[發(fā)明專利]一種大型金屬零件的增材制造方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811001839.1
• 申請日: 2018-08-30
• 公開（公告）號: CN109014200B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發(fā)明（設計）人: 曾曉雁;曹嘉明;高明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F5/10;B22D19/00;B22D27/11;B33Y10/00;B33Y50/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本發(fā)明屬于增材制造領域，并具體公開了一種大型金屬零件的增材制造方法及裝置，其首先使用增材制造技術，按照零件的數(shù)據(jù)模型進行切片處理，然后提取各層的輪廓數(shù)據(jù)，生成輪廓的沉積路徑，在基板上制作具有一定厚度和深度的金屬腔體，然后再將熔煉好的金屬注入金屬腔體內，待其凝固或為半凝固狀態(tài)時，對零件進行軋制處理，完畢后繼續(xù)在零件上沉積新的金屬腔體，不斷重復上述步驟直至完成整個零件。本發(fā)明解決了當前大型金屬零件整體采用增材制造工藝效率不足、容易開裂，采用鑄造工藝存在縮松、縮孔等缺陷，工序復雜、周期過長等缺點，采用鍛造工藝存在鍛壓機噸位限制、周期過長等缺點，可以快速、低成本制造高性能的金屬零件。

技術領域

本發(fā)明屬于增材制造領域，更具體地，涉及一種大型金屬零件的增材制造方法及裝置。

背景技術

目前，大型金屬零部件的制造方法主要有鍛造、鑄造、機械加工等，或使用鍛造、鑄造工藝將零件分段成形，再輔以焊接工藝或者機械連接成整個零件。經(jīng)過多年的發(fā)展，國內外鑄造工藝和大型鍛壓設備取得長足的發(fā)展，所加工的金屬零件無論從體積或質量均不斷提高。但是，大形零件在鑄造過程中易產(chǎn)生疏松、縮孔、夾雜等缺陷；鍛造大型零件時存在鍛壓機噸位不足、模具加工費用過高等，再加上制造工序繁瑣、加工周期過長等問題，長期困擾著相關裝備的制造，已成為限制行業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸。以核電主管道為例，使用自由鍛造工藝加工時，首先采用實心毛坯進行鍛造，然后再通過鏜孔成形管道結構，主管道零件成品重量僅為9噸左右，而所采用的鋼錠重量則達到70噸至100噸。超低的材料利用率以及超大的加工量導致成本高昂，且交貨期往往長達一年，甚至更長。因此，如何快速、高質量、低成本的完成大型零部件的制造是本領域亟待解決的問題。

增材制造技術是隨著計算機圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光、機電、材料、焊接等技術的發(fā)展而出現(xiàn)的一種全新的制造技術。它是基于零件的三維模型分層切片數(shù)據(jù)，利用特殊的能量源將填充材料熔化，堆積成所希望形狀零件的技術。與傳統(tǒng)的加工方法相比，增材制造技術無需模具，成形后只需要少量機械加工甚至不需要加工就可以完成零件的制造，可制作傳統(tǒng)工藝無法加工的復雜零件。因此，具有非常明顯的技術優(yōu)勢。

當前，金屬增材制造技術主要有激光選區(qū)熔化技術、激光熔化沉積技術、電弧熔絲增材制造技術、電子束增材制造技術等，均可快速獲得高致密度、高性能的零件，顯著縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。增材制造技術因其所展現(xiàn)的技術優(yōu)勢，已在航空、航天、機械、醫(yī)療等行業(yè)取得了實際應用，在制造業(yè)中擁有廣闊的應用前景，給大型金屬零件的制造帶來了無限的想象空間。但是，上述技術在面對數(shù)百公斤乃至數(shù)噸重的大型零件時，其加工周期動輒一個月，甚至耗時一個季度，顯然無法滿足當前的行業(yè)需求。因此，如何顯著提高大型構件以及超大型構件的增材制造效率，成為決定該技術生命力的關鍵所在。

目前主要有以下技術方案：例如，CN103212695A公開的一種基于金屬3D打印的新型異種材料復合鑄造方法，該方法使用3D打印技術制作復雜形狀的且具有空腔的薄壁零件，然后往空腔內注入熔煉好的金屬，待填充金屬冷卻后形成整個零件。該方法在一定程度上提高了零件的加工效率，然而該方法采用的是一次鑄造成形，在制作大型復雜零件時，容易產(chǎn)生縮松、縮孔、偏析等缺陷，同時3D打印薄壁零件金屬壁的激冷作用也增加了冷隔缺陷產(chǎn)生的機率。此外，該方法加工的零件為鑄造組織，零件的綜合性能不高，無法加工對使用性能有較高要求的零件(如核電管道等)。再如，CN101817121A公開的零件與模具的熔積成形復合制造方法及其輔助裝置，其使用3D打印技術逐層沉積填充材料，同時在熔融軟化的區(qū)域使用微型軋輥對熔積區(qū)進行擠壓，最終獲得高性能的零件。然而該方法中零件采用整體熔積成形，大面積的熔積填充材料，導致熔積成形周期過長，在加工大型零件時，其效率仍然無法滿足加工要求。

綜上所述，現(xiàn)有的增材制造技術以及增材制造技術結合鑄造或鍛造技術的復合制造方法在加工大型金屬零件時，無法真正意義上的同時實現(xiàn)高性能、高效率的制造。因此，研究發(fā)明一種大型金屬零件的高效、高性能、低成本的制造方法具有重要意義。

發(fā)明內容