一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，包括鋪粉裝置，以及自上而下通過管路依次連接的送料裝置、粉末匯集裝置、粉末混合控制裝置；送料裝置包括三個粉料筒，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；粉末匯集裝置包括粉末匯集室；粉末混合控制裝置；粉料筒通過管路連接粉末匯集室，并在這段管路上自上而下依次設(shè)置有流量控制器、氣體動力發(fā)生器；粉末匯集室與粉末混合控制裝置接口處設(shè)有限壓閥門。采用本裝置及方法制備的梯度功能材料無明顯界面或分層，加工過程中可以在基板水平面和垂直面內(nèi)實現(xiàn)梯度變化，具有良好的空間連續(xù)性，并可以實現(xiàn)高熔點金屬的直接熔化成型，擴(kuò)展了梯度功能材料的使用范圍。
【專利說明】一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及激光選區(qū)熔化成型【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于鋪粉加工的梯度 功能材料制備裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國防高科技及能源技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求變得越來越苛刻，有時根 據(jù)外界環(huán)境的不同，對同一材料的不同部位有不同的特殊要求，在這種情況下，梯度功能材 料（FunctionallyGradedMaterial,簡稱FGM)扮演者越來越重要的角色。FGM是以計算機(jī) 輔助設(shè)計為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的材料制備技術(shù)，使材料的組成，結(jié)構(gòu)沿厚度方向呈梯度變化， 從而使材料的性能也呈梯度變化的一種新型材料。從材料的結(jié)構(gòu)角度來看，梯度功能材料 與均一材料、復(fù)合材料不同。它是選用兩種（或多種）性能不同的材料，通過連續(xù)地改變這 兩種（或多種）材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其界面消失導(dǎo)致材料的性能隨著材料的組成和結(jié)構(gòu) 的變化而緩慢變化，形成梯度功能材料。從材料的組合方式來看，梯度功能材料可分為金 屬/合金，金屬/非金屬，非金屬/陶瓷、金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷等多種組合方式，因此可 以獲得多種特殊功能的材料。除此之外，梯度功能材料的組分結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)都呈連續(xù)變 化，同一材料的兩側(cè)具有不同的性質(zhì)或功能且能完美結(jié)合，由于其本身優(yōu)異的性能，梯度功 能材料已經(jīng)引起了各國材料研究學(xué)者的高度重視，迄今為止，已經(jīng)研究出了多種制備梯度 功能材料的方法并制備出許多體系的梯度功能材料。
[0003] 梯度功能材料的設(shè)計思想是以實現(xiàn)特殊功能為目標(biāo)，通過合適的方法和手段完成 材料的制備。主要的制備方法有粉末冶金法、等離子噴涂法、化學(xué)氣相沉積法、物理氣相層 積法、激光熔覆法、自蔓延高溫合成法等。但常規(guī)的制備方法一般只能制造尺寸小、形狀簡 單的梯度功能材料。開發(fā)和應(yīng)用新的制備技術(shù)，如仿生法、微波合成與燒結(jié)法、分子自組裝 法、無壓浸滲法、超分子復(fù)合法、快速成型法、形變與馬氏體相變法等，深入研究電、磁、光、 1?能射線等對工藝的影響，為梯度材料的制備提供更廣闊的途徑。
