本发明涉及激光增材制造、激光熔覆和激光热喷涂技术领域，尤其涉及一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法和装置。
背景技术：
现代高端装备的核心关键零部件大部分是运动部件，磨损、腐蚀、疲劳等原因造成了核心关键零部件的频繁损伤甚至失效，威胁设备长期可靠运行，造成大量昂贵的核心关键零部件报废，从而造成巨大的经济损失、资源浪费以及能源浪费。
随着航空航天技术的不断进步和发展，对于高性能材料的需求和质量要求进一步提高，以轻合金中最具代表性的钛合金为例，自发现之日起，由于其具有比强度高、耐腐蚀性好以及耐高温等一系列优异性能特点，在航空航天领域得到广泛应用。
激光增材制造技术由于具备复杂零部件的直接成形，且成形件的力学性能与锻件相当，是航空航天、生物医用等领域加工制造钛合金零部件的最优选择。按照激光增材制造钛合金的成形理论，在激光成形过程中，熔池和基板之间存在自上而下的较大温度梯度(z方向)，同时熔池水平方向也存在由内向外的温度梯度(x方向)。在该温度场下，熔池瞬间凝固，形成沿温度梯度方向的贯穿数个熔覆层的粗大柱状晶，最终导致成形件综合力学性能不佳，各向异性突出等问题。
技术实现要素：
本发明提供一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法和装置，通过采用高温下的喷丸强化促进组织的球化过程，细化合金晶粒，阻断柱状晶贯穿熔覆层沿成形高度方向无限制外延生长，使轻合金成型件内部获得均匀细化的近等轴晶组织，提高激光增材制造轻合金构件的综合力学性能，从而减弱各向异性。
本发明提供的具体技术方案如下：
一方面，本发明提供的一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置包括密闭加工舱、位于所述密闭加工舱内部的基体、围绕所述基体上方的熔覆层设置的第一感应线圈、位于所述熔覆层上方的红外测温装置、位于所述密闭加工舱内部的转换器和相对设置在所述转换器两侧的拉瓦尔喷管和激光熔覆头，其中，所述拉瓦尔喷管的出口处圆周方向上设置有第二感应线圈，通过切换转换器实现所述拉瓦尔喷管和所述激光熔覆头交替出现在所述熔覆层的上方，所述第二感应线圈控制所述拉瓦尔喷管的出口温度为800℃～930℃。
可选的，所述第二感应线圈固定在所述拉瓦尔喷管的出口处圆周方向上，且所述第二感应线圈随所述拉瓦尔喷管一起绕所述转换器转动。
可选的，所述第二感应线圈用于加热金属喷丸和载气以实现850℃～900℃下的高温喷丸强化处理。
可选的，所述第一感应线圈的中心线与所述熔覆层的上表面平齐，所述转换器顺时针旋转180°以实现所述拉瓦尔喷管和所述激光熔覆头的工作位置对换。
另一方面，本发明还提供一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，所述方法采用上述的感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置，所述方法包括：
步骤1：通过顺时针旋转转换器将激光熔覆头移动至基体的正上方，并开启第一感应线圈将所述基体加热至850℃～900℃；
步骤2：调整红外测温装置的位置以使所述红外测温装置形成的测温光斑位于所述基体表面成型位置的表面上；
步骤3：开启所述激光熔覆头以实现采用激光增材制造的方法在所述基体的表面制备一层熔覆层，一层所述熔覆层的厚度为0.03mm～3mm，所述熔覆层的材质为钛铝合金；
步骤4：将所述转换器顺时针旋180°将所述拉瓦尔喷管旋转至所述熔覆层的上方，并开启第二感应线圈以实现将所述拉瓦尔喷管内的金属喷丸和载气加热至850℃～900℃下的高温；
步骤5：开启所述拉瓦尔喷管对所诉熔覆层进行高温喷丸强化处理，其中，在高温喷丸强化处理过程中保持所述第一感应线圈处于开启状态以维持高温喷丸强化处理过程所述基体和所述熔覆层的温度始终维持在850℃以上；
步骤6：将所述红外测温装置、所述第一感应线圈和所述转换器均提升一个熔覆层的高度，之后重复上述步骤1至上述步骤5进行下一层熔覆层的成型和高温喷丸强化处理，直至整个轻合金零部件的成型。
