CN204867409U - 一种高精度金属基复合材料的制备设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高精度金属基复合材料的制备设备，属于复合材料领域和增材制造领域，该装置包括控制装置、升降工作平台、真空系统、激光发射器、压力铺粉装置、压力滚轮装置、工作端平移装置。控制装置控制工作端平移装置的移动和工作端平移装置上安装的激光发射器、压力铺粉装置、压力滚轮装置的开关在升降工作平台上放置的金属基材或金属零件表面打印制造出一层与设计要求一致的复合材料。本实用新型运用了增材制造的原理简化了金属基复合材料的制造工艺，可改善原有金属材料或金属零件相应区域的耐磨性、耐蚀性或强度。且应用范围广，增强相材料选择范围广，可精确控制增强层的尺寸及位置，增强相与基体金属结合力强。

Description

一种高精度金属基复合材料的制备设备

技术领域

本实用新型涉及一种高精度金属基复合材料的制备设备，属于复合材料制备领域和增材制造领域。

背景技术

金属基复合材料是近年迅速发展起来的高性能材料之一，可显著改善基体材料的耐蚀性、耐磨性或提高基体材料的强度，具有广阔的应用前景。

目前常用的金属基复合材料制备方法有搅拌铸造法、粉末冶金法、原位生成法、挤压铸造法、喷射成形法等，但这些传统的金属基复合材料制备方法均有其局限性或不足之处。搅拌铸造法工艺较复杂，且需选择合适的搅拌材料，否则易造成搅拌材料对合金的污染，如果加入的增强相与基体材料润湿性不好或密度差别较大，还存在增强相分布不均的问题；粉末冶金法制备复合材料存在工艺设备复杂、成本偏高的缺点，且不易制备形状复杂的零件，同时在生产过程中还存在粉末燃烧和爆炸等危险，不易进行大规模工业化生产，对于制备体积偏大的金属基复合材料，粉末冶金法不是一种理想的制备方法。原位生成法制备复合材料有很大的局限性，因为该法中加入的用于生成增强相的原料必须进行恰当的选择，使其与基体金属反应生成所需的增强相，且不能生成其它有害物质。挤压铸造法同样存在工艺复杂且工艺控制难度大的缺点，且对大体积零件或产品、几何形状复杂的的零件或产品采用挤压铸造法难以保证其产品尺寸精度或质量；形状和尺寸的影响,因而,针对大体积的零件挤压铸造法适应性不高。喷射沉积法是将金属液雾化为液体然后沉积在基板上，同时在喷射的过程中通过喷嘴将强化相也注入雾化的金属液滴中的金属基复合材料制备方法，该法存在设备复杂、工艺控制困难等问题。如合理的沉积距离确定困难，沉积距离太大，液滴在飞行过程中即已大部分凝固，从而只能得到松散的粉末；如果沉积距离太小，则凝固前沿液膜过厚，引起金属液流动，同样得不到合乎质量要求的沉积体。过热度控制困难，过热度太低则金属液体粘度大，易引起导液管堵塞；过热度太高又会使耗电量升高，粘度没太大改善，反而使成本提高。增强相粒子加入压力及加入距离控制困难，加入压力过大，雾化流易被吹偏，加入距离太大则雾化流已大部分凝固为固态，增强相不易与凝固的颗粒结合，加入距离太小，又易导致导液管端部产生正压，出现反喷现象。

本实用新型采用激光熔融技术将基体金属表面一定区域一定厚度的金属层熔化，再采用一定压力的惰性气体将增强相颗粒或晶须喷射到熔融的金属层上，然后用压力辊对嵌有增强相颗粒或晶须的熔融金属层进行辊压，提高增强相颗粒或晶须与基体金属的结合力。本实用新型可克服前述金属基复合材料制备方法的一个或多个缺点，与前述传统的金属基复合材料制备工艺相比，本实用新型具有工艺简单、增强相分布可控、对产品或零件尺寸适应性强，既可在原始尺寸大的金属基体上制备增强层也可在原始尺寸小的金属基体上制备增强层，增强相材料选择范围广，可精确控制增强层的尺寸及位置，增强相与基体金属结合力强等优点。

