一种用于送粉式激光熔覆增材过程中粉末多比例自由调控的装置及其使用方法

本发明涉及一种用于送粉式激光熔覆增材的装置及其使用方法。

背景技术：

1、增材制造技术有别于传统的减材制造方式，运用“离散-堆积”的原理，通过激光、电子束等高能量密度热源将材料熔化并进行逐行、逐层叠加，直至生成完整的工件。其中，以激光为热源的送粉式激光熔覆增材制造具有高柔性、高灵活性等优点，已在各个领域中广泛运用。

2、金属粉末的快速熔凝使得制备零件晶粒细小、成分均匀、组织致密。随着设备、制造工艺的成熟，有学者提出采用增材制造的方法来制备多组分复合材料，例如梯度功能材料等，其基本原理是通过改变不同粉末传输比例来使得零件在指定位置获得所需材料成分、组织结构以及性能，进而实现大型复杂构件的一体化制造。这种制造方法打破了原本固定的材料加工思路，使构件的整体性能和使役能力得到极大的提升。

3、然而，目前粉末多比例调控的方法极为复杂，需要通过侧向送粉或反复换粉来实现，存在装置操作复杂、体积较大和工作效率较低等问题。因此，开发用于送粉式激光熔覆过程粉末多比例自由调控的装置具有重要的工程意义。

技术实现思路

1、本发明是要解决目前送粉式激光熔覆增材过程中粉末多比例调控的方法复杂，装置体积较大和工作效率较低的技术问题，而提供一种用于送粉式激光熔覆增材过程中粉末多比例自由调控的装置及其使用方法。

2、本发明的用于送粉式激光熔覆增材过程中粉末多比例自由调控的装置是由顶部压紧仓盖1、第一中部混粉模块2、底部混粉模块3、送粉头模块4和第二中部混粉模块5组成；

3、所述的顶部压紧仓盖1的上表面为圆环结构，且中心内壁上设置内螺纹1-2；顶部压紧仓盖1的顶部靠近中心处均匀设置多个第一进粉口1-1，顶部压紧仓盖1的下方为敞口结构且下方的外沿和内沿各向下设置一圈凸起，依次为第一外沿凸起1-3和第一内沿凸起1-4；

4、所述的第一中部混粉模块2为圆环结构，是由第一上层混粉单元2-1和第一下层粉末比例调控单元2-2组成；所述的第一上层混粉单元2-1的上方为敞口结构且设置在顶部压紧仓盖1的下方与顶部压紧仓盖1合围成内侧圆环腔2-3和外侧圆环腔2-4，内侧圆环腔2-3和外侧圆环腔2-4为完全独立的两个腔体，由第一圆环凸起结构2-1-5分隔，第一进粉口1-1与内侧圆环腔2-3连通；第一外沿凸起1-3和第一内沿凸起1-4用来对第一中部混粉模块2进行水平方向的限位；第一上层混粉单元2-1的侧壁上均匀设置多个第二进粉口2-1-1，第二进粉口2-1-1与外侧圆环腔2-4连通；所述的内侧圆环腔2-3的底面上均匀设置多个第一内圈送粉通道2-1-2，外侧圆环腔2-4的底面上均匀设置多个第一外圈送粉通道2-1-3，第一内圈送粉通道2-1-2与第一外圈送粉通道2-1-3交错布置；所述的第一上层混粉单元2-1的底面外侧2-1-4为斜面结构；

5、所述的第一下层粉末比例调控单元2-2为圆环结构，且设置在第一上层混粉单元2-1的下方，第一下层粉末比例调控单元2-2的上表面外侧2-2-3为斜面结构与第一上层混粉单元2-1的底面外侧2-1-4紧密贴合互相配合起到在水平方向上的限位作用；第一下层粉末比例调控单元2-2的中心区域均匀设置多个第一粉末比例调控通道2-2-2，第一粉末比例调控通道2-2-2的面积大于等于第一内圈送粉通道2-1-2与第一外圈送粉通道2-1-3之和；第一下层粉末比例调控单元2-2的下端外侧设置一圈斜面导流板2-2-1；第一下层粉末比例调控单元2-2的外侧壁上刻有相对于第一上层混粉单元2-1的转动角度，用于混合粉末的比例调控；

6、所述的第二中部混粉模块5为圆环结构，是由第二上层混粉单元5-1和第二下层粉末比例调控单元5-2组成；所述的第二上层混粉单元5-1的上表面外侧为斜面结构，其他结构均与第一上层混粉单元2-1相同，第二上层混粉单元5-1的侧壁上均匀设置多个第三进粉口5-1-1；第二上层混粉单元5-1设置在第一下层粉末比例调控单元2-2下方，第二上层混粉单元5-1的上表面外侧与第一下层粉末比例调控单元2-2的斜面导流板2-2-1的下表面紧密贴合互相配合起到在水平方向上的限位作用；斜面导流板2-2-1的下方末端设置在第二上层混粉单元5-1上表面的第二圆环凸起结构5-1-3的上方且紧密贴合；所述的第二下层粉末比例调控单元5-2的结构与第一下层粉末比例调控单元2-2完全相同；

7、所述的底部混粉模块3为圆环结构，是由第三上层混粉单元3-1和第三下层粉末比例调控单元3-2组成；所述的第三上层混粉单元3-1的结构与第二上层混粉单元5-1完全相同，第三上层混粉单元3-1的侧壁上均匀设置多个第四进粉口3-1-1；所述的第三下层粉末比例调控单元3-2的下表面外圈3-2-1为平面结构，其他结构均与第二下层粉末比例调控单元5-2相同；

