激光熔覆装置及激光熔覆成形方法与流程

本发明涉及一种激光熔覆装置及激光熔覆成形方法。

背景技术：

钛合金具有强度高、抗腐蚀性好、低温性能好等优异的性能，在航空航天领域具有广泛的应用。由于钛合金所具有的冶金特性和材料属性，在传统减材加工中，往往会遇到很多困难。激光熔覆成形是基于快速成形原理，利用高能量激光将同步输送的金属粉末熔化，按逐层累积的方法完成金属零件制造的技术。应用激光熔覆成形方法进行钛合金零件的制造，具有柔性程度高、一次性成形、无需模具等优势。钛合金具有高温活泼的特性，当温度高于400℃时，钛合金会与空气中的氧、氮、氢发生强烈反应，并严重影响钛合金的综合性能。因此，在进行钛合金的激光熔覆过程中，需要对熔池以及高温区域熔覆层进行保护。

目前，最常用的钛合金激光熔覆气氛保护装置是整体气氛封闭箱，该方法虽然能很好地保证熔覆质量，但是成本较高，惰性气体的浪费严重，更适用于大型结构件的增材制造；另一种是通过设计喷嘴结构，形成稳定的惰性气氛，对熔覆过程进行保护。

中国专利cn2905302y公开了一种应用于钛合金激光焊接的气体保护装置。该方法的缺点是侧向的保护气会使得气流的保护效果具有方向性，从而对不同扫描方向的熔覆层保护效果不一致。

中国专利cn205839130u公开了一种用于金属激光沉积修复的气氛自保护激光头。该方法的缺点是保护喷嘴完全置于光束内部，使得喷嘴尺寸受限，因此保护气流的范围较小，无法对高温区域进行完全保护，另外，喷嘴的散热情况较差，影响使用寿命。

中国专利cn103952696a公开了一种在空气中直接制造钛合金零件的快速成形方法。该方法的缺点是保护气的可调节范围较小，使得在使用时需要对气体的流量进行精确控制，增加了使用难度。

中国专利cn107130239a公开了一种局部气氛自保护金属或合金激光熔覆及成形方法。该方法的保护气流范围虽大，但是惰性气体浓度较低，因此需要极大的保护气流量才能提供有效的保护，气体浪费严重。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种激光熔覆装置及激光熔覆成形方法，能实现在空气中直接进行钛合金零件的制造，以及损伤零件的修复和强化。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光熔覆装置，包括呈同心锥筒结构的壳体，设置在所述壳体内的送粉通道、惰性准直气通道、激光束通道以及惰性保护气罩，所述送粉通道设置在所述壳体的中心位置，所述惰性准直气通道、激光束通道以及惰性保护气罩依次围绕设置在所述送粉通道的外周面上；所述惰性保护气罩包括入气面、与所述入气面平滑连接的侧面以及与所述侧面平滑连接的底面，所述入气面为斜平面，所述侧面为曲面，所述底面为平面，所述入气面上设有入气口。

进一步地，所述入气面呈环形，其内环与外环之间为斜平面，所述入气面上设有至少三个入气口，所述入气口均匀分布在所述入气面的圆周上。

进一步地，所述入气口具有入口角度，所述入口角度为45～60°。

本发明还提供一种激光熔覆成形方法，采用激光熔覆装置，所述激光熔覆装置采用所述的激光熔覆装置，所述激光熔覆成形方法包括以下步骤：

金属或合金粉束由惰性载体气体输送并随聚焦激光束在加工面移动；

在所述金属或合金粉束的外围依次形成有惰性准直气体和惰性保护气体。

进一步地，所述金属或合金粉束、惰性载体气体、惰性准直气体、惰性保护气体与所述聚焦激光束同轴线，且喷射方向一致。

进一步地，所述惰性准直气体呈锥形或柱形。

进一步地，所述惰性准直气体的流量为3～10l/min。

进一步地，所述惰性保护气体呈锥形或柱形。

进一步地，所述惰性保护气体的流量为20～50l/min。

进一步地，所述惰性载体气体、惰性准直气体和惰性保护气体各自独立选自氦、氩、氖、氪或氙中的一种或多种

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的激光熔覆装置及激光熔覆成形方法通过在喷嘴上设置惰性准直气通道和惰性保护气罩，实现在空气中直接进行钛合金的激光熔覆成形，保证了激光熔覆过程中粉束的准直输送和气流的稳定性，并在喷嘴和加工面之间形成有惰性局部气氛，起到隔绝外围空气、加速熔覆层降温的作用，从而实现目标产品熔覆时的防氧化效果。同时，解决了惰性气体封闭箱的成本高昂、制造零件尺寸受限、难以移动等问题，为实现随行移动式的钛合金激光修复设备提供了一个方便、经济的方法。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示的激光熔覆装置的结构剖视图；

图2至图4为本发明一实施例所示的激光熔覆装置的结构示意图；

图5为本发明一实施例所示的激光熔覆成形方法中的惰性气体的质量分布云图；

图6为本发明一实施例所示的激光熔覆成形方法中的钛合金熔覆层的示意图；

图7为本发明一实施例所示的激光熔覆成形方法中的钛合金熔覆层与加工面之间结合处的sem照片；

图8为本发明一实施例所示的激光熔覆成形方法中的钛合金熔覆层中部的sem照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

需要说明的是：本发明的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本发明进行说明，不作为限定用语。

请参见图1至4，本发明一实施例所示的激光熔覆装置包括呈同心锥筒结构的壳体1，设置在所述壳体1内的送粉通道2、惰性准直气通道3、激光束通道4以及惰性保护气罩5，所述送粉通道2设置在所述壳体1的中心位置，所述惰性准直气通道3、激光束通道4以及惰性保护气罩5依次围绕设置在所述送粉通道2的外周面上。具体的，所述惰性保护气罩5包括入气面51、与所述入气面51平滑连接的侧面52以及与所述侧面52平滑连接的底面53，所述入气面51为斜平面，所述侧面52为曲面，所述底面53为平面，所述入气面上51设有入气口50。

