本發(fā)明涉及一種激光-感應(yīng)復(fù)合熔化沉積的裝置，它特別適合于制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
金屬基復(fù)合材料由金屬基體和增強(qiáng)相通過(guò)一定的工藝復(fù)合而成的新型結(jié)構(gòu)材料，按增強(qiáng)相的形態(tài)可分為纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、晶須及短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等幾種形式。因此，金屬基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度以及良好的抗蠕變、耐高溫性能，尤其是纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在其纖維方向上具有很高的強(qiáng)度和模量，在構(gòu)件的受力狀況基本確定時(shí)更能發(fā)揮其定向優(yōu)勢(shì)，在航空航天領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
目前，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法主要有粉末冶金法、真空壓力浸滲法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法等。粉末冶金法是預(yù)先將短纖維與金屬粉末制成漿狀并混合，經(jīng)成型干燥熱壓燒結(jié)成型，該法較為復(fù)雜，不適宜制備大尺寸零件，成本很高。真空壓力浸滲法是將增強(qiáng)相制成預(yù)制體，放入承壓鑄型內(nèi)，加熱、抽真空，通過(guò)真空產(chǎn)生的負(fù)壓，使液態(tài)基體金屬熔體浸滲到預(yù)制體中并凝固成形，該方法的設(shè)備復(fù)雜，工藝周期長(zhǎng)，成本較高，適用于制備要求較高的小型零件；擠壓鑄造是將增強(qiáng)材料制成預(yù)制件，放入壓型，用壓機(jī)將液態(tài)金屬壓入凝固后得到成型件，其擠壓鑄造力大，一般在70-100MPa，所制成預(yù)制件必須有很高強(qiáng)度，同時(shí)需保證預(yù)制件的空隙度；攪拌鑄造法是將金屬熔化，在液態(tài)或半固態(tài)攪拌，同時(shí)加入增強(qiáng)材料(短纖維、晶須或粒子等)，制備出復(fù)合材料漿料，然后進(jìn)行鑄造、液態(tài)模鍛、軋制或擠壓成形。盡管擠壓鑄造法與攪拌鑄造法在工業(yè)中得到較為廣泛的應(yīng)用，但是這兩種方法制備的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料都存在纖維增強(qiáng)相分布不均、結(jié)構(gòu)不完整以及與金屬基體界面潤(rùn)濕性差等缺點(diǎn)，其綜合性能有待進(jìn)一步提高。
激光增材制造主要以金屬粉末或金屬絲材為原料，通過(guò)CAD模型預(yù)分層處理，采用高功率激光束熔化堆積生長(zhǎng)，直徑從CAD模型一步完成高性能構(gòu)件的“近終成形”。與傳統(tǒng)的制造工藝相比，激光增材制造屬于“加法制造”，具有工藝流程短、無(wú)模具、制造周期短、小批量零件生產(chǎn)成本低、零件近凈成型、材料利用率高以及可實(shí)現(xiàn)多種材料任意復(fù)合制造等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，激光-感應(yīng)復(fù)合熔化沉積技術(shù)可以在加工效率提高1～5倍的條件下，快速制備組織致密的高性能三維結(jié)構(gòu)件。但是，采用激光-感應(yīng)復(fù)合熔化沉積技術(shù)制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，尤其是專用于制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的激光-感應(yīng)復(fù)合熔化沉積裝置還未見(jiàn)文獻(xiàn)公開(kāi)報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種激光-感應(yīng)復(fù)合熔化沉積纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的裝置。本發(fā)明的裝置利用具有快速加熱、快速凝固、柔性制造、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)的激光-感應(yīng)復(fù)合熔化熱源，將粉末噴嘴噴射出的合金粉末熔化，并將鍍有鎳層的纖維包覆起來(lái)，結(jié)合分層切片技術(shù)形成纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。此外，專用纖維編織模版由兩個(gè)完全相同的具有群孔的304不銹鋼板組成，其中一塊304不銹鋼板固定于激光器的加工頭上，另一塊304不銹鋼板固定于基材上，由數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制半導(dǎo)體激光器的掃描速度、激光功率、掃描路徑、分層切片厚度、感應(yīng)加熱溫度與自動(dòng)送粉器的粉末流量。因此，本裝置的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)鍍鎳后纖維的尺寸選擇專用編織模版，實(shí)現(xiàn)了在高加工效率條件下，制備組織致密、無(wú)氣孔與裂紋、纖維增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)完整且在復(fù)合材料內(nèi)分布均勻與可控以及綜合性能優(yōu)異的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件會(huì)，克服了傳統(tǒng)制備工藝過(guò)程中，裝置復(fù)雜與制造成本高，纖維分布不均勻、結(jié)構(gòu)不完整、高性能易受熱損傷以及力學(xué)性能有待進(jìn)一步提高等問(wèn)題。
