一种金属材料增材制造成型方法及装置制造方法及图纸

一种金属材料增材制造成型方法，从熔炼炉内获取流动的液态材料引入中间流道；通过控制液态材料的温度和流动速度，使进入中间流道的液态材料逐渐转变为液固两相共存的流体；将上述流体材料压入开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；在与之接触的流体朝来流方向定向凝固的同时，使基板/结晶器以一定的速度和运动轨迹平行于出料口运动，带出凝固组织，并通过凝固组织与熔体之间的摩擦力抑制结晶前沿的金属枝晶的生长，重复所述过程，逐渐形成金属整体壁板特定方向的切向单层组织直至得到具有指定厚度和形状的优异组织的材料构件。一种金属材料增材制造成型装置，包括熔炼炉、中间流道、基板/结晶器以及保护气氛装置。

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料增材制造成型方法及装置
本专利技术涉及材料加工技术，具体涉及一种利用微熔铸制备整体壁板类薄壁金属材料构件的增材制造成型方法及装置。
技术介绍
金属增材制造（也称3D打印）技术可以直接成形结构复杂的金属零件，缩短零件的制造周期，对于提升制造业的现代化水平和建立绿色经济发展模式有重大意义，因此，相关研究一直受到科技界和工程界的高度重视。金属增材制造技术是以金属粉末或丝材为原料，通过高功率密度的点热源（如激光、电子束等）熔化，然后通过将其逐点、逐层堆积而得到具有一定形状的零件，之后通过快速冷却以及必要的处理方法对零件的性能进行调整。金属增材制造离不开金属粉末或丝材的制备，这本身是一个比较复杂的过程，并且金属粉末或丝材的性能直接或间接地影响了最终产品的性能金属增材制造用激光、电子束熔化金属粉末或丝材，能耗高。基于此，一种新的金属增材制造技术即金属直接微熔铸增材制造技术，将金属熔体层层堆积直接成形零件，避免了金属粉末或丝材的制备，不需要二次重熔，简化了金属增材制造技术的工艺流程；能耗低，工艺流程短。但金属熔体系多相且其相成分在不断变化的流体，熔体的粘度对温度变化十分敏感，微熔铸成形技术要求所使用的金属熔体原料流动可控，层间形成良好的结合，这给微熔铸技术的研究带来了很大的困难。金属半固态熔体相比液态金属粘度高，铸件组织致密、气孔少；加工时变形抗力较小，可以在低能耗下生产形状复杂的金属零件；半固态熔体的偏析缺陷少，制品的力学性能可以显著提升；金属半固态初生相颗粒周围富集的低熔点合金相重熔温度低，层间易于形成熔化结合。半固态熔体凝固时间相比液态金属熔体较短，生产效率较高。因此，金属直接微熔铸技术选择金属熔体以半固态形式进行零件成形。2000年前后，Rice等提出了半固态无模成形方法，该方法把制作半固态熔体的坩埚出口直径变为所需要的小尺度（约1mm），由距出口不远处工作台的三维运动拖动半固态熔体逐层堆积成形。Rice的半固态无模成形方法是将半固态熔体拖出，其晶粒形态和尺度主要取决于搅拌方式，熔体出坩埚后，晶粒无任何破碎。本方法则采用挤出熔体方法，熔体同基板接触面积大，熔体凝固速度快，利于晶粒细化；微熔凝区内通过基板运动速度和基板到喷嘴水口的高度来调节冷却速度，抑制晶粒生长，细化晶粒。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术不足，提出一种整体壁板类金属构件的增材制造成型方法及装置。可以在很大程度上提高金属产品加工的质量和效率。