[發(fā)明專利]一種金屬材料增材制造成型方法及裝置

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811138491.0
• 申請(qǐng)日: 2018-09-28
• 公開（公告）號(hào): CN109261940A
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅曉強(qiáng);韓永軍;李青彬;薛靈偉;胡小明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 平頂山學(xué)院
• 主分類號(hào): B22D23/00
• 分類號(hào): B22D23/00;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 鄭州金成知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 41121
• 代理人: 郭增欣

1.一種金屬材料增材制造成型方法，包括如下步驟：

1）從熔煉爐內(nèi)獲取流動(dòng)的液態(tài)材料，引入下方有出料口的中間流道；

2）通過(guò)控制液態(tài)材料的溫度和流動(dòng)速度，使進(jìn)入中間流道的液態(tài)材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐汗虄上喙泊媲移錅囟瘸噬细呦碌吞荻确植嫉牧黧w；

3）將上述流體材料經(jīng)出料口壓入其下方與基板/結(jié)晶器或附著在其上的堆積層之間的開放成型區(qū)間，并利用表面張力將其約束在該空間之內(nèi)；

4）在與之接觸的流體朝來(lái)流方向定向凝固的同時(shí)，使基板/結(jié)晶器以一定的速度和運(yùn)動(dòng)軌跡平行于出料口運(yùn)動(dòng)，帶出凝固組織，為后續(xù)熔體騰出位置，并通過(guò)凝固組織與熔體之間的摩擦力抑制結(jié)晶前沿的金屬枝晶的生長(zhǎng)，重復(fù)步驟3），逐漸形成金屬整體壁板特定方向的切向單層組織直至得到具有指定厚度和形狀的優(yōu)異組織的材料構(gòu)件。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料增材制造成型方法，其特征在于：為制備出結(jié)構(gòu)復(fù)雜，垂直于切向的厚度大于切向單層組織的厚度的金屬構(gòu)件，依據(jù)構(gòu)件性能與精度的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)待制造零部件的三維數(shù)字切分圖形的切片方向與分切厚度，并設(shè)定基板/結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)軌跡，逐層加工和堆積上述凝固組織并使其層間界面實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合；基板/結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)速度控制在不超過(guò)0.5～20厘米/秒的范圍。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬材料增材制造成型方法，其特征在于：控制液態(tài)材料的溫度和流動(dòng)速度，使所述液態(tài)金屬材料為流動(dòng)性較好的流體，同時(shí)該流體有一定的粘度，能夠使流體完美的成型；對(duì)于非共晶合金，控制其固相比例不超過(guò)35%；對(duì)于共晶合金，控制其出口處流體有一定的流動(dòng)性。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬材料增材制造成型方法，其特征在于：所述開放成型空間位于中間流道出料口的下方和基板/結(jié)晶器或附著在基板/結(jié)晶器表面上的堆積層的上方，其高度即堆積層厚度限制在毫米至微米尺度范圍內(nèi)；對(duì)于實(shí)現(xiàn)近凈或者凈成型的陶瓷構(gòu)件，所述開放空間的高度不超過(guò)100微米。

5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的金屬材料增材制造成型方法，其特征在于：為避免金屬熔體的表面被氧化，所有過(guò)程均在真空或者惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行。

6.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述金屬材料增材制造成型方法的金屬材料增材制造成型裝置，其特征在于：包括熔煉爐、中間流道、基板/結(jié)晶器以及保護(hù)氣氛裝置，其中熔煉爐用于提供流體材料，所述熔煉爐的出料口與中間流道的進(jìn)料口連接；所述中間流道的出料口下方設(shè)置基板/結(jié)晶器；保護(hù)氣氛提供裝置提供保護(hù)氣氛，用于保護(hù)所述液態(tài)材料從熔煉爐出口直至在基板/結(jié)晶器上冷卻成型的整個(gè)過(guò)程。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬材料增材制造成型裝置，其特征在于：所述基板/結(jié)晶器還包括能夠使基板/結(jié)晶器在x，y，z軸方向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件；所述基板/結(jié)晶器還包括水循環(huán)系統(tǒng)，所述水循環(huán)系統(tǒng)用于加快壓出出口的金屬材料流體的凝固速度，從而在基板/結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)時(shí)能有效利用摩擦效應(yīng)阻滯和破壞枝晶生長(zhǎng)，獲取細(xì)晶效果，以及利用逐點(diǎn)同步微鑄軋有效降低應(yīng)力集中。

8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的金屬材料增材制造成型裝置，其特征在于：所述熔煉爐包括攪拌裝置和溫度梯度控制系統(tǒng)；所述攪拌裝置為電磁攪拌裝置或機(jī)械攪拌裝置；所述中間流道還包括壓力控制系統(tǒng)，采用機(jī)械壓力控制系統(tǒng)或壓縮氣體壓力控制系統(tǒng)控制金屬熔體的壓力，將金屬熔體從出口壓入開放成型區(qū)間，并作用于熔體凝固的全過(guò)程。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬材料增材制造成型裝置，其特征在于：熔煉爐底部出料口的形狀和尺寸取決于堆積層的寬度，若其寬度為毫米尺度，出料口設(shè)計(jì)成相應(yīng)尺度的圓形；若其寬度大于毫米尺度，則出料口設(shè)計(jì)為方形，其短邊為毫米尺度、其長(zhǎng)邊對(duì)應(yīng)堆積層的寬度。