[0004] 近些年，激光選區(qū)烙化技術(shù)（SelectiveLaserMelting,簡稱SLM)在金屬零件3D 打印領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，SLM技術(shù)是一種基于激光熔化金屬粉末的3D打印技術(shù)， 采用增材制造的基本原理，即先采用計算機(jī)設(shè)計出零件的三維模型，然后通過專用軟件對 三維模型進(jìn)行切片分層，得到截面的輪廓數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入快速成形設(shè)備，設(shè)備根據(jù)輪廓數(shù) 據(jù)，控制激光束選擇性地熔化各層的金屬粉末，逐步堆疊成三維金屬零件。與傳統(tǒng)的加工方 法相比，SLM技術(shù)的優(yōu)勢在于能直接制造具有高精度、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、組織致密、機(jī)械性能良 好的金屬零件。
[0005] 目前SLM技術(shù)只能對單一的金屬材料進(jìn)行增材制造，而隨著科技的發(fā)展，復(fù)雜的 環(huán)境對功能零件的要求越來越高，為了實現(xiàn)具有特殊功能、特殊要求的金屬零件3D打印， 基于SLM技術(shù)的梯度功能材料及裝置的制備必將會帶來新的創(chuàng)新與突破。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種基于鋪粉加工 的梯度功能材料制備裝置；其結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)多種高熔點金屬材料及復(fù)雜 結(jié)構(gòu)件的直接成型。
[0007] 本實用新型通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0008] -種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，包括鋪粉裝置，以及自上而下通過 管路依次連接的送料裝置、粉末匯集裝置、粉末混合控制裝置；
[0009] 所述送料裝置包括三個粉料筒1-1，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；
[0010] 所述粉末匯集裝置包括粉末匯集室2-1 ;
[0011] 所述粉末混合控制裝置，包括自上而下依次設(shè)置的緩沖篩網(wǎng)3-1、攪拌葉片3-2、 控制開關(guān)3-3、供粉口 3-4 ;
[0012] 所述粉料筒1-1通過管路連接粉末匯集室2-1，并在這段管路上自上而下依次設(shè) 置有流量控制器1-2、氣體動力發(fā)生器1-3 ;
[0013] 所述粉末匯集室2-1與粉末混合控制裝置接口處設(shè)有限壓閥門2-2。
[0014] 所述粉料筒1-1與粉末匯集室2-1的管路接口處還設(shè)置有密封墊圈1-4。
[0015] 所述鋪粉裝置包括控制鋪粉裝置運(yùn)動的小電機(jī)4-1、鋪粉刷4-2、粉料槽4-3。
[0016] 所述緩沖篩網(wǎng)3-1的網(wǎng)格為300目；所述攪拌葉片3-2包括上下兩個葉片。
[0017] 上述制備裝置制備金屬粉末并完成零件3D打印的方法，包括如下步驟：
[0018] 步驟1 :首先按照用量，取三種金屬粉末，即Co金屬粉末、Cr金屬粉末、Mo金屬粉 末，分別進(jìn)行干燥處理；
[0019] 步驟2 :將干燥處理后的三種金屬粉末，分別裝入各個粉料筒中，粉料筒加蓋、密 封，打開氣體保護(hù)裝置11，向成型室內(nèi)通入保護(hù)氣；
[0020] 步驟3 :確定鋪粉層厚，根據(jù)鋪粉面積，計算供粉體積V，按照每種金屬粉末的比 例，調(diào)節(jié)各流量控制閥1-2的開度；
[0021] 步驟4:啟動氣體動力發(fā)生器1-3,各粉末在氣體動力作用下開始沿管路進(jìn)行輸 送，當(dāng)其中一種金屬粉末的供給達(dá)到所需用量時，停止相應(yīng)的粉末輸送；
[0022] 步驟5 :上述三種金屬粉末進(jìn)入粉末匯集室2-1中，在氣體沖擊的作用下，對金屬 粉末進(jìn)行初步混合，此時粉末匯集室2-1內(nèi)壓力升高；
[0023] 步驟6 :當(dāng)粉末匯集室2-1內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定值時，打開限壓閥門2-2,繼續(xù)向粉末匯 集室2-1輸送金屬粉末；
[0024] 步驟7 :在粉末匯集室2-1的氣壓作用下，金屬粉末經(jīng)過緩沖篩網(wǎng)3-1時得到緩 沖，先通過的金屬粉末在攪拌葉片3-2的作用下繼續(xù)混合，得到CoCrMo梯度功能材料；