在本发明中，送粉通道2内主要装载钛合金粉末，并通过惰性气体进行输送。惰性准直气通道3呈环状位于送粉通道2的外围，对钛合金粉末起到准直约束的作用，使钛合金粉末准确输送到由激光形成的熔池区域(加工面)，惰性局部气氛6为通过惰性保护气罩5形成的圆柱状或圆锥状保护气流，具有良好的层流特性，从而能够保证各气流、粉束之间不会互相干扰，又能确保气流的稳定性。该保护气流在激光熔覆装置和加工面之间形成惰性局部气氛，气氛范围大于熔池以及高温区域，隔绝外围空气，并加速熔覆层的降温，从而实现钛合金熔覆时的防氧化效果。

本发明的惰性保护气罩5从减小气流与侧面52之间的冲击这一方面考虑侧面52的内壁面521结构的设计设置入气面51与侧面52的内壁面521的曲面起始端之间的夹角为直角，从而使得气流平行于曲面起始端进入惰性保护气罩5，不会对内壁面521产生冲击。该内壁面521包括三段曲线：设置在上段的第一段圆弧、设置在中段的第二段圆弧以及设置在下段的直线段。第一段圆弧522设置在内壁面521靠近入气面51的一段，其功能是实现惰性保护气罩5曲线与入气面51之间的垂直约束。底部的直线段523是根据环形光束的结构特点以及尺寸进行设计，使得该底面53平行于环形光束的母线，从而尽可能缩小惰性保护气罩5底部出口直径，又不会与光束产生干涉。在设计内壁面521的曲线时，在第一段圆弧522和直线段523之间设置第二段圆弧524，使其与直线段524形成相切约束，从而使内壁面521呈现光滑的曲面，达到尽量减小与气流之间的摩擦、冲击的目的。

在本实施例中，所述入气面51呈环形，其内环与外环之间为斜平面，所述入气面51上设有至少三个入气口50，优选的，为三个四个入气口50，且所述入气口50均匀分布在所述入气面51(斜平面)的圆周上。发明人通过多次设计实验发现，当的入气口50为一或二时，气流在加工面形成的保护范围为椭圆形，使得在进行钛合金激光熔覆保护时，具有方向性明显的特征，成形件出现一侧不氧化，另一侧氧化严重的现象。入气口50数目大于等于五时，多股气流之间的干扰现象严重，使得保护气流变得紊乱。当入气口50数为三或四时，气流保护范围的对称性较好，并且较为稳定。因此，设置三或四个入口均匀分布在入气面51的圆周上。并且，所述入气口50具有入口角度，根据仿真优化的结果，入气口50的入口方向与竖直方向之间的夹角对惰性保护气罩5的保护范围影响较小。但当入口角度大于60°时，入口气流会冲击中间的喷嘴结构，使得气流变得紊乱，保护效果变差。而由于受到环形光束尺寸的影响，入口角度很难小于45°。因此，设置入口角度为45°到60°区间内。

本发明还提供一种激光熔覆成形方法，采用激光熔覆装置，所述激光熔覆装置采用上述的激光熔覆装置，所述激光熔覆成形方法包括以下步骤：

金属或合金粉束由惰性载体气体输送并随聚焦激光束在加工面移动；

在所述金属或合金粉束的外围依次形成有惰性准直气体和惰性保护气体。

具体的，所述金属或合金粉束、惰性载体气体、惰性准直气体、惰性保护气体与所述聚焦激光束同轴线，且喷射方向一致。所述惰性准直气体呈锥形或柱形，且所述惰性准直气体的流量为3～10l/min。所述惰性保护气体呈锥形或柱形，且所述惰性保护气体的流量为20～50l/min。两者之间的参数需要相互匹配，使得即能够对熔池及高温区进行有效保护，又不会对粉束产生干扰。所述惰性载体气体、惰性准直气体和惰性保护气体各自独立选自氦、氩、氖、氪或氙中的一种或多种。

图5为上述设计方案情况下的喷嘴模拟惰性气体(惰性载体气体、惰性准直气体和惰性保护气体)质量分布云图截面，可以看出，惰性气体从喷嘴喷出之后，能够形成稳定的气氛环境，并且，中间部分的惰性气体浓度在95％以上，能够起到良好的保护效果。

在本实施例中，所采用的粉束为钛合金粉末，所采用的惰性载体气体、惰性准直气体和惰性保护气体为氦气。

本实施例采用如下表所示的工艺参数，并在大气环境下进行钛合金的激光熔覆实验。

通过上述方法得到的实验照片如图6至8所示，横向搭接的钛合金熔覆层呈现银白色，熔覆层质量较好，说明该惰性气体保护喷嘴能够形成稳定的局部气氛，对钛合金的激光熔覆过程实现良好的保护。

综上所述：本发明的激光熔覆装置及激光熔覆成形方法通过在喷嘴上设置惰性准直气通道和惰性保护气罩，实现在空气中直接进行钛合金的激光熔覆成形，保证了激光熔覆过程中粉束的准直输送和气流的稳定性，并在喷嘴和加工面之间形成有惰性局部气氛，起到隔绝外围空气、加速熔覆层降温的作用，从而实现目标产品熔覆时的防氧化效果。同时，解决了惰性气体封闭箱的成本高昂、制造零件尺寸受限、难以移动等问题，为实现随行移动式的钛合金激光修复设备提供了一个方便、经济的方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。