可选的，所述轻合金零部件的材质为钛合金、铝合金或镁合金。
本发明的有益效果如下：
本发明实施例提供一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置包括密闭加工舱、位于所述密闭加工舱内部的基体、围绕所述基体上方的熔覆层设置的第一感应线圈、位于所述熔覆层上方的红外测温装置、位于所述密闭加工舱内部的转换器和相对设置在所述转换器两侧的拉瓦尔喷管和激光熔覆头，其中，拉瓦尔喷管的出口处圆周方向上设置有第二感应线圈，通过顺时针旋转转换器实现所述拉瓦尔喷管和所述激光熔覆头交替出现在所述熔覆层的上方，第二感应线圈的设置可以控制拉瓦尔喷管的出口温度为800℃～930℃；进而实现在激光增材制造的过程中，通过旋转转换器可以采用一套系统实现高温喷丸强化处理下的激光熔覆增材制造，在激光熔覆增材制造的过程中，采用一套设备实现喷丸处理配合感应加热下的高温喷丸强化处理，有效的消除轻合金内部组织缺陷，促进组织的球化过程，细化合金晶粒，提高疲劳强度，改善合金的力学性能，阻断柱状晶贯穿熔覆层沿成形高度方向无限制外延生长，使轻合金成型件内部获得均匀细化的近等轴晶组织，从而减弱各向异性；并且，喷丸处理过程中保持感应加热至700℃-950℃的高温，同时还会采用感应线圈在喷丸过程中对喷丸载气进行加热以便进一步提高喷丸作用强度和深度，缩短喷丸处理时间，而且，采用转换器实现了激光熔覆和高温喷丸强化处理两道工序之间不需要进行工件变动和设备更换，仅仅旋转转换器即可实现整个加工过程，不仅加工效率高且工作可靠性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合图1～图2对本发明实施例的一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置和方法进行详细的说明。
参考图1、图2所示，本发明实施例提供的一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置包括密闭加工舱8、位于密闭加工舱8内部的基体1、围绕基体1上方的熔覆层4设置的第一感应线圈3、位于熔覆层4上方的红外测温装置2、位于密闭加工舱8内部的转换器7和相对设置在转换器7两侧的拉瓦尔喷管6和激光熔覆头5，其中，拉瓦尔喷管6的出口处圆周方向上设置有第二感应线圈9，通过切换转换器7可以实现拉瓦尔喷管6和激光熔覆头5交替出现在熔覆层4的上方，第二感应线圈9控制拉瓦尔喷管6的出口温度为800℃～930℃。
参考图1和图2所示，拉瓦尔喷管6和激光熔覆头5对称固定在转换器7的两侧，转换器7顺时针旋转180°就可以实现拉瓦尔喷管6和激光熔覆头5的工作位置对换。也即在激光熔覆增材制造过程中，通过旋转转换器7进而可以在一个工位上采用一套加工设备实现激光熔覆的过程中进行高温喷丸强化处理，而且，在高温喷丸强化处理和激光熔覆过程中可以采用同一套感应加热装置对工件进行感应加热，实现高温喷丸强化处理过程中工件始终处于加热状态，采用转换器实现了激光熔覆和高温喷丸强化处理两道工序之间不需要进行工件变动和设备更换，仅仅旋转转换器即可实现整个加工过程，不仅加工效率高且工作可靠性强。
参考图1和图2所示，第二感应线圈9固定在拉瓦尔喷管6的出口处圆周方向上，且第二感应线圈9随拉瓦尔喷管6一起绕转换器7转动。第二感应线圈9用于加热金属喷丸和载气以实现850℃～900℃下的高温喷丸强化处理。第一感应线圈3的中心线与熔覆层4的上表面平齐。
另一方面，本发明实施例基于相同的发明构思，还提供一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，该方法采用上述的感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置，该方法包括：
步骤1：通过顺时针旋转转换器将激光熔覆头移动至基体的正上方，并开启第一感应线圈将所述基体加热至850℃～900℃；
