基于粉体精确喷射的金属微熔覆沉积直接制造技术研究

本项目针对金属零件的微熔覆沉积制造和功能梯度结构的精确非均质制造，采用微流体数字化技术改进粉末输送方式，提高金属粉末输送质量和方向的精确性，缩小激光熔覆的熔池尺寸，提高材料成分的控制精度，探索激光微熔覆沉积三维直接制造技术中的原理和方法。.熔覆沉积直接制造技术受限于粉末输送精度的影响，成形精度难以提高，特别是难以制造微小金属零件，粉末成分控制响应慢。而微流体数字化技术可实现微克量级的粉体精确输送，且喷射的方向性较好。.本项目将二者结合，通过研究粉体微量精确输送、微熔覆沉积等关键技术，开发一种新型金属微熔覆沉积三维制造工艺。同时，将探索粉体微流动、微驱动等精确和准确的粉体喷射技术和喷头制造技术；利用所实现的激光熔覆微小熔池，研究微熔池内材料的熔化、冷却、结晶等冶金规律及其对零件质量的影响；为金属零件的高精度微熔覆沉积三维直接成形制造和非均质制造提供理论依据和技术基础。

金属零件的直接制造是快速成形（现在又称增材制造）技术研究热点，并在钛合金零件的直接快速制造方面取得了较大的进展。但成形的精度和微型金属结构的直接制造方面仍然不能令人满意。本项目提出基于粉末精确喷射技术的金属微熔覆沉积技术，试图通过提高粉末喷射的精确性，以减小熔池尺寸，减小成形的沉积单元，实现较高精度和微型金属零件直接制造的目的。. 项目围绕粉末精确喷射技术、微熔覆成形工艺和钛合金微熔覆的组织性能等方面进行了研究和探索，取得了初步成果。包括：.1、激光微熔覆沉积成形实验系统的研制。根据实验研究要求，搭建的金属微熔覆沉积实验系统，主要有：100W单模连续光纤激光、微流体数字化喷射装置、激光头与喷头调节装置、显微观察装置、三维运动平台及其驱动控制系统、保护气系统等，开发了成形综合控制系统。该系统的特点是开放结构、侧向送粉、易于观察调节、全数字化控制。.2、粉末精确喷射技术的研究。针对数字化喷射技术在粉末上的应用，较系统地研究了粉末喷射精确性、方向性和稳定性，及其影响因素，并对喷头装置进行了改进设计。影响粉末喷射的因素包括粉末形态、喷嘴形状及其组合、驱动波形等。研究了证明了在“缓升急降”波形驱动下，数字化喷射技术可以较精确地控制各种金属粉末的喷射，其方向性较好，可以满足激光微熔覆沉积工艺的需要。但粉末中杂质对喷射的稳定性有一定的干扰，需考虑进一步改进。.3、微熔覆沉积工艺的研究。围绕TC4钛合金零件的成形，研究了激光功率、扫描速度、送粉参数以及喷嘴高度等工艺参数的影响。由于受送粉方式影响，熔覆沉积具有方向性，导致轮廓不同位置的沉积效果相差较大，严重时会导致成形失败。项目中通过提高粉末喷射的准确性和增加喷射量的方法，使熔池能补偿方向变化的影响，改善了各向沉积的一致性，最终实现了多种轮廓单壁零件的成形。.4、钛合金微熔覆沉积组织性能的研究。对TC4钛合金激光微熔覆沉积的单壁结构，进行了组织和性能的观察分析。发现微熔覆可获得全密度的钛合金组织。其顶层为细小的等轴晶且显微硬度极高；而下面的各层因重熔和高温回火的情况不同，可获得定向柱状晶或等轴晶，显微硬度较顶层低，但也高于一般常规成形工艺的显微硬度。. 项目期间，发表论文16篇，其中SCI论文2篇，EI论文11篇，国际会议论文1篇，国内会议论文2篇。申请并获得1项国家发明专利。培养本科生3名，目前在读博士生3名。