[0025] 步驟8 :當(dāng)三種金屬粉末混合輸送完畢時，打開控制開關(guān)3-3,移動鋪粉裝置4,當(dāng) 供粉口 3-4的b點與的接口a點相對時，制備好的CoCrMo梯度功能材料送入鋪粉裝置，于 此同時，鋪粉裝置4攜帶粉末開始運(yùn)動，將粉末鋪在成型缸5表面；
[0026] 步驟9 :上述步驟結(jié)束時，啟動打印機(jī)的光路系統(tǒng)，激光器10出光，經(jīng)過隔離器9、 擴(kuò)束鏡8、f-θ鏡7進(jìn)入加工平面，熔化粉末并成型，多余的粉末進(jìn)入粉末收集器6內(nèi)，即完 成一次鋪粉；
[0027] 步驟10 :每完成完成一次鋪粉后，成型缸5下降一個加工層厚，然后繼續(xù)進(jìn)行粉末 混合、鋪送，直至加工完成。
[0028] 本實用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果：
[0029] (1)、本實用新型實現(xiàn)了梯度功能材料制備和供應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了激光 選區(qū)熔化技術(shù)的優(yōu)勢，可以直接制造具有功能梯度和任意復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的金屬零件，提高 零件的綜合性能。
[0030] (2)、裝置簡單，開發(fā)成本低，可操作性強(qiáng)，創(chuàng)新度較高，可以根據(jù)成分的比例要求 進(jìn)行粉末的配置和供應(yīng)。
[0031] (3)、可以實現(xiàn)高熔點金屬合金材料的加工，擴(kuò)大了加工材料的范圍，為金屬零件 3D打印技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本實用新型基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置與現(xiàn)有成型裝置結(jié)合 應(yīng)用示意圖。
[0033] 圖2是本實用新型基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置原理圖。
[0034] 圖3為圖2供粉口與鋪粉裝置的局部放大圖。
[0035] 圖4為圖3鋪粉裝置的側(cè)視圖。

【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。
[0037] 實施例
[0038] 如圖1-4所示。本實用新型公開了一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置， 包括鋪粉裝置，以及自上而下通過管路依次連接的送料裝置、粉末匯集裝置、粉末混合控制 裝置；
[0039] 所述送料裝置包括三個粉料筒1-1，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒；
[0040] 所述粉末匯集裝置包括粉末匯集室2-1;
[0041] 所述粉末混合控制裝置，包括自上而下依次設(shè)置的緩沖篩網(wǎng)3-1、攪拌葉片3-2、 控制開關(guān)3-3、供粉口 3-4;
[0042] 所述粉料筒1-1通過管路連接粉末匯集室2-1，并在這段管路上自上而下依次設(shè) 置有流量控制器1-2、氣體動力發(fā)生器1-3;
[0043] 所述粉末匯集室2-1與粉末混合控制裝置接口處設(shè)有限壓閥門2-2。
[0044] 所述粉料筒1-1與粉末匯集室2-1的管路接口處還設(shè)置有密封墊圈1-4。
[0045] 所述鋪粉裝置包括控制鋪粉裝置運(yùn)動的小電機(jī)4-1、鋪粉刷4-2、粉料槽4-3。
[0046] 所述緩沖篩網(wǎng)3-1的網(wǎng)格為300目；所述攪拌葉片3-2包括上下兩個葉片。
[0047] 上述制備裝置制備金屬粉末并完成零件3D打印的方法，通過如下步驟實現(xiàn)：
[0048] 步驟1:首先按照用量，取三種金屬粉末，即Co金屬粉末、Cr金屬粉末、Mo金屬粉 末，分別進(jìn)行干燥處理；
[0049] 步驟2:將干燥處理后的三種金屬粉末，分別裝入各個粉料筒中，粉料筒加蓋、密 封，打開氣體保護(hù)裝置11，向成型室內(nèi)通入保護(hù)氣；