步骤2：调整红外测温装置的位置以使所述红外测温装置形成的测温光斑位于所述基体表面成型位置的表面上；
步骤3：开启所述激光熔覆头以实现采用激光增材制造的方法在所述基体的表面制备一层熔覆层，一层所述熔覆层的厚度为0.03mm～3mm，所述熔覆层的材质为钛铝合金；
步骤4：将所述转换器顺时针旋180°将所述拉瓦尔喷管旋转至所述熔覆层的上方，并开启第二感应线圈以实现将所述拉瓦尔喷管内的金属喷丸和载气加热至850℃～900℃下的高温；
步骤5：开启所述拉瓦尔喷管对所述熔覆层进行高温喷丸强化处理，其中，在高温喷丸强化处理过程中保持所述第一感应线圈处于开启状态以维持高温喷丸强化处理过程所述基体和所述熔覆层的温度始终维持在850℃以上；
步骤6：将所述红外测温装置、所述第一感应线圈和所述转换器均提升一个熔覆层的高度，之后重复上述步骤1至上述步骤5进行下一层熔覆层的成型和高温喷丸强化处理，直至整个轻合金零部件的成型。其中，轻合金零部件的材质为钛合金、铝合金或镁合金。
具体的，拉瓦尔喷管6在工作过程中，喷丸喷枪的扫描速度为12-68mm/s，喷丸气体压力为1.8-4.2mpa，喷枪采用长度为150-450mm的拉瓦尔管，喷丸距离为20-30mm，送粉速率为20-45g/min，喷丸时间为30-100s，喷丸载气温度为850℃～900℃的高温。
本发明实施例的一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，通过感应线圈对熔覆层进行加热，然后对高温下的熔覆层通过旋转转换器采用拉瓦尔喷管对成形的熔覆层进行高温喷丸强化处理，采用感应线圈对金属喷丸和载气进行加热以提高喷丸作用的深度，改善喷丸效果，阻断柱状晶贯穿熔覆层沿成形高度方向无限制外延生长，使轻合金成型件内部获得均匀细化的近等轴晶组织，从而减弱各向异性，改善成形部件的综合力学性能，为轻合金零件的激光直接成形及修复提供了指导作用，为激光增材制备轻合金(尤其是钛合金)领域带来明显的经济效益。
本发明实施例的一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，采用喷丸处理配合感应加热实现高温下的喷丸强化处理，通过转换器保证喷丸处理和激光熔覆过程中第一感应线圈始终处于加热状态，有效的消除轻合金内部组织缺陷，促进组织的球化过程，细化合金晶粒，提高疲劳强度，改善合金的力学性能，阻断柱状晶贯穿熔覆层沿成形高度方向无限制外延生长，使轻合金成型件内部获得均匀细化的近等轴晶组织，从而减弱各向异性；并且，喷丸处理过程中保持金属喷丸和载气被感应加热至850℃～900℃的高温，同时还会采用感应线圈在喷丸过程中对喷丸载气进行加热以便进一步提高喷丸作用强度和深度，缩短喷丸处理时间。
本发明实施例的一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，在喷丸处理的拉瓦尔喷管的喷头处设置有感应加热线圈，可以对经过该喷头喷出的金属喷丸进行感应加热，进而实现采用感应线圈在喷丸过程中对喷丸载气进行加热以便进一步提高喷丸作用强度和深度，缩短喷丸处理时间。而且，本发明实施例的一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置，通过设置一个转换器7实现激光头5和拉瓦尔喷管6的工位转换，通过旋转转换器7才可以实现同一个感应线圈用于喷涂和喷丸处理过程中的感应加热，设置在拉瓦尔喷管6外部的感应线圈和设置在工件外围的感应线圈相互配合才可以实现采用感应线圈在喷丸过程中对喷丸载气进行加热以便进一步提高喷丸作用强度和深度，缩短喷丸处理时间。
