激光熔覆沉积金属是增材制造技术的主要研究方向之一,在航空航天、军事装备等领域具有广泛的应用前景。对于钛合金等活泼金属的激光熔覆沉积成形,应该避免成形时高温氧化,需要无(低)氧化的成形环境对熔池进行保护。目前具备熔池保护能力的激光熔覆沉积成形设备普遍体积庞大、消耗惰性气体量巨大、气体置换时间长且价格昂贵,不适合实验室工艺研究频繁使用的要求,设计一套小型化的无(低)氧无水的激光熔覆沉积成形装置,及其成形控制系统显得尤为必要。通过比较抽真空和气体置换两种获取低氧和低水成形环境对设备造成的影响,提出将激光熔覆头整体放入成形环境的方案,确定成形室箱体为0.8 m×0.8m×1.3 m的方形结构。然后利用有限元软件分别对成形室箱体厚度进行分析,确定3 mm厚的304不锈钢板和6 mm厚的6061铝板作为箱体材料,2 mm厚的空心方管作为支撑架和悬挂架,实现小型化和轻量化的成形室设计。利用分子筛脱水和铜触媒脱氧原理设计了循环净化器,通过循环净化器降低成形室的水和氧含量,与大型设备相比能够快速实现低氧低水的要求,为激光熔覆沉积活泼金属快速提供惰性气体保护环境。利用四轴运动控制器将运动执行部分和相关控制电路集成,完成了硬件设计,实现三维平台运动和激光、送粉等的控制。利用MFC开发出配套的工艺控制软件,该软件实现了CLI文件格式读取和运动控制代码生成,并能进行扫描路径优化和工艺参数调整。最后,利用该装置进行激光熔覆沉积钛合金实验,当充氩速率为30 L/min,成形室中氧含量值从大气降至0.00%VOL时需要35 min,惰性气氛成形室内成形件的氧含量为0.148%,比在大气下下降了55%,小于原始粉末的氧含量。成形件抗拉强度和屈服强度分别为1 178 MPa和1 105 MPa,延伸率为5.1%;成形件硬度从基板到熔覆层呈增大的趋势,熔覆层的硬度在390 HV左右,基板的硬度在370 HV左右,表明本研究开发的激光熔覆沉积装置能够制备高性能成形件。