发明内容

本实用新型的目的是在已有的金属材料或金属零件表面精确地制造出一层尺寸、位置精确可控的增强层，以改善原有金属材料或金属零件相应区域的耐磨性、耐蚀性或强度。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种高效高精度金属基复合材料的制备设备，其特征在于包括：控制装置、升降工作平台、真空系统、激光发射器、压力铺粉装置、压力滚轮装置、工作端平移装置。

所述工作端平移装置包括：Y轴分度齿轮、机架延生固定端、X轴精密螺杆、Y轴导轨、Y轴精密螺杆、X轴移动平台、X轴导轨、X轴分度齿轮；X轴Y轴分度齿轮分别与电动机相咬合，通过电动机旋转再由分度齿轮带动X轴Y轴螺杆转动进而使X轴Y轴移动平台沿X轴Y轴螺杆平移；

压力滚轮装置包括滚子、活塞、套筒、小孔、阻力弹簧；该装置由控制装置控制，调节扫描加工过程中滚子对加工平面的压力；压力铺粉装置可由控制装置控制其粉末喷出量和喷出速度；

激光发射器、压力铺粉装置、压力滚轮装置依次安装在工作端平移装置的X轴移动平台上，激光发射器、压力铺粉装置和压力滚轮装置在工作平面上投影距离在10mm以内；

本实用新型的基本思想是：通过计算机建立待加工原件三维模型，再由控制系统将待加工金属零件或金属基材表面需要加工的区域进行微区划分处理，并计算加工轨迹生成相关数控信号，该数控信号用于调控与控制系统相连接的激光发射器、压力布粉装置、压力滚轮装置、工作端平移装置、升降工作平台协同工作。先用激光束将待加工原件表面金属融化，压力布粉装置再喷出粉末，粉末因有一定动能而进入液态金属，之后压力滚轮装置再在其表面以一定压力压过使增强粉末与液态基体更好混合，最后激光束再次将其熔化使增强相与基材更好结合。

本实用新型的优点在于：

(1)克服传统复合材料制作工艺复杂的缺点，采用自动化控制简化制作工艺，降低制作成本；

(2)精密控制复合材料的制备区域，提高材料利用率，进一步降低成本；

(3)可在金属零件或金属基材表面制造一层复合材料，加强复合材料与实际工业生产的联系。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图。

图2是本实用新型工作端平移装置示意图。

图3是本实用新型工作端平移装置剖面图。

图4是实施例1待加工表面进行区域划分示意图。

图5是本实用新型压力滚轮装置示意图。

图6是本实用新型压力滚轮装置剖面图。

具体实施方式

下面通过借助实施例及附图更加详细地说明本实用新型，但下列实施例及附图仅是说明性的，本实用新型的保护范围并不受这些实施例的限制。此外，下面所描述的本实用新型的实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参看图1，本实用新型包括：激光发生器1和1′、工作端平移装置2和2′、、滚子5和5′、加工基体6、升降工作平台7、机架8、真空装置9、控制装置10。激光发生器1和1′、压力铺粉装置3和3′、压力滚轮装置4都安装在工作端平移装置2和2′上，且呈直线排布；升降工作平台7与机架8相连使平台能在Z轴方向平移；真空装置9让整个工作处于真空状态。

图2和图3是工作端平移装置示意图和工作端平移装置剖面图，工作端平移装置2和2′由Y轴分度齿轮18和18′、机架延生固定端11和11′、X轴精密螺杆12和12′、Y轴导轨13和13′、Y轴精密螺杆14和14′、X轴移动平台15和15′、X轴导轨16和16′、X轴分度齿轮17和17′组成。X轴分度齿轮17和17′、Y轴分度齿轮18和18′分别和电动机相连再由控制装置对其控制。

