本發(fā)明屬于先進(jìn)快速制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于激光選區(qū)熔化送粉的粉末預(yù)熱裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
激光選區(qū)熔化(Selective laser melting,SLM)技術(shù)是集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)、增材制造于一體的先進(jìn)制造技術(shù)。SLM利用高能激光直接熔化金屬粉末來(lái)逐層成形制件，所以特別適合加工形狀復(fù)雜的零件，尤其是具有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和具有個(gè)性化需求的零件。
然而，在SLM成形過程中，金屬粉末材料在高能激光的作用下瞬間熔化、冷卻和凝固，其冷卻速度可達(dá)103-105K/s，使制件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，進(jìn)而造成孔隙、裂紋等缺陷，降低成形件的質(zhì)量。目前，消除SLM成形件殘余應(yīng)力的方法主要有基板預(yù)熱和成形后退火。其中，對(duì)于基板預(yù)熱，當(dāng)成形件達(dá)到一定的厚度時(shí)，成形件的上部不能得到充分預(yù)熱，影響預(yù)熱效果。而對(duì)于成形后退火處理，盡管這種方法對(duì)于消除殘余應(yīng)力效果好，但對(duì)成形件的尺寸影響較大。
已有研究表明，對(duì)金屬粉末材料進(jìn)行預(yù)熱也可有效降低或消除制件的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)金屬粉末進(jìn)行預(yù)熱，一是可起到烘干的作用，提高金屬粉末的流動(dòng)性；二是增強(qiáng)了金屬材料對(duì)激光的吸收率，提高了激光利用率；三是縮小了金屬粉末材料加工前后的溫差，降低了熱應(yīng)力；四是已成形件被經(jīng)過預(yù)熱的金屬粉末包裹，在一定程度上減緩了冷卻速度，降低了殘余應(yīng)力，減小了裂紋孔隙的形成傾向。
專利CN103100713A，CN104289711A和CN105014071A等提出了不同的粉材預(yù)熱方法。其中，CN104289711A是通過安裝于工作腔內(nèi)的預(yù)熱系統(tǒng)以輻射照射的方式預(yù)熱粉材，這種方法不能使粉缸下部的金屬粉末得到充分預(yù)熱，而且溫度在粉缸上部金屬粉末中的分布也是不均勻的，預(yù)熱效果不理想。CN103100713A和CN105014071A都是在粉缸周向設(shè)置加熱裝置，對(duì)粉材進(jìn)行預(yù)熱。然而，這種方法缺點(diǎn)在于，一方面，當(dāng)預(yù)熱溫度較高時(shí)，金屬粉末中的有害氣體如水蒸氣會(huì)污染整個(gè)成形腔中的保護(hù)氣氛；另一方面，在粉缸周向設(shè)置加熱裝置，使得整個(gè)工作缸體體積冗大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜維修困難。此外，這種基于粉缸的下送粉方式在成形零件時(shí)對(duì)金屬粉末的利用率低，所以每次成形前要準(zhǔn)備比加工件體積多多倍的金屬粉末。而且，在成形過程中對(duì)金屬粉末進(jìn)行補(bǔ)充時(shí)，還需打開艙門，過程較為繁雜，成形件的質(zhì)量也會(huì)受到影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于激光選區(qū)熔化送粉的粉末預(yù)熱裝置及其應(yīng)用，采用儲(chǔ)粉漏斗來(lái)輸送金屬粉末可以解決現(xiàn)有技術(shù)中金屬粉末利用率低的問題，同時(shí)其可對(duì)漏斗中的金屬粉末進(jìn)行可控加熱，使金屬粉末受熱均勻，降低SLM成形件中的殘余應(yīng)力，避免成形過程中由于較大殘余應(yīng)力而出現(xiàn)的變形、翹曲和無(wú)法加工等問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于激光選區(qū)熔化送粉的粉末預(yù)熱裝置，其特征在于，包括儲(chǔ)粉漏斗、真空泵、保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐、電源裝置和中央控制器，其中，
所述真空泵和所述保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐分別通過第一連接管道和第二連接管道與所述儲(chǔ)粉漏斗連接，并且所述第一連接管道和第二連接管道上分別設(shè)置有第一電磁閥和第二電磁閥；
所述儲(chǔ)粉漏斗的底部出口處設(shè)置有第三電磁閥，以用于控制所述儲(chǔ)粉漏斗的出粉量；
所述儲(chǔ)粉漏斗的外側(cè)壁包裹有隔熱層，以用于保持所述儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)金屬粉末的溫度；
圍繞所述儲(chǔ)粉漏斗的外壁設(shè)置有感應(yīng)線圈，所述感應(yīng)線圈與所述電源裝置連接；
所述儲(chǔ)粉漏斗上設(shè)置有用于檢測(cè)儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)金屬粉末溫度的溫度傳感器和用于檢測(cè)儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)壓力的壓力傳感器；
所述中央控制器分別與所述溫度傳感器、電源裝置、第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、溫度傳感器和壓力傳感器連接。
