一种同轴送粉的电子枪装置的制作方法

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种利用环形电子束斑熔化金属粉末的增材制造装置，具体的讲是一种同轴送粉的电子枪装置。

背景技术：

增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。金属增材制造技术可显著缩短装备研制周期，改善装备制造流程，提高装备的适应性，可实现复杂装备轻质、高强、低成本及敏捷化快速制造，为装备研制带来质的飞跃。

目前，以高能束为热源的金属增材制造技术主要包括：电子束选区熔化增材制造技术、电子束熔丝增材制造技术、激光选区熔化增材制造技术、激光直接沉积增材制造技术、等离子弧增材制造技术等。与其它技术相比，电子束与金属作用时能量转化效率较高，达到80%以上。制备钛铝等难熔金属零件的优势明显。

近年来，金属增材制造在向大尺寸构件制造技术发展，如何实现多激光束同步制造，提高制造效率，保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的难点。

由于当前常规的电子枪包括多种功能系统，受结构的限制，使得电子枪的体积很难小型化，难以获得激光直接沉积同轴送粉的熔覆头结构，这便限制了以电子束为热源、金属粉末为原料的增材制造技术在大型金属零件制造领域的应用发展。因此，发明人提供了一种同轴送粉的电子枪装置。。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种同轴送粉的电子枪装置，该装置实现了金属粉末沿电子枪的轴线送粉，并在环形束斑聚焦处熔化形成熔滴过渡成形，装置结构合理紧凑，拓展了电子束增材制造技术的应用领域。

本发明的实施例提出了一种同轴送粉的电子枪装置，该装置包括：水冷阴极、阳极、送粉桶、送粉头、环形绝缘子、聚焦线圈和熔覆导引头。其中，水冷阴极设在所述电子枪的上端，所述水冷阴极沿中心轴开有通孔和凹球面状腔体；送粉桶设在所述水冷阴极的外部上端，所述送粉桶包括振动调节机构，所述振动调节机构用于调节所述送粉桶内金属粉的送粉量；送粉头设在所述电子枪的腔室中，用于将金属粉末送至所述电子枪腔内，所述送粉头的上端安装在所述水冷阴极的通孔中，所述送粉头与所述送粉桶之间通过导粉管连通；阳极设在所述水冷阴极下端，且在所述送粉头的外周，所述阳极通过环形绝缘子与所述水冷阴极连接；聚焦线圈设在所述电子枪的中段枪体中，用于将电子束聚焦成电子束斑，所述中段枪体与所述阳极的下端连接；熔覆导引头设在所述电子枪的下段枪体的出口位置，所述熔覆导引头具有通孔，用于送出金属熔滴束；并且，所述水冷阴极、所述阳极、所述送粉头、所述导粉管、所述聚焦线圈以及所述熔覆导引头均同轴安装。

在第一种可能的实现方式中，所述水冷阴极的上端面设有固定环，所述水冷阴极与所述固定环之间设有绝缘密封卡环，所述送粉头安装在所述绝缘密封卡环上，使得所述固定环的下端压紧所述送粉头的上端面，所述导粉管通过所述固定环的中心通孔伸入所述送粉头腔内。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述水冷阴极的内部设置有冷却水循环通道，所述冷却水循环通道的阴极进水管和阴极出水管均安装在所述水冷阴极上，所述水冷阴极上还设有导气管和高压引线端，所述导气管通入所述水冷阴极的腔室内。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，在所述送粉桶的桶腔内注入金属粉末，所述送粉桶的振动调节机构包括超声发生器和送粉调节杆，所述超声发生器通过信号传输线与外部控制电源连接，所述超声发生器带动所述送粉调节杆振动，所述送粉调节杆伸入所述送粉桶内与所述金属粉末接触。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，在所述送粉桶的顶部桶腔内设有隔板，所述超声发生器设在所述隔板上，所述送粉桶的底部设有注粉口，所述金属粉末通过所述注粉口注入所述送粉桶的桶腔内，所述注粉口上设有密封堵头，用于封堵所述注粉口。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述送粉桶的底部中心设有螺接口，所述送粉调节杆的端部伸至所述螺接口内，所述螺接口与所述导粉管连接。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，在所述超声发生器一端的所述隔板上设有压力弹簧，所述压力弹簧呈螺旋状设在所述超声发生器外围，用于保护所述超声发生器不受挤压。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述送粉头为中空的长锥形结构，所述送粉头呈上宽下窄的安装在所述电子枪的腔室内，所述送粉头与所述水冷阴极的安装间隙中设有第一环形密封圈，所述送粉头与所述绝缘密封卡环之间设有第二环形密封圈。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述送粉头的宽端面上安装了送粉头进水管和送粉头出水管，所述送粉头进水管通过所述固定环的中心通孔伸至所述送粉头的腔室内，所述导粉管在所述送粉头内同轴安装。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述阳极的下端设有阳极进水口，所述阳极的上端设有阳极出水口，可用于冷却所述阳极。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，所述中段枪体上设有第一分子泵接口法兰、进水口a和出水口a，所述中段枪体内设有第一水冷气阻，所述第一水冷气阻的高度方向外表面与所述中段枪体的内表面紧密配合，所述第一水冷气阻的内部设有水冷气阻进水管和水冷气阻出水管，所述第一分子泵接口法兰连接第一分子泵，所述水冷气阻进水管连通所述进水口a，所述水冷气阻出水管连通所述出水口a。