本专利技术采用的技术方案：一种金属材料增材制造成型方法，步骤如下：1）从熔炼炉内获取流动的液态材料，引入下方有出料口的中间流道；2）通过控制液态材料的温度和流动速度，使进入中间流道的液态材料逐渐转变为液固两相共存且其温度呈上高下低梯度分布的流体；3）将上述流体材料经出料口压入其下方与基板（结晶器）或附着在其上的堆积层之间的开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；4）在与之接触的流体朝来流方向定向凝固的同时，使基板（结晶器）以一定的速度和运动轨迹平行于出料口运动，带出凝固组织，为后续熔体腾出位置，并通过凝固组织与熔体之间的摩擦力抑制结晶前沿的金属枝晶的生长，重复步骤3），逐渐形成金属整体壁板特定方向的切向单层组织直至得到具有指定厚度和形状的优异组织的材料构件。专利技术有益效果：本专利技术的方法主要通过如下措施实现对液态金属的微熔铸成型件的性能和质量：1、本专利技术金属增材制造技术，从石墨坩埚引出成分满足设计要求的全液态金属；在石墨坩埚内将其调制成均匀的半固态熔体；将熔体从石墨坩埚的出料口压入其与结晶器之间厚度为堆积层厚度的开放空间，并利用其自身的表面张力阻止熔体溢出；与此同时，结晶器按照设定的速度和轨迹平行于出料口运动，不断移出初凝固组织并阻滞和破坏其结晶前沿的枝晶生长；按照指定的图形和轨迹逐点延伸和逐层堆积上述凝固组织，即可获得所需成型件。2、具备温度和压力控制以及搅拌功能的石墨坩埚。这里的温度控制是指：使进入包内的金属从全液态逐渐转变为可以液固两相共存且其温度呈上高下低梯度分布的熔体，以满足微熔铸技术对于原料的要求。这里的搅拌，可以是电磁搅拌亦可以是机械搅拌，建议的搅拌频率范围为0.5Hz-1.5Hz，其主要作用是防止熔体出现偏析，并将其中固相颗粒的粒度控制在微米尺度。这里的压力是指对于中间包内熔体的压力，可以通过压缩气体、也可以通过机械方式施加，其主要作用是将熔体压入微熔铸成型区间，并作用于熔体凝固的全过程。石墨坩埚底部出料口的形状和尺寸取决于堆积层的宽度，若其宽度为毫米尺度，出料口可以设计成相应尺度的圆形，若其宽度大于毫米尺度，则出料口可以设计为方形，其短边为毫米尺度、其长边对应堆积层的宽度。3、设置开放式微熔铸区间。该区间位于中间包出料口的下方和结晶器（或附着在结晶器表面上的堆积层）的上方，其高度即堆积层厚度，一般限制在毫米至微米尺度范围内，它通过表面张力抗衡熔体传递的压力并约束其流动，其作用类似于模具的型腔。这型腔只有其下底面（结晶器或附着其上的凝固层的表面）以及其上底面的边沿（出料口的口沿）是实体，其余都是开放的和柔性的。该型腔的下底面不仅具有促进熔体凝固的结晶器功能，还具有以一定速度（0.5-20厘米/秒范围内）向外输送凝固组织的功能，以及通过凝固组织移动时与熔体间的摩擦阻滞和破坏初生枝晶的生长，使凝固组织获得类似轧制的细化和致密效果。4、微熔铸成型件的质量保障措施。主要包括：①原料控制。使进入微熔铸区间的熔体处于液固两相状态，熔体有一定的粘度。②堆积层厚度控制。在不使熔体溢出同步铸轧区域的前提下，堆积层的厚度越薄，成型件的表面粗糙度越低。当堆积层的厚度小于100微米时，其成型件表面的粗糙度可以达到肉眼不能分辨的程度。③堆积层性能控制。即利用结晶器内的循环水系统提高凝固速度，利用摩擦效应阻滞和破坏枝晶生长获取细晶效果，以及利用逐点同步铸轧有效降低应力集中风险。④层间结合状态控制。规定熔体的固相分数和温度范围以及结晶器移动的速度范围，就都是为了让后续熔体与前一堆积层表面接触时，有足够的热量和时间，通过界面互熔实现层间结合。5、采用本专利技术的方法，可直接制备出结构复杂，力学性能要求高的高速运载工具结构零部件，如金属整体壁板，且晶粒细小，内部缺陷少，结构致密，微熔铸加工为无模加工，同用3D打印相比为有模加工。同时，本专利技术所述的制备方法避免了重复高温制备金属构件的过程，大幅度降低了生产中的能量消耗；该工艺避免了材料过程中的切削，提高了产成品的收率；该方法提高了产品的致密度，确保了构件制品的冶金结构，提高了产品的力学性能，加工工艺成本低。本专利技术的方法特别适用于制备金属壁板，但也适于直接成型各种金属构件，特别是难以采用传统方法制造的形状复杂或需要异质结合的金属构件、在常温下难以成形加工的镁合金和钛合金构件，以及不得不采用粉末烧结才能成型的硬质合金构件。