優(yōu)選地，所述儲(chǔ)粉漏斗與蓋板之間設(shè)置有密封墊圈。
優(yōu)選地，所述電源裝置為高頻電源或中頻電源。
優(yōu)選地，所述儲(chǔ)粉漏斗的頂部設(shè)置有蓋板。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了所述的粉末預(yù)熱裝置預(yù)熱及輸送金屬粉末的方法，其特征在于，包括以下步驟：
(a)開啟激光選區(qū)熔化成形設(shè)備，啟動(dòng)中央控制器；
(b)通過中央控制器對(duì)第一電磁閥、第二電磁閥和第三電磁閥發(fā)出閉合信號(hào)使它們均關(guān)閉，然后向儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)添加成形所需金屬粉末，并將金屬粉末密封在所述儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)；
(c)中央控制器打開第一電磁閥，啟動(dòng)真空泵對(duì)儲(chǔ)粉漏斗抽真空，通過壓力傳感器得到儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)的真空值，當(dāng)真空值達(dá)到-102kPa～-95kPa Pa時(shí)關(guān)閉第一電磁閥，然后開啟第二電磁閥并啟動(dòng)保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐，向儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)充保護(hù)氣，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)壓力值達(dá)到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，關(guān)閉第二電磁閥和保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐；
(d)中央控制器開啟電源裝置，電源裝置收到啟動(dòng)信號(hào)后產(chǎn)生電流，電流流經(jīng)感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈在電流作用下產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)的金屬粉末在交變磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生交變電流，金屬粉末內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，渦流損耗以及磁滯損耗使金屬粉末發(fā)熱，以此方式，對(duì)金屬粉末進(jìn)行加熱；
(e)溫度傳感器對(duì)儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)金屬粉末的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并反饋給中央控制器，中央控制器根據(jù)接收的溫度信息來(lái)調(diào)節(jié)電源裝置產(chǎn)生的電流的大小，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)金屬粉末溫度的恒定；
(f)當(dāng)儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)金屬粉末溫度達(dá)到設(shè)定要求后，中央控制器控制第三電磁閥的開閉，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)粉漏斗內(nèi)金屬粉末的輸送。
總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：
(1)采用儲(chǔ)粉漏斗送粉，可按每次鋪粉所需量進(jìn)行輸送，大大減少了整個(gè)激光選區(qū)熔化工藝過程中金屬粉末的使用量，使激光選區(qū)熔化工藝過程更加節(jié)約金屬粉末，另外，當(dāng)儲(chǔ)粉漏斗中金屬粉末不足需要進(jìn)行補(bǔ)充時(shí)，可在避免打開成形艙的情況下直接向儲(chǔ)粉漏斗中添加金屬粉末，操作方便，成形過程也不易受到影響。
(2)可在成形前對(duì)金屬粉末進(jìn)行預(yù)熱，一是可起到烘干的作用，成形與烘粉可同時(shí)進(jìn)行，簡(jiǎn)化了成形前需烘干金屬粉末這一步驟，節(jié)約了時(shí)間；二是增強(qiáng)了金屬材料對(duì)激光的吸收率，提高了激光利用率；三是縮小了金屬粉末材料加工前后的溫差，降低了熱應(yīng)力；四是經(jīng)過預(yù)熱的金屬粉末將成形件包裹，在一定程度上減緩了成形件的冷卻速度，降低了殘余應(yīng)力，減小了裂紋孔隙的形成傾向。
(3)該儲(chǔ)粉漏斗的真空泵和保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐相連接，在烘干/預(yù)熱過程中能夠?qū)σ籽趸饘俜勰┻M(jìn)行保護(hù)，避免氧化的發(fā)生，而且金屬粉末在烘干/預(yù)熱過程中產(chǎn)生的有害氣體如水蒸氣等不會(huì)對(duì)成形腔中的保護(hù)氣氛造成影響。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
參照?qǐng)D1，一種用于激光選區(qū)熔化送粉的粉末預(yù)熱裝置，包括儲(chǔ)粉漏斗1、真空泵6、保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐7、電源裝置10和中央控制器11，其中，