结合上述可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，在所述中段枪体下端内壁设置环向水平凸台，所述第一水冷气阻的底部与所述聚焦线圈连接且同轴，所述聚焦线圈安装在所述环向水平凸台上。

结合上述可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，所述下段枪体设有第二分子泵接口法兰，所述熔覆导引头的上部宽端与所述下段枪体连接，所述熔覆导引头是设有通孔的锥形结构，所述熔覆导引头的表面设置有熔覆导引头进水管和熔覆导引头出水管。

结合上述可能的实现方式，在第十三种可能的实现方式中，在所述水冷阴极的外部安装绝缘屏蔽罩，所述绝缘屏蔽罩的壁厚具有预定的耐压强度，高度比所述水冷阴极高，用于保证所述绝缘屏蔽罩的内表面的绝缘强度。

综上，本发明实施例的一种同轴送粉的电子枪装置，该装置用于电子束熔丝直接沉积增材制造技术，通通过水冷阴极、阳极、送粉头、导粉管、聚焦线圈以及熔覆导引头沿轴线自上而下依次同轴设置，实现了金属粉末和电子束的同轴，大幅提高了电子枪装置在增材制造中的应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种同轴送粉的电子枪装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的电子枪装置中送粉桶的结构示意图。

图中：

1-水冷阴极；101-阴极进水管；102-导气管；103-阴极出水管；104高压引线端；

2-阳极；201-阳极进水管；202-阳极出水管；

3-送粉桶；301-信号传输线；302-压力弹簧；303-超声发生器；304-隔板；305-金属粉末；306-送粉调节杆；307-螺接口；308-注粉口；309-密封堵头；

4-送粉头；401-送粉头进水管；402-送粉头出水管；403-导粉管；

5-绝缘屏蔽罩；6-环形绝缘子；

7-第一水冷气阻；701-水冷气阻进水口；702-水冷气阻出水口；

8-聚焦线圈；9-中段枪体；901-第一分子泵接口法兰；902-进水口a；

903-出水口a；10-固定环；11-熔滴束；12-下段枪体；1201-第二分子泵接口法兰；1202-进水口b；1203-出水口b；

13-熔覆导引头；1301-熔覆导引头进水管1302-熔覆导引头出水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“上端”、“下端”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“安装”、“设置”应做广义理解，例如，可以是直接安装，也可以通过中间媒介间接安装。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

由于目前的电子枪结构的限制，无论是直热式，还是间热式电子枪，电子束束流必须从电子枪的轴线输出，常规电子枪需要高压绝缘结构，真空获取系统、冷却系统及电磁调控系统，使得电子枪的体积很难小型化，难以获得激光直流沉积同轴送粉的熔覆头结构。针对现有技术的增材制造电子枪装置的结构局限性，发明人发明了一种同轴送粉的电子枪装置。

