本发明专利技术公开了一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，包括高压试验舱系统、激光沉积系统、保护气成分反馈调节系统、监控系统以及运动控制系统。本申请方案将激光熔覆增材技术与高压环境相结合，在高压环境下实时调控保护气体分压加剧保护气成分对熔池凝固的影响，通过多孔底板的气帘设计在加大保护气流量的同时维持保护气氛的稳定，提高了熔池凝固的质量及后续构件力学性能。
1、激光熔覆是激光增材制造技术的一种，是一项兼顾成型精度和高性能需求的一体化制造技术，其中保护气成分是激光熔覆增材制造过程中一项重要工艺参数，对熔池凝固有着重要影响。
2、氮元素是高氮钢中的特征元素，氮固溶于基体中提供的固溶强化可显著提升高氮钢的各项力学性能，但高氮钢增材过程中常常伴随着氮流失及氮气孔形成等棘手问题，高氮钢凝固过程的相转变行为和试样力学性能在很大程度上取决于氮行为，对其精准控制是当前研究的难点。优化保护气体中氮含量是调节其相变行为及微观组织的一种相对有效和经济的方法，在焊接领域已被证明是可行的，但相对焊接熔池，激光熔覆产生熔池尺寸较小，熔池存在时间短，常压环境下气体分压对熔池作用不明显。
3、中国专利cn 113458604 a公开了一种高压环境激光填丝增材实验平台，在高压试验舱内进行增材实验。该专利仅是用来模拟水下高压环境，虽可实现高压环境下增材，但未涉及到保护气成分调节及高压渗氮，并不适用于优化高氮钢增材过程中渗氮均匀性。中国专利cn 116160014 a公开了一种水下激光熔覆制备高性能高氮钢的工艺方法，通过高压舱加压的方式模拟水下高压环境，高压环境带来氮气分压的提升，从而提高熔池内氮的溶解度。该专利技术存在两点不足，首先是为了吹散局部干区内残余水膜，需调大保护气流量，这会造成熔池动荡；其次，该方法未涉及保护气成分反馈调节系统，沉积材料势必会存在氮含量沿沉积方向分布不均等问题。
>技术实现思路1、针对现有技术中高压环境下保护气成分对激光熔覆增材过程中熔池凝固影响的空白，将激光熔覆增材技术与高压环境相结合，研究高压环境下保护气体分压工艺优化及参数实时调控对熔池凝固及后续构件力学性能的影响是十分有必要的，因此本申请提出一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置。
2、一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，包括高压试验舱系统、激光沉积系统、保护气成分反馈调节系统、监控系统以及运动控制系统；
3、由高压试验舱系统中的空压机输出压缩空气经过干燥机和节流阀进入高压试验舱系统的密封耐压试验舱中，激光沉积系统位于密封耐压试验舱中用于进行激光熔覆增材作业，保护气成分反馈调节系统可以提供多元混合保护气，通过激光沉积系统底下的多孔底板进入激光作业区，并对保护气成分进行快速实时调控，多孔底板表面的出气孔设置电动阀门及单向阀，每个出气孔配有相应的电容式行程开关触点，监控系统通过安置于激光沉积系统高温计和同轴相机实时监测激光沉积系统的熔池温度和尺寸，运动控制系统的多自由度机械手与激光沉积系统的密封耐压外壳连接以控制激光沉积系统进行作业。
4、在一些实施方式中，高压试验舱系统包括空压机、密封耐压试验舱、干燥机、节流阀、压力表、气泵、过滤器、储气罐以及单向阀；
5、空压机输出压缩空气经过干燥机和节流阀进入密封耐压试验舱内，节流阀可以控制压缩空气流量，压力表置于密封耐压试验舱内壁上实时监控内部气压值，实验过程中产生的气体在气泵的作用下经过滤器过滤后进入储气罐中，储气罐中的气体经过单向阀回到空压机供气线路中，形成自循环，单向阀可以控制气体的流动方向，避免出现气体逆流。
6、在一些实施方式中，密封耐压试验舱包括出气口和泄压口；
7、出气口位于密封耐压试验舱底部的一侧，实验过程中产生的气体将通过出气口到过滤器中，泄压口位于密封耐压试验舱底部的另一侧，用于将气体排出密封耐压试验舱。
8、在一些实施方式中，激光沉积系统包括密封耐压外壳、熔覆头、保护罩、多孔底板及送粉器；
9、熔覆头置于密封耐压外壳内部，保护罩置于密封耐压外壳底部，可以减少密封耐压试验舱内的压缩空气与保护罩内保护气氛的相互作用，多孔底板置于密封耐压试验舱底部并与保护罩留有间隙，使得保护罩内部保护气体压力与试验舱环境压力一致，送粉器通过管路向基板输送合金粉末。
10、在一些实施方式中，保护罩为圆柱形，保护罩两侧底部各放置一个电容式行程开关触点，可以产生局部高压保护气，快速响应保护气成分调节指令。
11、在一些实施方式中，多孔底板中间挖圆形槽用于放置基板，基板周围分布着多圈环形阵列的出气孔，出气孔底部相通，沿直径方向分布组通道，通道口连接快插接头。
12、保护罩底部行程开关触点对应到相应的多孔底板表面行程开关触点，即以保护罩底部行程开关触点之间的距离为直径，触点中间位置为圆心，在该范围内的多孔底板表面的出气孔电动阀门打开，其余出气孔阀门关闭，用于供给保护罩内保护气，出气孔供气时产生相应保护气帘，可进一步降低试验舱内压缩空气与保护气氛相互作用。
13、在一些实施方式中，保护气成分反馈调节系统包括多元保护气气瓶、电动气阀、气体混合器、pid控制器及电脑控制端；
14、多元保护气气瓶中储存的各类保护气通过电动气阀输送到气体混合器中，混合气体通入多孔底板和熔覆头内，pid控制器用于调节电动气阀开度以控制进入气体混合器中的各类保护气含量，电脑控制端用于分析监控系统捕获到的信息数据并通过pid控制器实时调节保护气成分。