所述真空泵6和所述保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐7分別通過第一連接管道和第二連接管道與所述儲(chǔ)粉漏斗1連接，并且所述第一連接管道和第二連接管道上分別設(shè)置有第一電磁閥4和第二電磁閥5；
所述儲(chǔ)粉漏斗1的底部出口處設(shè)置有第三電磁閥8，以用于控制所述儲(chǔ)粉漏斗1的出粉量；
所述儲(chǔ)粉漏斗1的外側(cè)壁包裹有隔熱層3，以用于保持所述儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)金屬粉末的溫度；
圍繞所述儲(chǔ)粉漏斗1的外壁設(shè)置有感應(yīng)線圈9，所述感應(yīng)線圈9與所述電源裝置10連接；
所述儲(chǔ)粉漏斗1上設(shè)置有用于檢測(cè)儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)金屬粉末溫度的溫度傳感器12和用于檢測(cè)儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)壓力的壓力傳感器13；
所述中央控制器11分別與所述溫度傳感器12、電源裝置10、第一電磁閥4、第二電磁閥5、第三電磁閥8、溫度傳感器12和壓力傳感器13連接。
進(jìn)一步，所述儲(chǔ)粉漏斗1的頂部設(shè)置有蓋板2，所述儲(chǔ)粉漏斗1與蓋板2之間設(shè)置有密封墊圈，以便于揭開蓋板2后向所述儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)放入金屬粉末。
進(jìn)一步，所述電源裝置10為高頻電源或中頻電源。
所訴的基于激光選區(qū)熔化上送粉方式的粉末預(yù)熱裝置，其工作過程包括如下步驟：
(a)開啟激光選區(qū)熔化成形設(shè)備，啟動(dòng)中央控制器11；
(b)通過中央控制器11對(duì)三個(gè)電磁閥發(fā)出閉合信號(hào)使其關(guān)閉，打開儲(chǔ)粉漏斗1蓋板2，向儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)添加成形所需金屬粉末，之后關(guān)上蓋板2，此時(shí)整個(gè)儲(chǔ)粉漏斗1處于密封狀態(tài)，金屬粉末被密封在儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)；
(c)通過中央控制器11打開第一電磁閥4，啟動(dòng)真空泵6對(duì)儲(chǔ)粉漏斗1抽真空，通過壓力傳感器13得到儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)的壓力值，當(dāng)壓力達(dá)到-102kPa～-95kPa時(shí)，關(guān)閉第一電磁閥4，開啟第二電磁閥5，啟動(dòng)保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐7，對(duì)儲(chǔ)粉漏斗1充保護(hù)氣，當(dāng)儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)的壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，調(diào)節(jié)第二電磁閥5和保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐7，減小送入儲(chǔ)氣漏斗內(nèi)的氣流量直至關(guān)閉第二電磁閥5和保護(hù)氣儲(chǔ)氣罐7；
(d)通過中央控制器11開啟電源裝置10，電源裝置10收到啟動(dòng)信號(hào)后產(chǎn)生高頻或中頻電流，電流流經(jīng)感應(yīng)線圈9，感應(yīng)線圈9在電流作用下產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬粉末在交變磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生交變電流(渦流)，金屬粉末形成的導(dǎo)體形成磁場(chǎng)，渦流損耗以及磁滯損耗使金屬粉末發(fā)熱，以此方式，對(duì)金屬粉末進(jìn)行加熱；
(e)溫度傳感器12能夠?qū)?chǔ)粉內(nèi)金屬粉末的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并反饋給中央控制器11，中央控制器11根據(jù)接收的溫度信息來(lái)調(diào)節(jié)電源裝置10產(chǎn)生的電流大小，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)金屬粉末溫度的恒定；
(f)當(dāng)儲(chǔ)粉漏斗1內(nèi)金屬粉末溫度達(dá)到要求后，通過中央控制器11控制儲(chǔ)粉漏斗11落粉管路中第三電磁閥8的閉合，實(shí)現(xiàn)金屬粉末輸送量的控制。
另外，成形過程中當(dāng)金屬粉末量不足需補(bǔ)充金屬粉末時(shí)，需先暫停加工，關(guān)閉第三電磁閥8，重復(fù)上述步驟(b)和(c)即可。
綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，在實(shí)現(xiàn)金屬粉末預(yù)熱的同時(shí)能提高金屬粉末的利用率，故本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)的種種缺點(diǎn)而具有較高的產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。