一种多点逐层精注液体金属增材制造方法技术

本发明专利技术属于液体金属增材制造技术领域，具体涉及一种多点逐层精注液体金属增材制造方法。该方法将精炼的液体金属先注入大型保温炉，再分别精密定量地注入多个小型保温炉；在水冷导电结晶器成型段内设置抽拉盘；向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并以一定速度旋转；控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入液体金属，并在水冷导电结晶器的成型段形成厚度均匀的液体金属薄层；待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，将抽拉盘向下抽拉，从而带动超细晶化金属薄层向下移动；多次重复执行液体金属的注入、冷却和抽拉步骤，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的金属件。

A Manufacturing Method of Multi-point Layer by Layer Precision Injection Liquid Metal Addition

The invention belongs to the technical field of liquid metal additives manufacturing, in particular to a multi-point layer by layer precision injection method for liquid metal additives manufacturing. In this method, the refined liquid metals are first injected into large-scale heat preservation furnaces, and then precisely and quantitatively injected into several small-scale heat preservation furnaces, drawing discs are set in the forming section of water-cooled conductive crystallizer, liquid synthetic slag is injected into the water-cooled conductive crystallizer, which is heated by the conductive section of water-cooled conductive crystallizer and rotated at a certain speed, and multiple small heat preservation furnaces are controlled to inject at the same speed. Conditions include injecting liquid metal into water-cooled conductive crystallizer at the same time and forming a thin liquid metal layer with uniform thickness in the forming section of the water-cooled conductive crystallizer; after cooling the liquid metal layer for 1-2 minutes, the solidified ultra-fine crystallized metal layer is obtained, and the pulling disc is pulled downward, thus driving the ultra-fine crystallized metal layer to move downward; repeated execution of liquid metal injection is carried out for many times. In the steps of entering, cooling and drawing, the liquid metal thin layer solidifies layer by layer from bottom to top, forming ultrafine crystallized metal parts.

