[發明專利]金屬構件移動微壓鑄成型方法

有效

• 申請號: 201310139419.0
• 申請日: 2013-04-22
• 公開（公告）號: CN103212689A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 陳光南;李正陽;彭青;王紅才;肖京華;羅耕星;張坤
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: B22D17/00
• 分類號: B22D17/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明涉及一種金屬構件移動微壓鑄成型方法。

背景技術

近些年發展起來的激光立體成型技術已在大尺寸薄壁鈦合金構件的直接制造和工程應用方面取得了重要進展。然而，該技術也存在明顯的局限性：首先，與常規制造方法相比，其制造成本高昂、加工效率較低，因而只能用于制造難以采用常規方法而又不惜工本的那類金屬構件；其次，它必須以金屬粉末為原料，并且對粉末的粒度有嚴格要求。過細，顆粒易于燒損，會降低粉末的利用率。過大，顆粒又可能熔化不充分不均勻，因而影響成型構件的性能。

電子束立體成型技術，其方法原理以及制造效果與激光立體成型技術相當，因此也存在上述同樣的局限性。此外，因電子束加工需要真空環境，這進一步限制了其應用范圍。

現代精密壓鑄技術也可以近凈成型或直接制造金屬結構，但對于復雜構件，特別是大而薄的薄壁構件，其成型能力有限。譬如，對于1mm和2mm厚的金屬薄壁構件，一個澆鑄口的最大壓鑄面積也只能分別達到大約100mm×100mm和100mm×200mm。對于更薄的薄壁構件，精密壓鑄的難度更大、能夠壓鑄的面積更小，甚至無法成功壓鑄。

噴射成型技術將金屬熔體霧化成微尺度液滴并令其高速撞擊基板，通過不斷地沉積并凝固成型金屬構件。該技術可成型大尺寸金屬構件，其成型效率也較高，但難以成型形狀復雜或尺寸精度要求高的金屬構件。因其總有一定的孔隙率，對于致密度和機械性能要求高的金屬構件，噴射成型后還須對其進行熱靜壓加工。

液滴成型技術目前尚處于研發狀態。該技術通過排列和堆積液滴成型金屬構件。其優勢是可以成型尺度小而形狀復雜的薄壁金屬構件。其不足是所制造的金屬構件的致密度、表面質量和機械性能尚無法比肩用常規技術制造的同材質構件。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種通過移動微壓鑄熔體直接成型金屬構件的方法，該方法直接采用金屬熔體，無需粉末或細絲，也無需激光或電子束等能源裝備，因此能夠低成本高效率實現復雜薄壁、特別是難成型金屬構件的直接制造。

本發明的一種金屬構件移動微壓鑄成型方法是：

1）利用計算機輔助設計（CAD）或實物掃描的方法建立欲制造構件的3D圖形數據庫，并依據構件性能與精度的設計要求，選擇圖形的切片方向與分切厚度以及與之相應的熔體壓鑄程序和運動軌跡；

2）在保護環境（如氮氣、氬氣或真空等）下，當結晶器（壓鑄基板）的指定部位，對準壓鑄頭出口、且二者之間距達到指定層片厚度（以微米尺度為宜）時，壓鑄頭以預定的流速和壓力，將熔體填充到其出口端部與結晶平臺之間的空間；

3）壓鑄頭以預定的速度和軌跡在結晶器上移動（也可以是壓鑄器不動而結晶器相對其移動），移出壓鑄頭內的熔體迅速凝固，壓鑄頭向其下方不斷產生的新的空間繼續填充并壓鑄熔體；

4）當壓鑄頭的移動軌跡填滿設定形狀時，一個厚度可達微米尺度（1微米到100微米）的金屬層片便成型完成；

5）然后，結晶器沿金屬層片的厚度方向上移動一個層片厚度，壓鑄頭開始執行下一層片的熔體壓鑄作業；如此往復，直至整個金屬構件成型完成。

優選地，所述壓鑄系統包括感應爐系統、調壓器和壓鑄頭；熔體的溫度以及對熔體所施加的壓力均采取閉環控制。壓鑄頭具有輸出管道，輸出管道外部設置有感應加熱器，輸出管道的內徑依據毛細原理設計，可確保僅有重力作用時熔體不會自然流出，但在有外加壓力作用的情況下，熔體能夠順暢穩定地輸出。這里的感應加熱器可在輸出管道內壁出現熔體凝固和熔體流動受阻時發揮作用。

優選地，所述微壓鑄，是指壓鑄層的厚度以限制在微米尺度為宜。

優選地，所述結晶器（壓鑄基板）上的壓鑄部位，是隨著壓鑄頭或結晶器的移動而連續移動的。結晶器可根據需求調節溫度。因此，所述方法可以通過調整熔體的流量、壓力、壓鑄層厚度、熔體的凝固速度以及壓鑄頭的移動軌跡，逐點逐層調控構件材料的組織形態（包括晶粒尺寸、相成分和界面結構等）、殘余應力狀態（包括大小與分布）和表面質量。

本發明不僅可以按設定的形狀和尺寸成型金屬構件，還能實現對能對其機械性能進行有效調控。

本發明適于直接成型各種金屬構件，特別是難以采用傳統方法制造的形狀復雜或需要異質結合的金屬構件、在常溫下難以成形加工的鎂合金和鈦合金構件，以及不得不采用粉末燒結才能成型的硬質合金構件。

附圖說明

圖1為本發明所采用的裝置結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明具體包括如下步驟：