图1是本发明实施例一种电子枪装置的结构示意图。

如图1所示，本发明的一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，该装置包括水冷阴极1、阳极2、送粉桶3、送粉头4、环形绝缘子6、聚焦线圈8和熔覆导引头13等。其中，水冷阴极1设在电子枪的上端，且水冷阴极1沿中心轴开有通孔和凹球面状腔体；送粉桶3设在水冷阴极1的外部上端，该送粉桶3包括振动调节机构，振动调节机构可用于调节送粉桶3内金属粉的送粉量；送粉头4设在电子枪的腔室中，用于将金属粉末送至电子枪腔内，该送粉头4的上端安装在水冷阴极1的通孔中，该送粉头4与送粉桶3之间通过导粉管403连通；阳极2设在水冷阴极1下端，且设在送粉头4的外周，阳极2通过环形绝缘子6与水冷阴极1连接；聚焦线圈8设在电子枪的中段枪体9中，用于将电子束聚焦成电子束斑，并且中段枪体9与阳极2的下端连接；熔覆导引头13设在电子枪的下段枪体12的出口位置，该熔覆导引头13具有通孔，可用于送出金属熔滴束11；其中，水冷阴极1、阳极2、送粉头4、导粉管403、聚焦线圈8以及熔覆导引头13均同轴安装。

由上，本发明的电子枪装置中，水冷阴极1、阳极2、送粉头4、导粉管403、聚焦线圈8以及熔覆导引头13沿轴线自上而下依次同轴设置，且形成具有空腔的腔室，通过送粉桶3将金属粉末按照预定的送粉量送至送粉头4，在送粉头4附近形成的高能量密度的电子束经过聚焦线圈8电磁聚焦后，将导粉管403中送入的金属粉末熔化形成金属熔滴束11，金属熔滴束11经由熔覆引导头13的中心孔送到指定区域沉积成型。通过送粉桶3的振动调节机构调节金属粉末的出粉量，并且将送粉头4与其他相关部件同轴安装，实现了金属粉末和电子束的同轴输出，大幅提高了电子枪装置在增材制造中的应用领域。

参加图1所示，具体地，水冷阴极1为上宽下窄的锥形管状结构，在水冷阴极1的内部设置有冷却水循环通道，用于连接水冷机，冷却水循环通道的阴极进水管101和阴极出水管103均安装在水冷阴极1的上端面，水冷阴极1的下端向内凹形成凹球面状结构，并且水冷阴极1的下端面通过环形绝缘子6与阳极2连接形成空腔，在水冷阴极1上还设有连接气体流量调节器的导气管102，以及连接负高压的高压引线端104。

此外，本实施例的水冷阴极1采用铝合金材料制成。并且在水冷阴极1的外部安装绝缘屏蔽罩5，将水冷阴极1包裹起来，绝缘屏蔽罩5的壁厚耐高压达到60kv以上，高度比水冷阴极1高约60mm，以保证绝缘屏蔽罩5沿其内表面的绝缘强度足够大。水冷阴极1和阳极2之间通过环形绝缘子6安装连接，环形绝缘子6的厚度不小于60mm，最大耐压不小于60kv。

水冷阴极1的上端面设有固定环10，水冷阴极1与固定环10之间设有绝缘密封卡环15，送粉头4安装在绝缘密封卡环15内部的凸台上，导粉管403通入固定环10的中心通孔并伸入送粉头4腔内。

具体地，送粉头4为中空的长锥形结构，送粉头4呈上宽下窄的安装在电子枪的腔室内，将送粉头4放置到密封卡环15内部的凸台上后，安装固定环10，在固定环10上均布多个通孔，用螺钉将固定环10与绝缘密封卡环15紧密连接，使得固定环10的下端压紧送粉头4的上端面，在送粉头4与水冷阴极1的安装间隙中设有第一环形密封圈1501，送粉头4与绝缘密封卡环15之间设有第二环形密封圈1502，用于密封安装间隙，保证装置的密封性能。