附圖說(shuō)明
圖1激光-感應(yīng)復(fù)合熔化沉積纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的裝置示意圖
具體實(shí)施方式
下面結(jié)構(gòu)附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一小詳細(xì)的說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明主要包括半導(dǎo)體激光器2、同軸自動(dòng)送粉器8、高頻感應(yīng)加熱器13、專用纖維編織模版、加工機(jī)床12與數(shù)控系統(tǒng)1。其中，專用纖維編織模版由兩個(gè)完全相同且具有群孔的304不銹鋼板5與5’構(gòu)成。工作時(shí)，具體實(shí)施方法與步驟如下：
第一步：利用專用CAD軟件生成纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的三維CAD實(shí)體模型，然后切割成若干相互平行的薄片，實(shí)現(xiàn)將零件的三維立體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列的二維平面數(shù)據(jù)，并在數(shù)控加工臺(tái)上生成激光-感應(yīng)復(fù)合熔化熱源的掃描路徑；
第二步：對(duì)直徑為0.2～10μm的纖維進(jìn)行粗化、敏化、活化與化學(xué)鍍20～50μm的鎳層，從而形成鍍鎳層纖維9，其中纖維為碳纖維、石英纖維或玻璃纖維；
第三步：采用三組專用纖維編織模板，將纖維編織成相互平行的結(jié)構(gòu)，其中專用纖維編織模板由兩個(gè)完全相同且表面均勻分布有群孔的304不銹鋼板5與5’構(gòu)成，編織的纖維9與304不銹鋼板5、5’的表面垂直，304不銹鋼板5與5，的尺寸為20×20×0.2cm3，纖維9的底部與基材18表面接觸；
纖維經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳后的直徑為20.2～60μm，將編織模板分為三組：第一組模板①304不銹鋼板5與5’的群孔孔徑為35.1μm，孔間距為35.2～45μm；第二組模板②304不銹鋼板5與5’的群孔孔徑為45.1μm，孔間距為45.2～60μm；第三組模板③304不銹鋼板5與5’群孔孔徑為60.1μm，孔間距為60.2～70μm；當(dāng)鍍Ni層纖維9直徑為20.2～35μm時(shí)，選用模板①；當(dāng)鍍Ni層纖維9直徑為35.001～45μm時(shí)，選用模板②；當(dāng)鍍Ni層纖維9直徑為45.001～60μm時(shí)，選用模板③；選定模板后，根據(jù)纖維編織的厚度，選擇相鄰或不相鄰孔洞進(jìn)行編制，實(shí)現(xiàn)纖維之間距離的可控；
第四步：專用纖維編織模板其中的一塊304不銹鋼板5’固定在基材18上，另一塊304不銹鋼板5固定在加工頭4上，且位于激光-感應(yīng)復(fù)合熔化熱源前端5mm處，編織纖維9的長(zhǎng)度方向與激光掃描方向平行；
第五步：半導(dǎo)體激光器2產(chǎn)生的激光束經(jīng)反射鏡3作用后，投向到透鏡16上，并定位于感應(yīng)加熱區(qū)，同時(shí)自動(dòng)送粉器9的粉末噴嘴14也定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；同軸自動(dòng)送粉器8的裝料斗7內(nèi)合金粉末通過(guò)氬氣經(jīng)導(dǎo)管6送入粉末噴嘴14，粉末噴嘴14將合金粉末均勻噴射入基材18表面的激光-感應(yīng)復(fù)合熔化熱源形成的熔池17內(nèi)，合金粉末吸收激光-感應(yīng)復(fù)合熔化熱源的能量后快速熔化，當(dāng)激光-感應(yīng)復(fù)合熔化熱源移開(kāi)后，熔融的合金粉末快速凝固并將纖維9包覆起來(lái)，形成纖維增強(qiáng)金屬基沉積層15；其中，感應(yīng)加熱線圈11上安裝有導(dǎo)磁體10并與高頻感應(yīng)加熱器13相連；
第六步：當(dāng)在基材18表面沉積完一道之后，沿著激光掃描速度的垂直方向移動(dòng)加工機(jī)床12，其移動(dòng)的距離為激光束光斑直徑的40～50％；
第七步：重復(fù)第五步-第六步，直到沉積層15的寬度滿足零件寬度要求；
第八步：檢測(cè)沉積層15是否滿足零件高度要求，如果沒(méi)有，將安裝有另一塊304不銹鋼板5的加工頭與感應(yīng)加熱線圈11沿Z軸向上升到與CAD二維薄片厚度相等的距離，然后按下一層的掃描軌跡進(jìn)行激光-感應(yīng)復(fù)合熔化沉積，當(dāng)所有的二維薄片都被掃描完成后，最終形成三維纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。