15、保护气成分反馈调节系统工作流程还包括：实验开始前混合好相应的多元保护气的混合气（包括氮气、氩气、氧气、氦气等，但不局限于这四种气体）通入多孔底板、熔覆头内，作为初始值。
16、在一些实施方式中，监控系统包括高温计及同轴相机，高温计安置于保护罩顶部，用于实时监测熔池温度，同轴相机安置于熔覆头一侧，用于实时监测熔池尺寸。
17、监控系统将熔池的温度和尺寸信息发送给电脑控制端，电脑控制端根据信息计算冷却速率，熔池持续时间，熔池三维形状等并结合相关理论模型对多元保护气气瓶的电动气阀开度进行调整，使得氮含量在试样内部均匀分布。
18、在一些实施方式中，运动控制系统是多自由度机械手，安置于密封耐压试验舱内顶部，与密封耐压外壳连接以控制熔覆头作业。
19、在冶金领域，通常在高氮钢熔池上方通入高压氮气，提升熔池上方氮气分压，由此增加熔池内部氮的溶解度，避免氮气孔的产生。此外，在熔池凝固过程中会产生高压渗氮现象，熔池内的氮含量相应提升，热源空间和熔池之间的氮通量由这两个区域之间氮活度的差异决定，氮原子倾向于向氮活性较低的区域迁移。
20、鉴于此，可在熔池周围引入高压环境，在较短的熔池存在时间情况下，通过提升保护气中氮气分压的值来加强保护气成分对熔池的影响。除此之外，在保护气中添加少量的氧气可增加熔池内氮的溶解度减少氮流失，但过多的渗氮量会导致氮化物的析出，不利于力学性能，需对保护气中氮含量进行优化调节。随着激光熔覆增材实验的进行，热积累作用显现，熔池峰值温度升高，熔池尺寸变大，若以同样氮气分压进行渗氮，势必会造成氮含量在构件内部的不均匀分布，导致微观组织及力学性能的各向异性，需随着实验过程的进行对保护气成分进行实时调控。
21、有益效果：
<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，包括高压试验舱系统、激光沉积系统、保护气成分反馈调节系统、监控系统以及运动控制系统；
2.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述高压试验舱系统包括空压机、密封耐压试验舱、干燥机、节流阀、压力表、气泵、过滤器、储气罐以及单向阀；
3.根据权利要求2所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述密封耐压试验舱包括出气口和泄压口；
4.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述激光沉积系统包括密封耐压外壳、熔覆头、保护罩、多孔底板及送粉器；
5.根据权利要求4所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述保护罩两侧底部各放置一个电容式行程开关触点。
6.根据权利要求4所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述多孔底板中间挖圆形槽用于放置基板，所述基板周围分布着多圈环形阵列的出气孔，出气孔底部相通，沿直径方向分布通道，通道口连接快插接头。
7.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述保护气成分反馈调节系统包括多元保护气气瓶、电动气阀、气体混合器、PID控制器及电脑控制端；
8.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述监控系统包括高温计及同轴相机，所述高温计安置于保护罩顶部，所述同轴相机安置于熔覆头一侧。
9.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述运动控制系统为多自由度机械手，安装于密封耐压试验舱内顶部，与密封耐压外壳连接以控制熔覆头作业。
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【技术特征摘要】
1.一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，包括高压试验舱系统、激光沉积系统、保护气成分反馈调节系统、监控系统以及运动控制系统；
2.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述高压试验舱系统包括空压机、密封耐压试验舱、干燥机、节流阀、压力表、气泵、过滤器、储气罐以及单向阀；
3.根据权利要求2所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述密封耐压试验舱包括出气口和泄压口；
4.根据权利要求1所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述激光沉积系统包括密封耐压外壳、熔覆头、保护罩、多孔底板及送粉器；
5.根据权利要求4所述的一种高压环境激光熔覆增材实验平台装置，其特征在于，所述保护罩两侧底部各放置一个电容式行程开关触点。
【专利技术属性】
技术研发人员：韩恩厚，孙桂芳，
申请(专利权)人：广东腐蚀科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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