末比例进行动态调整，混合物放在球磨机中研磨，使其混合均匀，其步骤为：
(1)复合添加合金元素ti/nb/la能减少晶粒缺陷，显著提高新型复合粉末熔覆层的力学性能和持久性能。tib、tic两种硬质增强相因其高硬度而具备良好的耐磨性能，有助于熔覆层耐磨性的提高。mo元素有助于提高高温性能，红硬性。根据合金元素的作用进行各区域合金元素比例成分分配，第一大区域我们需要有稳定细化的晶粒组织和综合的力学性能，对耐久性要求高一点，所以选用60％tic+20％tib2+9％mo+11％nb、la、ni混合合金粉末，上述各粉末送粉器送粉速率之比对应为60：20：9：11；第二大区域对耐高温性能要求高一点，所以选用58％tic+18％tib2+19％mo+5％nb、la、ni混合合金粉末，上述各粉末送粉器送粉速率之比对应为58：18：19：5；第三大区域对耐磨性要求比较高，因此选用65％tic+25％tib2+9％mo+1％nb、la、ni混合合金粉末，上述各粉末送粉器送粉速率之比对应为65：25：9：1；其中nb、la、ni混合粉末三种元素成分占比按等比例均分，tic粉末送粉器的送粉速率为400mg/s，以此为基准，按照上述比例计算各粉末送粉器的送粉速率。
(2)利用软件sau-ldmpianner430(计算机辅助金属熔覆成型编程专家v4.3)根据步骤(1)中的合金元素分布情况实现平面分区，空间分层；其中空间分为11层，每层按照图1(b)进行平面分区，熔覆路径规划。
(3)熔覆基体表面打磨至粗糙度为ra12.5，使用毛刷去除基体表面杂质颗粒。同时使用工件夹具将熔覆基体固定，夹具装夹在距离基体熔覆上表面1/3位置处，确保装夹牢固。
(4)将所有材料粉末分别研磨至平均粒径a≤10um，将粉末置于干燥箱中100-200℃干燥6h。
(5)调节粉末混合器，利用空气泵喷出的压缩氩气在粉末混合器内进行粉末混合，连接各送粉器进行送粉测试，根据混合粉末成分比例选择每个区域激光功率参数，激光熔覆工艺参数大致范围如下：第一大区域选用的激光熔覆工艺参数：激光功率2.0kw、扫描速度5mm/s、光斑直径2mm、搭接率20％、保护气ar3～5l/min、离焦量为260mm。第二大区域选用的激光熔覆工艺参数：激光功率3.0kw、扫描速度7mm/s、光斑直径3mm、搭接率30％、保护气ar3～5l/min、离焦量为260mm。第三大区域选用的激光熔覆工艺参数：激光功率2.5kw、扫描速度7mm/s、光斑直径2.5mm、搭接率20％、保护气ar3～5l/min、离焦量为250mm。将数据输入计算机。
(6)中央处理器按照分区分层情况自动控制粉末混合和激光熔覆工艺参数调节，利用多轴联动工作台将试样移动到熔覆平台每层熔覆起点位置，使用同轴送粉激光器对其进行激光熔覆，调节送粉器参数使其送出的粉末厚度b取0.4mm，视为熔覆层1。
(7)每层熔覆结束后，熔覆表面进行轻微机械打磨使表面平整至粗糙度为ra12.5。
(8)重复步骤(6)和(7)操作,该过程中激光熔覆的参数及粉末成分配比按照步骤(1)和(5)自动调节；直到完成整个零件的激光熔覆，最后对零件表面机械加工切掉多余部分，并进行打磨抛光处理，使得零件表面粗糙度达到相应的使用要求。
对动态梯度熔覆试样进行线切割,取其截面做金相组织观察，如图4、5、6所示：从图4结合区域的金相组织图中可以看出结合区由大量细小致密的颗粒状组织构成，颗粒状组织之间填充有大量的白色亮点组织。从图5中间层的金相组织图中可以看出熔覆层中部较表层棒状组织减少，而树枝状、颗粒状组织增多，且中部树枝状组织较上部变得粗大、稀疏，同时组织中还出现了少量的块状和白色亮点组织。从图6表层的金相组织图中可以看出熔覆层表层由取向一致的棒状、树枝状组织构成，同时在组织中还夹杂有少量的颗粒状组织。因此，熔覆层组织从表层到界面呈现出由棒状、块状向树枝状、颗粒状转变的趋势。棒状、树枝状组织分别为tib、tic硬质增强相，两种硬质增强相因其高硬度而具备良好的耐磨性能，有助于耐磨性的提高。在熔覆层中部的块状组织主要由tic相构成，而在中部和结合区含量呈上升趋势的白色亮点为tini、ti2ni金属间化合物共晶组织使得熔覆层中部具有很高的韧性，而mo元素的加入则极大的提高了熔覆件的耐高温性能。