送粉头4的宽端面上还安装了送粉头进水管401和送粉头出水管402，送粉头进水管401从固定环10上伸至送粉头4的腔室内，导粉管403在送粉头4内同轴安装。

此外，如图1所示，在阳极2的下端设有阳极进水口201，阳极2的上端设有阳极出水口202，可用于冷却阳极2。

阳极2的下端面通过法兰与中段枪体9连接，在中段枪体9上设有第一分子泵接口法兰901、进水口a902和出水口a903，中段枪体9内设有第一水冷气阻7，第一水冷气阻7的高度方向外表面与中段枪体9的内表面紧密配合，第一水冷气阻7的内部设有水冷气阻进水管701和水冷气阻出水管702，第一分子泵接口法兰901连接第一分子泵，用于保证放电腔室内真空度达到设定要求，水冷气阻进水管701连通进水口a902，水冷气阻出水管702连通出水口a903。

在中段枪体9的下端内壁上还设置环向水平凸台，第一水冷气阻7的底部与聚焦线圈8连接且同轴，然后将聚焦线圈8的底部安装在该环向水平凸台上。

下段枪体12设有第二分子泵接口法兰1201，熔覆导引头13的上部宽端与下段枪体12连接，熔覆导引头13是设有通孔的锥形结构，熔覆导引头13的表面设置有熔覆导引头进水管1301和熔覆导引头出水管1302。

图2是本发明实施例的电子枪装置中送粉桶的结构示意图。

结合图1和图2所示，在送粉桶3的顶部桶腔内设有隔板304，超声发生器303设在隔板304上，超声发生器303一端的隔板304上还设有压力弹簧302，该压力弹簧302呈螺旋状设在超声发生器303外围，作用在于送粉桶3倒置时为金属粉末305提供一个压力，用于保护超声发生器303不受挤压，在金属粉末305全部送出后，压力弹簧302的纵向延伸度可以达到送粉桶3内腔的最大轴向长度。送粉桶3的底部设有注粉口308，金属粉末305通过该注粉口308注入送粉桶3的桶腔内，加满粉末后，通过注粉口308上设置的密封堵头309封堵注粉口308，在送粉桶3的底部中心还设有于导粉管403连接的螺接口307，送粉调节杆306的端部伸至螺接口307内。

如图2所示，送粉桶3的振动调节机构包括超声发生器303和送粉调节杆306，超声发生器303通过信号传输线301与外部控制电源连接，超声发生器303带动送粉调节杆306振动，送粉调节杆306伸入送粉桶3内与金属粉末305接触，通过改变超声发生器303的振动频率可以改变送粉调节杆306的振动频率，继而改变送粉调节杆306与金属粉末305、螺接口307内表面的摩擦力，达到调节送粉量的目的。

本发明的同轴送粉的电子枪装置的工作过程为：

将电子枪的各部分水冷管道均相应接通后，启动第一分子泵抽进行真空，当水冷阴极1、阳极2、送粉头4组成放电腔室内真空度达到设定要求后，将水冷阴极接通高压，启动第二分子泵；将放电腔室内导入惰性气体，受高压电场作用在该放电腔室内形成等离子体放电，受环形等离子体阳极效应的影响，送粉头4锥头附近形成能量密度较高的环形电子束14，经过聚焦线圈8电磁聚焦后，将沿导粉管403送入的金属粉末305熔化形成金属熔滴束11，该金属熔滴束11经由熔覆导引头13的中心孔送到指定成形区域沉积成形。

需要说明的是，环形电子束14的功率可以由水冷阴极1上高压引线端104导入的高压、导气管102导入的惰性气体流量进行调节；并且金属粉末305的送进量通过调节超声发生器303的振动频率改变送粉调节杆306的振动频率获得，工作过程中，金属粉末305逐渐送进，压力弹簧302逐渐伸长，直到金属粉末305全部送完。

综上，本发明的一种同轴送粉的电子枪装置，通过水冷阴极、阳极、送粉头、导粉管、聚焦线圈以及熔覆导引头沿轴线自上而下依次同轴设置，送粉桶将金属粉末按照预定的送粉量送至送粉头，送粉头附近形成的高能量密度的电子束经过聚焦线圈电磁聚焦后，将导粉管中送入的金属粉末熔化形成金属熔滴束，金属熔滴束经由熔覆引导头的中心孔送到指定区域沉积成型。通过送粉桶的振动调节机构调节金属粉末的出粉量，并且将送粉头与其他相关部件同轴安装，实现了金属粉末和电子束的同轴输出，大幅提高了电子枪装置在增材制造中的应用领域。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。