本发明实施例提供一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的装置包括密闭加工舱、位于所述密闭加工舱内部的基体、围绕所述基体上方的熔覆层设置的第一感应线圈、位于所述熔覆层上方的红外测温装置、位于所述密闭加工舱内部的转换器和相对设置在所述转换器两侧的拉瓦尔喷管和激光熔覆头，其中，拉瓦尔喷管的出口处圆周方向上设置有第二感应线圈，通过顺时针旋转转换器实现所述拉瓦尔喷管和所述激光熔覆头交替出现在所述熔覆层的上方，第二感应线圈的设置可以控制拉瓦尔喷管的出口温度为800℃～930℃；进而实现在激光增材制造的过程中，通过旋转转换器可以采用一套系统实现高温喷丸强化处理下的激光熔覆增材制造，在激光熔覆增材制造的过程中，采用一套设备实现喷丸处理配合感应加热下的高温喷丸强化处理，有效的消除轻合金内部组织缺陷，促进组织的球化过程，细化合金晶粒，提高疲劳强度，改善合金的力学性能，阻断柱状晶贯穿熔覆层沿成形高度方向无限制外延生长，使轻合金成型件内部获得均匀细化的近等轴晶组织，从而减弱各向异性；并且，喷丸处理过程中保持感应加热至700℃-950℃的高温，同时还会采用感应线圈在喷丸过程中对喷丸载气进行加热以便进一步提高喷丸作用强度和深度，缩短喷丸处理时间，而且，采用转换器实现了激光熔覆和高温喷丸强化处理两道工序之间不需要进行工件变动和设备更换，仅仅旋转转换器即可实现整个加工过程，不仅加工效率高且工作可靠性强。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
1.一种感应辅助喷丸细化增材制造轻合金晶粒的装置，其特征在于，所述装置包括密闭加工舱、位于所述密闭加工舱内部的基体、围绕所述基体上方的熔覆层设置的第一感应线圈、位于所述熔覆层上方的红外测温装置、位于所述密闭加工舱内部的转换器和相对设置在所述转换器两侧的拉瓦尔喷管和激光熔覆头，其中，所述拉瓦尔喷管的出口处圆周方向上设置有第二感应线圈，通过切换转换器实现所述拉瓦尔喷管和所述激光熔覆头交替出现在所述熔覆层的上方，所述第二感应线圈控制所述拉瓦尔喷管的出口温度为800℃～930℃。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二感应线圈固定在所述拉瓦尔喷管的出口处圆周方向上，且所述第二感应线圈随所述拉瓦尔喷管一起绕所述转换器转动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二感应线圈用于加热金属喷丸和载气以实现850℃～900℃下的高温喷丸强化处理。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一感应线圈的中心线与所述熔覆层的上表面平齐，所述转换器顺时针旋转180°以实现所述拉瓦尔喷管和所述激光熔覆头的工作位置对换。
5.一种感应辅助喷丸细化增材制造轻合金晶粒的方法，所述方法采用如权利要求1～4任一项所述的感应辅助喷丸细化增材制造轻合金晶粒的装置，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：通过顺时针旋转转换器将激光熔覆头移动至基体的正上方，并开启第一感应线圈将所述基体加热至850℃～900℃；
步骤2：调整红外测温装置的位置以使所述红外测温装置形成的测温光斑位于所述基体表面成型位置的表面上；
步骤3：开启所述激光熔覆头以实现采用激光增材制造的方法在所述基体的表面制备一层熔覆层，一层所述熔覆层的厚度为0.03mm～3mm，所述熔覆层的材质为钛铝合金；
步骤4：将所述转换器顺时针旋180°将所述拉瓦尔喷管旋转至所述熔覆层的上方，并开启第二感应线圈以实现将所述拉瓦尔喷管内的金属喷丸和载气加热至850℃～900℃下的高温；
步骤5：开启所述拉瓦尔喷管对所诉熔覆层进行高温喷丸强化处理，其中，在高温喷丸强化处理过程中保持所述第一感应线圈处于开启状态以维持高温喷丸强化处理过程所述基体和所述熔覆层的温度始终维持在850℃以上；
步骤6：将所述红外测温装置、所述第一感应线圈和所述转换器均提升一个熔覆层的高度，之后重复上述步骤1至上述步骤5进行下一层熔覆层的成型和高温喷丸强化处理，直至整个轻合金零部件的成型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述轻合金零部件的材质为钛合金、铝合金或镁合金。
技术总结