[發明專利]一種金屬材料增材制造成型方法及裝置

在審

• 申請號: 201811138491.0
• 申請日: 2018-09-28
• 公開（公告）號: CN109261940A
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 羅曉強;韓永軍;李青彬;薛靈偉;胡小明
• 申請（專利權）人: 平頂山學院
• 主分類號: B22D23/00
• 分類號: B22D23/00;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 鄭州金成知識產權事務所(普通合伙) 41121
• 代理人: 郭增欣

一種金屬材料增材制造成型方法，從熔煉爐內獲取流動的液態材料引入中間流道；通過控制液態材料的溫度和流動速度，使進入中間流道的液態材料逐漸轉變為液固兩相共存的流體；將上述流體材料壓入開放成型區間，并利用表面張力將其約束在該空間之內；在與之接觸的流體朝來流方向定向凝固的同時，使基板/結晶器以一定的速度和運動軌跡平行于出料口運動，帶出凝固組織，并通過凝固組織與熔體之間的摩擦力抑制結晶前沿的金屬枝晶的生長，重復所述過程，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異組織的材料構件。一種金屬材料增材制造成型裝置，包括熔煉爐、中間流道、基板/結晶器以及保護氣氛裝置。

技術領域

本發明涉及材料加工技術，具體涉及一種利用微熔鑄制備整體壁板類薄壁金屬材料構件的增材制造成型方法及裝置。

背景技術

金屬增材制造（也稱3D打印）技術可以直接成形結構復雜的金屬零件，縮短零件的制造周期，對于提升制造業的現代化水平和建立綠色經濟發展模式有重大意義，因此，相關研究一直受到科技界和工程界的高度重視。金屬增材制造技術是以金屬粉末或絲材為原料，通過高功率密度的點熱源（如激光、電子束等）熔化，然后通過將其逐點、逐層堆積而得到具有一定形狀的零件，之后通過快速冷卻以及必要的處理方法對零件的性能進行調整。金屬增材制造離不開金屬粉末或絲材的制備，這本身是一個比較復雜的過程，并且金屬粉末或絲材的性能直接或間接地影響了最終產品的性能金屬增材制造用激光、電子束熔化金屬粉末或絲材，能耗高。

基于此，一種新的金屬增材制造技術即金屬直接微熔鑄增材制造技術，將金屬熔體層層堆積直接成形零件，避免了金屬粉末或絲材的制備，不需要二次重熔，簡化了金屬增材制造技術的工藝流程；能耗低，工藝流程短。但金屬熔體系多相且其相成分在不斷變化的流體，熔體的粘度對溫度變化十分敏感，微熔鑄成形技術要求所使用的金屬熔體原料流動可控，層間形成良好的結合，這給微熔鑄技術的研究帶來了很大的困難。金屬半固態熔體相比液態金屬粘度高，鑄件組織致密、氣孔少；加工時變形抗力較小，可以在低能耗下生產形狀復雜的金屬零件；半固態熔體的偏析缺陷少，制品的力學性能可以顯著提升；金屬半固態初生相顆粒周圍富集的低熔點合金相重熔溫度低，層間易于形成熔化結合。半固態熔體凝固時間相比液態金屬熔體較短，生產效率較高。因此，金屬直接微熔鑄技術選擇金屬熔體以半固態形式進行零件成形。

2000年前后，Rice等提出了半固態無模成形方法，該方法把制作半固態熔體的坩堝出口直徑變為所需要的小尺度（約1mm），由距出口不遠處工作臺的三維運動拖動半固態熔體逐層堆積成形。Rice的半固態無模成形方法是將半固態熔體拖出，其晶粒形態和尺度主要取決于攪拌方式，熔體出坩堝后，晶粒無任何破碎。本方法則采用擠出熔體方法，熔體同基板接觸面積大，熔體凝固速度快，利于晶粒細化；微熔凝區內通過基板運動速度和基板到噴嘴水口的高度來調節冷卻速度，抑制晶粒生長，細化晶粒。

發明內容

本發明針對現有技術不足，提出一種整體壁板類金屬構件的增材制造成型方法及裝置。可以在很大程度上提高金屬產品加工的質量和效率。

本發明采用的技術方案：

一種金屬材料增材制造成型方法，步驟如下：

1）從熔煉爐內獲取流動的液態材料，引入下方有出料口的中間流道；

2）通過控制液態材料的溫度和流動速度，使進入中間流道的液態材料逐漸轉變為液固兩相共存且其溫度呈上高下低梯度分布的流體；

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

4）在與之接觸的流體朝來流方向定向凝固的同時，使基板（結晶器）以一定的速度和運動軌跡平行于出料口運動，帶出凝固組織，為后續熔體騰出位置，并通過凝固組織與熔體之間的摩擦力抑制結晶前沿的金屬枝晶的生長，重復步驟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異組織的材料構件。