图5和图6是压力滚轮装置示意图和压力滚轮装置剖面图，压力滚轮装置4由滚子5和5′、活塞19、套筒20、小孔21、阻力弹簧22组成，压力滚轮装置4通过小孔21与液压泵链接，控制装置10通过控制液压泵产生的液体压力的大小来控制活塞19下降的距离，进而控制滚子5和5′与待加工平面的距离。

本实用新型方法的具体实现过程为：

(1)如图4利用计算机对零件待加工表面进行区域划分，再由控制装置将其划分为宽为高压布粉装置喷出粉柱直径d的长方形细条并计算加工轨迹并生成相关数控信号，其宽度可随用户需求不同而改变；

(2)设定扫描速度，使扫描状态下压力滚轮装置4下方金属仍呈液态且流动性较好；

(3)根据加工要求设定压力铺粉装置3和3′的铺粉压力；

(4)控制装置10再控制工作端平移装置2和2′、激光发生器1和1′、压力铺粉装置3和3′、压力滚轮装置4对零件待加工表面进行区域进行逐条扫描加工；

(5)对零件待加工表面进行区域进行逐条扫描加工时由A端向B端扫描；当由A端向B端扫描时激光发生器1和1′先运动到A端上方，此时控制装置10发出信号激光发生器1和1′产生激光；当压力铺粉装置3和3′运动到A端上方时控制装置10发出信号压力铺粉装置3和3′开始布粉；当压力滚轮装置4运动到A端上方时控制装置10发出信号液压泵产生相应大小的压力，滚子5和5′在已熔化和布粉的金属基体表面压过，使粉末与液态基体充分结合；当激光发生器1和1′、压力铺粉装置3和3′、压力滚轮装置4运动到B端外时控制装置10发出信号使其停止工作；

(6)当工作端平移装置2和2′由B端返回A端时关闭压力铺粉装置3和3′、压力滚轮装置4开启激光头再将已扫描的区域再次融化，提高增强相和基体的结合力，提高表面质量；

(7)完成一个条形区域n的扫描后工作端平移装置2和2′返回原位置，工作端平移装置2和2′移动到下一个条形区域的A端重复(5)、(6)步骤，直至打印制造出于图4设计相同的复合材料区域。

Claims (4)

1.一种复合材料的制造设备，其特征在于包括：控制装置(10)、升降工作平台(7)、真空装置(9)、激光发射器(1、1′)、压力铺粉装置(3、3′)、压力滚轮装置(4)、工作端平移装置(2、2′)机架(8)；升降工作平台(7)与机架(8)相连使平台能在Z轴方向平移，控制激光发生器(1、1′)、压力铺粉装置(3、3′)、压力滚轮装置(4)与升降工作平台(7)之间的距离；真空装置(9)让整个工作处于真空状态；激光发生器(1、1′)、压力铺粉装置(3、3′)、压力滚轮装置(4)依次安装在工作端平移装置(2、2′)上呈直线排列；激光发生器(1、1′)产生激光束对金属基材或金属零件表面进行扫描，使其表面被激光加热的小区域在一定时间内熔化，压力铺粉装置(3、3′)铺上粉末，压力滚轮装置(4)将粉末压入未凝固的液态基体材料中。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料的制造设备，其特征在于：所用原料形态为颗粒或晶须。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料的制造设备，其特征在于：金属基材或金属零件为板状、条状、带状、块状、或其待加工区域为平面的其他形状。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料的制造设备，其特征在于：压力滚轮装置(4)由滚子(5、5′)、活塞(19)、套筒(20)、小孔(21)、阻力弹簧(22)组成，压力滚轮装置(4)通过小孔(21)与液压泵连接，控制装置(10)通过控制液压泵产生的液体压力的大小来控制活塞(19)下降的距离，进而控制滚子(5、5′)与待加工平面的距离。