【技术实现步骤摘要】
一种多点逐层精注液体金属增材制造方法
本专利技术属于液体金属增材制造
，具体涉及一种能够制造超细晶金属件的多点逐层精注液体金属增材制造方法。
技术介绍
当前国内外生产机械工业用核心基础性零部件的方法主要包括铸锻方法和自耗电极电渣熔铸方法。其中，对于超长流程的铸锻生产方法，该方法是在使用6台120吨电弧炉及炉外精炼后，将720吨钢水一次性铸成直径3～4米600吨重钢锭，经5～6火在万吨锻压机上锻成200多吨成品件，再经复杂的热处理、机加工成成品。该方法是典型的减材制造过程，成材率30～40％，成品晶粒度不均、粗大，平均晶粒度最小为60μm，不能生产双金属零部件，锻件最大尺寸已到极限。对于自耗电极电渣熔铸方法，该方法在生产空心件时，质量优于实心件，晶粒较细，晶粒度可达8～10级。但是该方法存在以下问题：1、钢水铸成钢锭，再压力加工制造自耗电极，成本高、能耗高和生产周期长；2、生产巨型件时，中途多次更换电极；3、生产巨型件时金属熔池深(一般深度为直径的一半)，造成成分偏析、中间疏松，需要进一步压力加工；4、变性处理困难，需要在自耗电极上打孔压入变性剂，实际上行不通；5、生产高合金成分材料困难；6、不能生产优质的双金属复合件；7、熔池温度超金属液相线200～300℃。此外，对于当前国内外正在大力研发的3D金属粉末激光打印技术，其在生产金属零部件时存在以下问题：1、该技术实质是超长流程；2、该技术所用粉末是最典型的超长流程减材制造流程，从钢锭到合格粉末的成材率不到20％；3、5000℃以上激光逐层熔化粉末，造成金属凝固时巨大应力和相变应力；4、小时产量极低，生产巨型件周期极长；5、为了提高部件性能而提出的边打印边锻压的方式，使得3D打印变成压力加工。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提出一种多点逐层精注液体金属增材制造方法，以解决如何通过超短流程生产大型超细晶金属零部件的技术问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；步骤2、在内径不大于0.5米的水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入液体金属，并在抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的金属薄层向下移动；步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的单金属实心圆形件。进一步地，步骤1中，在小型保温炉中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性。进一步地，大型保温炉为大型气压式保温炉。此外，本专利技术还提出一种直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件，该单金属实心圆形件采用上述方法制造。此外，本专利技术还提出一种直径大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；步骤2、在内径不大于0.5米的第一水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向第一水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第一水冷导电结晶器的导电段加热并在第一水冷导电结晶器内以一定速度旋转；步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向第一水冷导电结晶器内注入液体金属，并在第一水冷导电结晶器的抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的金属薄层向下移动；步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的单金属实心圆形件；步骤6、在内径为0.7米～1.5米的第二水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘，将直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件作为芯轴，放置在第二水冷导电结晶器内的抽拉盘上；通过化渣炉向第二水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第二水冷导电结晶器的导电段加热并在第二水冷导电结晶器内以一定速度旋转；此时液体合成渣使直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件的表面处于熔融状态；步骤7、重复步骤3～步骤5，通过多个小型保温炉向第二水冷导电结晶器内注入液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径为0.7米～1.5米的单金属实心圆形件；其中，围绕布置在第二水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着第二水冷导电结晶器尺寸的增大而增加；步骤8、在内径为1.7米～2.5米的第三水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘，将直径为0.7米～1.5米的超细晶单金属实心圆形件作为芯轴，放置在第三水冷导电结晶器内的抽拉盘上；通过化渣炉向第三水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第三水冷导电结晶器的导电段加热并在第三水冷导电结晶器内以一定速度旋转；此时液体合成渣使直径为0.7米～1.5米的超细晶单金属实心圆形件的表面处于熔融状态；步骤9、重复步骤3～步骤5，通过多个小型保温炉向第三水冷导电结晶器内注入液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径为1.7米～2.5米的单金属实心圆形件；其中，围绕布置在第三水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着第三水冷导电结晶器尺寸的增大而增加。进一步地，该方法进一步包括，根据最终单金属实心圆形件的尺寸要求，多次执行将前一步骤所形成的超细晶单金属实心圆形件作为芯轴放置在更大尺寸内径的水冷导电结晶器内的抽拉盘上，向更大尺寸的水冷导电结晶器内注入液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，由此逐步扩大单金属实心圆形件的直径，直至形成超细晶化的满足尺寸要求的单金属实心圆形件；其中，围绕布置在水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着水冷导电结晶器尺寸的增大而增加。此外，本专利技术还提出一种直径大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件，该单金属实心圆形件采用上述方法制造。此外，本专利技术还提出一种直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：步骤1、将已储存液体金属的第一大型保温炉内的第一液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；步骤2、在内径不大于0.5米的水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入液体金属，并在抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的金属薄层向下移动；步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的单金属实心圆形件。...