[0050] 步驟3:確定鋪粉層厚，根據(jù)鋪粉面積，計算供粉體積V，按照每種金屬粉末的比 例，調(diào)節(jié)各流量控制閥1-2的開度；
[0051] 步驟4:啟動氣體動力發(fā)生器1-3,各粉末在氣體動力作用下開始沿管路進(jìn)行輸 送，當(dāng)其中一種金屬粉末的供給達(dá)到所需用量時，停止相應(yīng)的粉末輸送；
[0052] 步驟5 :上述三種金屬粉末進(jìn)入粉末匯集室2-1中，在氣體沖擊的作用下，對金屬 粉末進(jìn)行初步混合，此時粉末匯集室2-1內(nèi)壓力升高；
[0053] 步驟6 :當(dāng)粉末匯集室2-1內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定值時，打開限壓閥門2-2,繼續(xù)向粉末匯 集室2-1輸送金屬粉末；
[0054] 步驟7 :在粉末匯集室2-1的氣壓作用下，金屬粉末經(jīng)過緩沖篩網(wǎng)3-1時得到緩 沖，先通過的金屬粉末在攪拌葉片3-2的作用下繼續(xù)混合（由上而下，每一截面都得到均勻 混合），得到CoCrMo梯度功能材料；
[0055] 步驟8:當(dāng)三種金屬粉末混合輸送完畢時，打開控制開關(guān)3-3,移動鋪粉裝置4,當(dāng) 供粉口3-4的b點與的接口a點相對時，制備好的CoCrMo梯度功能材料送入鋪粉裝置，于 此同時，鋪粉裝置4攜帶粉末開始運(yùn)動，將粉末鋪在成型缸5表面；
[0056] 步驟9 :上述步驟結(jié)束時，啟動打印機(jī)的光路系統(tǒng)，激光器10出光，經(jīng)過隔離器9、 擴(kuò)束鏡8、f-θ鏡7進(jìn)入加工平面，熔化粉末并成型，多余的粉末進(jìn)入粉末收集器6內(nèi)，即完 成一次鋪粉；
[0057] 步驟10:每完成完成一次鋪粉后，成型缸5下降一個加工層厚，然后繼續(xù)進(jìn)行粉末 混合、鋪送，直至加工完成。
[0058] 采用本裝置制備的梯度功能材料無明顯界面或分層，裝置加工過程中可以在基板 水平面和垂直面內(nèi)實現(xiàn)梯度變化，具有良好的空間連續(xù)性。另外，該方法可以實現(xiàn)高熔點金 屬的直接熔化成型，擴(kuò)展了梯度功能材料的使用范圍。
[0059] 如上所述，便可較好地實現(xiàn)本實用新型。
[0060] 本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本實用新型的 精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在 本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，包括鋪粉裝置，其特征在于：還包括 自上而下通過管路依次連接的送料裝置、粉末匯集裝置、粉末混合控制裝置； 所述送料裝置包括三個粉料筒，即A粉料筒、B粉料筒、C粉料筒； 所述粉末匯集裝置包括粉末匯集室； 所述粉末混合控制裝置，包括自上而下依次設(shè)置的緩沖篩網(wǎng)、攪拌葉片、控制開關(guān)、供 粉口； 所述粉料筒通過管路連接粉末匯集室，并在這段管路上自上而下依次設(shè)置有流量控制 器、氣體動力發(fā)生器； 所述粉末匯集室與粉末混合控制裝置接口處設(shè)有限壓閥門。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，其特征在于：所述 粉料筒與粉末匯集室的管路接口處還設(shè)置有密封墊圈。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，其特征在于：所述 鋪粉裝置包括控制鋪粉裝置運(yùn)動的小電機(jī)、鋪粉刷、粉料槽。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鋪粉加工的梯度功能材料制備裝置，其特征在于：所述 緩沖篩網(wǎng)的網(wǎng)格為300目；所述攪拌葉片包括上下兩個葉片。
【文檔編號】B22F9/04GK203863022SQ201420273399
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】楊永強(qiáng), 王赟達(dá), 宋長輝 申請人:華南理工大學(xué)