[实用新型]一种高精度金属基复合材料的制备设备

说明书

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。