附图说明图1为本专利技术金属增材制造技术无膜成形工作过程示意图；图2a、图2b为本专利技术金属增材制造技术的锡铅合金整体壁板示意图；图3为本专利技术金属增材制造技术制备的锡铅合金火箭喷嘴示意图。具体实施方式下面通过具体实施方式，对本专利技术技术方案做进一步的详细描述。以下各实施例仅用于说明本专利技术，不应当构成对本专利技术保护范围的限定。本领域技术人员在现有技术范围内，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属材料增材制造成型方法，包括如下步骤：1）从熔炼炉内获取流动的液态材料，引入下方有出料口的中间流道；2）通过控制液态材料的温度和流动速度，使进入中间流道的液态材料逐渐转变为液固两相共存且其温度呈上高下低梯度分布的流体；3）将上述流体材料经出料口压入其下方与基板/结晶器或附着在其上的堆积层之间的开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；4）在与之接触的流体朝来流方向定向凝固的同时，使基板/结晶器以一定的速度和运动轨迹平行于出料口运动，带出凝固组织，为后续熔体腾出位置，并通过凝固组织与熔体之间的摩擦力抑制结晶前沿的金属枝晶的生长，重复步骤3），逐渐形成金属整体壁板特定方向的切向单层组织直至得到具有指定厚度和形状的优异组织的材料构件。

【技术特征摘要】
1.一种金属材料增材制造成型方法，包括如下步骤：1）从熔炼炉内获取流动的液态材料，引入下方有出料口的中间流道；2）通过控制液态材料的温度和流动速度，使进入中间流道的液态材料逐渐转变为液固两相共存且其温度呈上高下低梯度分布的流体；3）将上述流体材料经出料口压入其下方与基板/结晶器或附着在其上的堆积层之间的开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；4）在与之接触的流体朝来流方向定向凝固的同时，使基板/结晶器以一定的速度和运动轨迹平行于出料口运动，带出凝固组织，为后续熔体腾出位置，并通过凝固组织与熔体之间的摩擦力抑制结晶前沿的金属枝晶的生长，重复步骤3），逐渐形成金属整体壁板特定方向的切向单层组织直至得到具有指定厚度和形状的优异组织的材料构件。2.根据权利要求1所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：为制备出结构复杂，垂直于切向的厚度大于切向单层组织的厚度的金属构件，依据构件性能与精度的设计要求，设计待制造零部件的三维数字切分图形的切片方向与分切厚度，并设定基板/结晶器的运动轨迹，逐层加工和堆积上述凝固组织并使其层间界面实现良好的结合；基板/结晶器的运动速度控制在不超过0.5～20厘米/秒的范围。3.根据权利要求1或2所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：控制液态材料的温度和流动速度，使所述液态金属材料为流动性较好的流体，同时该流体有一定的粘度，能够使流体完美的成型；对于非共晶合金，控制其固相比例不超过35%；对于共晶合金，控制其出口处流体有一定的流动性。4.根据权利要求3所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：所述开放成型空间位于中间流道出料口的下方和基板/结晶器或附着在基板/结晶器表面上的堆积层的上方，其高度即堆积层厚度限制在毫...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗晓强，韩永军，李青彬，薛灵伟，胡小明，
申请(专利权)人：平顶山学院，
类型：发明
国别省市：河南,41