[發(fā)明專利]一種非晶合金材料制備與成形一體化的3D打印方法及裝置

有效

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• 申請日: 2016-04-19
• 公開（公告）號: CN105728728B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設計）人: 吳文征;杜海東;郭曉鈺;王博凡;耿鵬;李桂偉;趙繼
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115;C22C45/00;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發(fā)明涉及微滴噴射增材制造與非晶合金制備技術領域，具體涉及一種非晶合金材料制備和結構成形一體化的3D打印方法及裝置。

背景技術

非晶合金兼有金屬和玻璃優(yōu)點，又克服了它們各自的弊病。現已開發(fā)出的塊體非晶合金材料體系有La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基等。因其優(yōu)異的力學、物理和化學性能，在工業(yè)生產、體育器材、生物醫(yī)學、消費電子領域得到了廣泛的應用。

3D打印是快速成形技術的一種，它運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過一層又一層的多層打印方式來構造零部件。金屬零件的3D打印方法，主要有激光選區(qū)燒結、激光選區(qū)熔化、電子速選區(qū)熔化、金屬沉積成形、噴墨3D打印、微滴噴射技術等。金屬零部件的近凈成形為解決工業(yè)裝備中難加工金屬構件的制造提供了一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術新途徑。

目前，塊狀非晶合金成形方法主要有水淬法、銅模鑄造法、高壓模鑄法、吸鑄法、壓鑄法等。非晶合金材料制備受冷卻介質熱傳導速率和自身玻璃態(tài)形成能力的影響，傳統方法制備非晶合金臨界尺寸僅達10余毫米。同時非晶合金材料具有的高硬度、高耐磨性與易脆性，使其很難利用機械加工技術獲得復雜的零件。現有的非晶合金3D打印基于選擇性激光熔融技術成形非晶合金粉末，該方法需要先制備均勻精細的非晶合金粉末，再利用高能束激光加熱熔融粉末成形，產生的高溫會使部分成形材料溫度超過過冷液態(tài)溫區(qū)，導致部分材料晶化、翹曲變形。現有方法技術不能同時實現非晶合金材料制備及復雜結構三維成形。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供一種非晶合金材料制備與成形一體化的3D打印方法及裝置，以解決傳統制備方法對塊狀非晶合金臨界尺寸的限制、非晶合金粉末選擇性激光熔融3D打印過程中產生晶化行為、翹曲變形的問題。

本發(fā)明采取的技術方案是，包括下列步驟：

（1）坩堝外環(huán)形加熱爐將晶態(tài)合金加熱至熔融狀態(tài)，調控半導體制冷裝置，設定沉積基板的溫度；

（2）建立要打印的非晶合金零件的三維模型，切片分層處理形成STL格式文件，通過控制金屬熔滴噴射頻率和運動平臺速度，按掃描路徑逐滴沉積成形；

（3）液氮噴管二和液氮噴管一位于中空旋轉平臺上，當噴射路徑發(fā)生改變時，中空旋轉平臺旋轉一定角度，保證金屬熔滴噴頭、液氮噴管二和液氮噴管一所在直線同運動平臺運動方向始終一致，金屬熔滴噴頭運動到指定位置后，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管將坩堝內熔融金屬經送料管壓至金屬熔滴噴頭處，熱電偶檢測熔融金屬溫度低于設定溫度時，環(huán)形加熱器啟動保證熔融金屬較好流動性，氣壓控制器9啟動，帶有壓力的惰性氣體推動活塞實現金屬熔滴噴射；

（4）打印非晶合金零件上打印點時，圓形轉盤帶動金屬熔滴噴頭、液氮噴管一和液氮噴管二首先下降至距離此打印點0.1-0.5mm處，高壓氮氣瓶通過液氮管位液氮噴管一和液氮噴管二提供液氮，液氮噴管二在這一點先噴射液氮使沉積基板環(huán)境冷卻，該打印點移動至金屬熔滴噴頭下方并噴射熔融金屬液滴，然后該打印點移動至液氮噴管一下方并在這一點再噴射液氮使沉積金屬液滴快速冷卻變至非晶態(tài)；

（5）按掃描軌跡以同樣方式完成一層噴射打印后，噴頭上升一個打印層厚度，重復上述步驟（3）-（4），最終完成非晶合金零件的制備及成形過程。

本發(fā)明所述非晶合金包括La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基非晶合金。

本發(fā)明所述沉積基板19的移動速度10-100mm/s，所設定的沉積基板溫度為零攝氏度到零下30攝氏度。

本發(fā)明所述步驟（3）設定液氮噴管二和液氮噴管一軸心連線與X軸正方向夾角α，0°<α<180°，α=0°時為初始位置，金屬熔滴噴射路徑與X軸正方向夾角β，當噴射路徑發(fā)生改變時，中空旋轉平臺22旋轉一定角度，使得α=β，保證金屬熔滴噴頭、液氮噴管二和液氮噴管一所在直線，同運動平臺運動方向始終一致。

本發(fā)明所述步驟（3）中惰性氣體壓力儲存瓶的壓力為0.8MPa。

本發(fā)明所述步驟（3）中氣壓控制器的調壓范圍為0-0.8MPa。

本發(fā)明所述步驟（4）中所述高壓氮氣儲存瓶的壓力為0.3-0.8MPa。