本發明涉及一種激光-感應復合熔化沉積的裝置，它特別適合于制備纖維增強金屬基復合材料。
背景技術：
金屬基復合材料由金屬基體和增強相通過一定的工藝復合而成的新型結構材料，按增強相的形態可分為纖維增強金屬基復合材料、晶須及短纖維增強金屬基復合材料、顆粒增強金屬基復合材料等幾種形式。因此，金屬基復合材料具有較高的比強度、比剛度以及良好的抗蠕變、耐高溫性能，尤其是纖維增強金屬基復合材料在其纖維方向上具有很高的強度和模量，在構件的受力狀況基本確定時更能發揮其定向優勢，在航空航天領域具有十分廣闊的應用前景。
目前，纖維增強金屬基復合材料的制備方法主要有粉末冶金法、真空壓力浸滲法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法等。粉末冶金法是預先將短纖維與金屬粉末制成漿狀并混合，經成型干燥熱壓燒結成型，該法較為復雜，不適宜制備大尺寸零件，成本很高。真空壓力浸滲法是將增強相制成預制體，放入承壓鑄型內，加熱、抽真空，通過真空產生的負壓，使液態基體金屬熔體浸滲到預制體中并凝固成形，該方法的設備復雜，工藝周期長，成本較高，適用于制備要求較高的小型零件；擠壓鑄造是將增強材料制成預制件，放入壓型，用壓機將液態金屬壓入凝固后得到成型件，其擠壓鑄造力大，一般在70-100MPa，所制成預制件必須有很高強度，同時需保證預制件的空隙度；攪拌鑄造法是將金屬熔化，在液態或半固態攪拌，同時加入增強材料(短纖維、晶須或粒子等)，制備出復合材料漿料，然后進行鑄造、液態模鍛、軋制或擠壓成形。盡管擠壓鑄造法與攪拌鑄造法在工業中得到較為廣泛的應用，但是這兩種方法制備的纖維增強金屬基復合材料都存在纖維增強相分布不均、結構不完整以及與金屬基體界面潤濕性差等缺點，其綜合性能有待進一步提高。
激光增材制造主要以金屬粉末或金屬絲材為原料，通過CAD模型預分層處理，采用高功率激光束熔化堆積生長，直徑從CAD模型一步完成高性能構件的“近終成形”。與傳統的制造工藝相比，激光增材制造屬于“加法制造”，具有工藝流程短、無模具、制造周期短、小批量零件生產成本低、零件近凈成型、材料利用率高以及可實現多種材料任意復合制造等優點。近年來，激光-感應復合熔化沉積技術可以在加工效率提高1～5倍的條件下，快速制備組織致密的高性能三維結構件。但是，采用激光-感應復合熔化沉積技術制備纖維增強金屬基復合材料的方法未見文獻報道，尤其是專用于制備纖維增強金屬基復合材料的激光-感應復合熔化沉積裝置還未見文獻公開報道。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種激光-感應復合熔化沉積纖維增強金屬基復合材料的裝置。本發明的裝置利用具有快速加熱、快速凝固、柔性制造、易實現自動化等特點的激光-感應復合熔化熱源，將粉末噴嘴噴射出的合金粉末熔化，并將鍍有鎳層的纖維包覆起來，結合分層切片技術形成纖維增強金屬基復合材料。此外，專用纖維編織模版由兩個完全相同的具有群孔的304不銹鋼板組成，其中一塊304不銹鋼板固定于激光器的加工頭上，另一塊304不銹鋼板固定于基材上，由數控系統統一控制半導體激光器的掃描速度、激光功率、掃描路徑、分層切片厚度、感應加熱溫度與自動送粉器的粉末流量。因此，本裝置的優點是根據鍍鎳后纖維的尺寸選擇專用編織模版，實現了在高加工效率條件下，制備組織致密、無氣孔與裂紋、纖維增強相結構完整且在復合材料內分布均勻與可控以及綜合性能優異的纖維增強金屬基復合材料結構件會，克服了傳統制備工藝過程中，裝置復雜與制造成本高，纖維分布不均勻、結構不完整、高性能易受熱損傷以及力學性能有待進一步提高等問題。