【技术特征摘要】
1.一种直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；步骤2、在内径不大于0.5米的水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入液体金属，并在抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的金属薄层向下移动；步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的单金属实心圆形件。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，在小型保温炉中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大型保温炉为大型气压式保温炉。4.一种直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件，其特征在于，所述单金属实心圆形件采用如权利要求1～3任一项所述的方法制造。5.一种直径大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；步骤2、在内径不大于0.5米的第一水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向第一水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第一水冷导电结晶器的导电段加热并在第一水冷导电结晶器内以一定速度旋转；步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向第一水冷导电结晶器内注入液体金属，并在第一水冷导电结晶器的抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的金属薄层向下移动；步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的单金属实心圆形件；步骤6、在内径为0.7米～1.5米的第二水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘，将所述直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件作为芯轴，放置在第二水冷导电结晶器内的抽拉盘上；通过化渣炉向第二水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第二水冷导电结晶器的导电段加热并在第二水冷导电结晶器内以一定速度旋转；此时液体合成渣使直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件的表面处于熔融状态；步骤7、重复步骤3～步骤5，通过多个小型保温炉向第二水冷导电结晶器内注入液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径为0.7米～1.5米的单金属实心圆形件；其中，围绕布置在第二水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着第二水冷导电结晶器尺寸的增大而增加；步骤8、在内径为1.7米～2.5米的第三水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘，将所述直径为0.7米～1.5米的超细晶单金属实心圆形件作为芯轴，放置在第三水冷导电结晶器内的抽拉盘上；通过化渣炉向第三水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第三水冷导电结晶器的导电段加热并在第三水冷导电结晶器内以一定速度旋转；此时液体合成渣使直径为0.7米～1.5米的超细晶单金属实心圆形件的表面处于熔融状态；步骤9、重复步骤3～步骤5，通过多个小型保温炉向所述第三水冷导电结晶器内注入液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径为1.7米～2.5米的单金属实心圆形件；其中，围绕布置在第三水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着第三水冷导电结晶器尺寸的增大而增加。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括，根据最终单金属实心圆形件的尺寸要求，多次执行将前一步骤所形成的超细晶单金属实心圆形件作为芯轴放置在更大尺寸内径的水冷导电结晶器内的抽拉盘上，向更大尺寸的水冷导电结晶器内注入液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，由此逐步扩大单金属实心圆形件的直径，直至形成超细晶化的满足尺寸要求的单金属实心圆形件；其中，围绕布置在水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着水冷导电结晶器尺寸的增大而增加。7.一种直径大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件，其特征在于，所述单金属实心圆形件采用如权利要求5所述的方法制造。8.一种直径大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件，其特征在于，所述单金属实心圆形件采用如权利要求6所述的方法制造。9.一种直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1、将已储存液体金属的第一大型保温炉内的第一液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；步骤2、在内径不大于0.5米的水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入第一液体金属，并在水冷导电结晶器的内部拉抽盘上形成厚度均匀的第一液体金属薄层；其中，第一液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，第一液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；步骤4、待第一液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第一金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第一金属薄层向下移动；步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，第一液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第一金属实心圆形件；此时所述第一金属实心圆形件的上表面未完全凝固，处于熔融状态；步骤6、将已储存第二液体金属的第二大型保温炉内的第二液体金属分别精密定量地注入多个所述小型保温炉；步骤7、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入第二液体金属，并在所述第一金属实心圆形件的上部形成厚度均匀的第二液体金属薄层；其中，第二液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，第二液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；第二液体金属薄层与所述第一金属实心圆形件表面实现冶金复合；步骤8、待第二液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第二金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第二金属薄层向下移动；步骤9、多次重复执行步骤7和8，以抽拉盘为基准，第二液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第二金属实心圆形件，并与所述第一金属实心圆形件形成直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，在小型保温炉中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性。11.一种直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件，其特征在于，所述轴向双金属实心圆形件采用如权利要求9或10所述的方法制造。12.一种直径大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1、将已储存液体金属的第一大型保温炉内的第一液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；步骤2、在内径不大于0.5米的第一水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向第一水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第一水冷导电结晶器的导电段加热并在第一水冷导电结晶器内以一定速度旋转；步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向第一水冷导电结晶器内注入第一液体金属，并在第一水冷导电结晶器的内部抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的第一液体金属薄层；其中，第一液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，第一液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；步骤4、待第一液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第一金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第一金属薄层向下移动；步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，第一液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第一金属实心圆形件；所述第一金属实心圆形件的上表面未完全凝固，处于熔融状态；步骤6、将已储存第二液体金属的第二大型保温炉内的第二液体金属分别精密定量地注入多个所述小型保温炉；步骤7、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向第一水冷导电结晶器内注入第二液体金属，并在第一金属实心圆形件的上部形成厚度均匀的第二液体金属薄层；其中，所述第二液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，第二液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；第二液体金属薄层与所述第一金属实心圆形件表面实现冶金复合；步骤8、待第二液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第二金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第二金属薄层向下移动；步骤9、多次重复执行步骤7和8，以抽拉盘为基准，第二液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第二金属实心圆形件，并与所述第一金属实心圆形件形成直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件；步骤10、在内径为0.7米～1.5米的第二水冷导电结晶器的成型段内...

【专利技术属性】
技术研发人员：方崇实，黄永志，方钧，曹慎文，
申请(专利权)人：北京崇实至简增材技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11