[发明专利]丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置与方法

说明书

本发明公开了一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置与方法，该装置包括等离子弧焊机、送粉器、送丝机、送丝管、焊接机器人、基板和等离子弧焊枪；其中等离子弧焊机的电极连接至等离子弧焊枪和基板；基板还用于承载及固定待制造结构件；焊接机器人夹持等离子弧焊枪和送丝管，送丝管第一端对准送丝机，第二端的出丝口位于等离子弧焊枪的正下方；丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置包括控制模块，控制模块连接至等离子弧焊机、送粉器、送丝机、焊接机器人和等离子弧焊枪；控制模块根据待制造结构件的在不同位置的所需材料成分配比，沿成形路径的不同成形位置上对各设备的送丝参数、送粉参数以及等离子弧参数进行实时调整。

技术领域

本发明涉及金属材料增材制造技术领域，特别是涉及到等离子弧增材制造金属功能梯度材料领域。

背景技术

功能梯度材料(Functionally graded material，简称FGM)是指两种或多种材料复合而成，成分、结构或微观组织呈现连续或准连续梯度变化的一种非均质材料，可用于制造服役环境随位置变化的多材料零件，不同材料之间梯度区域的存在避免了界面处异质材料由于物理性能突变而在服役过程中而产生的应力集中或开裂等缺陷。功能梯度材料最初的研究是针对航天飞机的超耐热材料，后续在诸多领域比如航空航天、生物医疗、能源等领域得到了广泛的应用。根据材料的类型、功能及尺寸的不同，梯度功能材料的制备方法包括气相沉积、热喷涂、离心浇铸、自蔓延高温合成、粉末烧结等。

增材制造技术是基于离散堆积原理，通过逐点、逐线、逐层堆叠制造零件的方法，增材制造技术的出现为功能梯度材料的制备提供了一种全新的技术解决方案，有望实现整体化、高性能、多功能零件的一体化制造。目前已经公开的用于制造金属功能梯度材料的增材制造工艺主要包括：激光能量净成形(LENS)、激光定向沉积(LDED)、激光选区熔化(SLM)、激光粉床熔融(LPBF)、电弧熔丝增材制造(WAAM)等。

另一方面，在金属增材制造工艺中材料的形式为粉末或丝材，熔丝增材制造工艺的优势是材料利用率高，且材料易于保存、便于携带；熔粉增材制造工艺的优势是可选用的材料范围更广，材料成分调控更加灵活。

但是，现有技术中的金属功能梯度材料增材制造工艺往往只能逐道或逐层改变沉积金属成分，无法实现三维梯度材料的成形，限制了金属功能梯度材料增材制造的推广及应用。

发明内容

为了解决现有技术中的金属功能梯度材料增材制造工艺往往只能逐道或逐层改变沉积金属成分，无法实现三维梯度材料的成形，限制了金属功能梯度材料增材制造的推广及应用的技术问题，本发明提出了一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置与方法，能够在工艺过程中实时控制沉积金属成分，实现成分能够沿沉积方向和扫描方向连续梯度分布的三维功能梯度金属零件的制造，并且在成形过程中能够根据材料的不同选择熔丝、熔粉或者丝粉同熔，突破沉积材料形式的限制。

为了实现这一目标，本发明采取了如下的技术方案。

一种丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置，包括等离子弧焊机、送粉器、送丝机、送丝管、焊接机器人、基板和等离子弧焊枪；其中等离子弧焊机的电极连接至等离子弧焊枪和基板；基板还用于承载及固定待制造结构件；焊接机器人夹持等离子弧焊枪和送丝管，送丝管第一端对准送丝机，第二端的出丝口位于等离子弧焊枪的正下方；其中丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置包括控制模块，控制模块连接至等离子弧焊机、送粉器、送丝机、焊接机器人和等离子弧焊枪；控制模块根据待制造结构件的在不同位置的所需材料成分配比，沿成形路径的不同成形位置上对各设备的送丝参数、送粉参数以及等离子弧参数进行实时调整。

另外，丝粉同熔等离子弧增材制造三维梯度材料的装置中还包括热丝机，热丝机连接送丝管的第二端，热丝机的正电极连接至送丝管的第二端，负电极连接至基板；所述热丝机连接至控制模块，控制模块利用控制指令实时调整热丝机的热丝参数。