附圖說明
圖1激光-感應復合熔化沉積纖維增強金屬基復合材料的裝置示意圖
具體實施方式
下面結構附圖和實例對本發明作進一小詳細的說明。
如圖1所示，本發明主要包括半導體激光器2、同軸自動送粉器8、高頻感應加熱器13、專用纖維編織模版、加工機床12與數控系統1。其中，專用纖維編織模版由兩個完全相同且具有群孔的304不銹鋼板5與5’構成。工作時，具體實施方法與步驟如下：
第一步：利用專用CAD軟件生成纖維增強金屬基復合材料零件的三維CAD實體模型，然后切割成若干相互平行的薄片，實現將零件的三維立體數據轉換成一系列的二維平面數據，并在數控加工臺上生成激光-感應復合熔化熱源的掃描路徑；
第二步：對直徑為0.2～10μm的纖維進行粗化、敏化、活化與化學鍍20～50μm的鎳層，從而形成鍍鎳層纖維9，其中纖維為碳纖維、石英纖維或玻璃纖維；
第三步：采用三組專用纖維編織模板，將纖維編織成相互平行的結構，其中專用纖維編織模板由兩個完全相同且表面均勻分布有群孔的304不銹鋼板5與5’構成，編織的纖維9與304不銹鋼板5、5’的表面垂直，304不銹鋼板5與5，的尺寸為20×20×0.2cm3，纖維9的底部與基材18表面接觸；
纖維經過化學鍍鎳后的直徑為20.2～60μm，將編織模板分為三組：第一組模板①304不銹鋼板5與5’的群孔孔徑為35.1μm，孔間距為35.2～45μm；第二組模板②304不銹鋼板5與5’的群孔孔徑為45.1μm，孔間距為45.2～60μm；第三組模板③304不銹鋼板5與5’群孔孔徑為60.1μm，孔間距為60.2～70μm；當鍍Ni層纖維9直徑為20.2～35μm時，選用模板①；當鍍Ni層纖維9直徑為35.001～45μm時，選用模板②；當鍍Ni層纖維9直徑為45.001～60μm時，選用模板③；選定模板后，根據纖維編織的厚度，選擇相鄰或不相鄰孔洞進行編制，實現纖維之間距離的可控；
第四步：專用纖維編織模板其中的一塊304不銹鋼板5’固定在基材18上，另一塊304不銹鋼板5固定在加工頭4上，且位于激光-感應復合熔化熱源前端5mm處，編織纖維9的長度方向與激光掃描方向平行；
第五步：半導體激光器2產生的激光束經反射鏡3作用后，投向到透鏡16上，并定位于感應加熱區，同時自動送粉器9的粉末噴嘴14也定位于感應加熱區內，實現激光熱源與感應加熱源的復合；同軸自動送粉器8的裝料斗7內合金粉末通過氬氣經導管6送入粉末噴嘴14，粉末噴嘴14將合金粉末均勻噴射入基材18表面的激光-感應復合熔化熱源形成的熔池17內，合金粉末吸收激光-感應復合熔化熱源的能量后快速熔化，當激光-感應復合熔化熱源移開后，熔融的合金粉末快速凝固并將纖維9包覆起來，形成纖維增強金屬基沉積層15；其中，感應加熱線圈11上安裝有導磁體10并與高頻感應加熱器13相連；
第六步：當在基材18表面沉積完一道之后，沿著激光掃描速度的垂直方向移動加工機床12，其移動的距離為激光束光斑直徑的40～50％；
第七步：重復第五步-第六步，直到沉積層15的寬度滿足零件寬度要求；
第八步：檢測沉積層15是否滿足零件高度要求，如果沒有，將安裝有另一塊304不銹鋼板5的加工頭與感應加熱線圈11沿Z軸向上升到與CAD二維薄片厚度相等的距離，然后按下一層的掃描軌跡進行激光-感應復合熔化沉積，當所有的二維薄片都被掃描完成后，最終形成三維纖維增強金屬基復合材料。