8、所述的送粉头模块4的中心设置中轴连接杆4-3，中轴连接杆4-3的外壁上端设置外螺纹4-3-1，送粉头模块4的底部设置环形送粉通道4-2，送粉头模块4的上表面中心区域为平面且均匀设置多个第五进粉口4-1，第五进粉口4-1的下端与环形送粉通道4-2连通；送粉头模块4的上表面外沿和内沿各设置一圈向上的凸起结构，分别为第二外沿凸起4-5和第二内沿凸起4-4；所述的第三下层粉末比例调控单元3-2设置在送粉头模块4的上方且紧密贴合，第二外沿凸起4-5和第二内沿凸起4-4用来对第三下层粉末比例调控单元3-2进行水平方向的限位；顶部压紧仓盖1的内螺纹1-2与中轴连接杆4-3的外螺纹4-3-1进行螺纹连接；所述的第一上层混粉单元2-1、第一下层粉末比例调控单元2-2、第二上层混粉单元5-1、第二下层粉末比例调控单元5-2、第三上层混粉单元3-1和第三下层粉末比例调控单元3-2按照从上至下的顺序夹在顶部压紧仓盖1和送粉头模块4之间，且第一上层混粉单元2-1、第一下层粉末比例调控单元2-2、第二上层混粉单元5-1、第二下层粉末比例调控单元5-2、第三上层混粉单元3-1、第三下层粉末比例调控单元3-2和送粉头模块4之间均为转动关系结构。

9、所述的用于送粉式激光熔覆增材过程中粉末多比例自由调控的装置的使用方法为：第一种粉末从顶部压紧仓盖1的第一进粉口1-1进入第一上层混粉单元2-1的内侧圆环腔2-3中，然后第一种粉末从第一内圈送粉通道2-1-2中向下流到第一下层粉末比例调控单元2-2中；第二种粉末从第一上层混粉单元2-1上的第二进粉口2-1-1中进入到外侧圆环腔2-4中，第二种粉末从第一外圈送粉通道2-1-3中向下流到第一下层粉末比例调控单元2-2中；第一种粉末和第二种粉末在第一下层粉末比例调控单元2-2中进行混合，得到第一混合粉末；斜面导流板2-2-1的下方末端设置在第二上层混粉单元5-1上表面的第二圆环凸起结构5-1-3的上方且紧密贴合将第一混合粉末通过第一粉末比例调控通道2-2-2后全部导入第二上层混粉单元5-1的内侧圆环腔中，然后流向第二下层粉末比例调控单元5-2中；第三种粉末从第二上层混粉单元5-1的第三进粉口5-1-1中进入到外侧圆环腔中，然后流向第二下层粉末比例调控单元5-2中；第一混合粉末和第三种粉末在第二下层粉末比例调控单元5-2中进行混合，得到第二混合粉末，然后向下流入第三上层混粉单元3-1的内侧圆环腔中，再进入第三下层粉末比例调控单元3-2中；第四种粉末从第三上层混粉单元3-1的第四进粉口3-1-1中进入到外侧圆环腔中，然后流向第三下层粉末比例调控单元3-2中，第二混合粉末和第四种粉末在第三下层粉末比例调控单元3-2中进行混合，得到第三混合粉末，然后第三混合粉末进入送粉头模块4的上表面中心区域，通过第五进粉口4-1进入到环形送粉通道4-2中，最终送入熔池中；

10、第一中部混粉模块2中控制第一种粉末和第二种粉末混合比例即控制第一混合粉末中两者体积比的方法为，如图13-15所示：

11、

12、其中，为第一混合粉末中第一种粉末与第二种粉末的体积比，s1为第一内圈送粉通道2-1-2和第一粉末比例调控通道2-2-2重合部分的面积，s2为第一外圈送粉通道2-1-3和第一粉末比例调控通道2-2-2重合部分的面积；

13、根据几何关系，与转角α存在映射关系，如下：

14、

15、其中，α为第一下层粉末比例调控单元2-2相对于第一上层混粉单元2-1的相对转角，f(α)与第一粉末比例调控通道2-2-2、第一内圈送粉通道2-1-2和第一外圈送粉通道2-1-3的形状与分布位置有关，通过现有的数学方法是可以算出的，属于现有技术，在本技术中不是发明点；根据所需第一种粉末和第二种粉末的混合比例，手动旋转第一下层粉末比例调控单元2-2控制α来实现混合粉末体积比的调控；底部混粉模块3和第二中部混粉模块5中混合粉末体积比的调控方法和上述相同。

16、本发明中可以在装置中间加入多个与第二中部混粉模块5相同结构的模块进行上下叠加，从而可以实现更多种粉末的混合。

17、本发明可以通过调整不同模块之间的相对角度来实现多种粉末多比例的自由调控，为复杂构件的一体化制造提供有力支撑。

18、本发明的有益效果：

19、1、本发明提出的装置以及使用方法实现了送粉式激光熔覆增材制造过程中多种粉末比例的自由调控；

20、2、本发明提出的装置响应速度快、操作简单，可以快速实现粉末的混合；

21、3、本发明提出的装置便捷、体积小，可以更好的适应各种工况；

22、4、本发明提出的装置可以实现多种粉末的输送和比例调控，只需按需添加相同的混粉单元即可实现多种粉末的比例调控，灵活性高。