[發明專利]基于電子束熱絲熔絲增材制造的裝置

有效

• 申請號: 201811291854.4
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109514068B
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 周琦;郭順;徐俊強;喻嘉熙;王克鴻;李澤宇;曹嘉鋮;馮曰海;彭勇;薛鵬
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B23K15/00
• 分類號: B23K15/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發明公開一種基于電子束熱絲熔絲增材制造的裝置，該裝置包括：電子槍，該電子槍包括產生電子束的燈絲、燈絲下方的陰極、陰極下方的柵極、柵極下方的陽極、陽極下方的聚焦線圈以及聚焦線圈下方的偏轉線圈，該電子槍置于電子槍真空室中；所述的電子槍真空室置于真空成形室頂部，并通過電子氣閥實現與真空成形室相連通以及隔絕；所述的電阻加熱系統包括置于真空室中工作平臺上的大厚度基板、可以實現升溫的電阻絲和電阻絲加熱控制裝置，用于溫度測量的熱電偶。本發明的裝置實現零件良好的表面成型以及微觀組織的均勻性。本發明的裝置能夠改變材料內部應力分布，減少基板變形。

技術領域

本發明屬于增材制造技術領域，具體涉及基于電子束熱絲熔絲增材的制造裝置。

背景技術

金屬增材制造技術是基于三維數字模型，利用計算機輔助技術實現平層切片、路徑規劃，并采用相應的數控技術實現金屬粉末或絲材堆積制造得到完整實體零件的技術。該技術涵蓋技術領域多，應用范圍廣，被譽為第三次工業革命中數字化制造的重要標志。現在較為成熟的技術增材制造技術包括激光選區熔化技術（SLM）、電子束選區熔化技術（EBSM）、電子束熔絲沉積技術（EBFF）和激光立體成形技術（LSF）、電弧熔絲增材制造技術(WAAM)等。電子束熔絲沉積技術因其沉積環境處于真空環境中，材料成型美觀，不易產生氧化缺陷，且電子束熱源集中，熱輸入量大，熔絲增材速度較快，生產效率高。因此，電子束熔絲沉積技術廣泛應用于航空航天領域的鈦合金及易氧化金屬的整體構件制造。

目前，電子束熔絲沉積技術較為成熟，但成形零件組織均勻性較差，極易出現成分偏析、組織偏析等現象。實質上，電子束熔絲沉積過程是一個微鑄造過程，熔池通過“點-線-面”的過程實現零件制造。在電子束熔絲沉積過程中，零件與周圍環境的熱交換主要是通過輻射傳熱的方式進行，隨著沉積層數增加，零件溫度與周圍環境溫度不斷升高，熱量不斷累計，從而導致基板紅熱、層間溫度過高。這就會導致金屬沉積過程流動性增加，靠近邊緣區域出現“流淌”現象，零件單層表面凹凸不平，減重的降低了零件表面質量，增加了加工難度。

在沉積過程中，其冷卻過程是一個瞬態非平衡過程，極易出現針狀脆性組織；隨著堆積層數增加，沉積層經過重復加熱以及冷卻過程，晶粒在該過程中不斷長大，成分發生明顯偏析。這不僅造成了組織的不均勻性，無法獲得想要的組織形貌，且嚴重降低了零件的力學性能，降低零件服役時間，增加零件失效概率。另一方面，增材制造過程是一個重復焊接過程，零件整體溫度分布不均勻會導致材料的出現較大的焊接應力，裂紋極易在這些位置萌生，從而降低了零件整體性能。因此，在電弧增材制造過程中，合理的控制組織演變，消除殘余內應力是改善零件力學性能的關鍵途徑之一。

發明內容

針對目前面臨的技術難題，本發明公開了一種基于電子束熱絲熔絲增材制造的裝置。

實現本發明目的提供一種基于電子束熱絲熔絲增材制造的裝置。

該裝置包括：電子槍、送絲系統、電子槍真空室、真空成形室、工作位移平臺、電阻加熱系統、伺服控制系統，所述的電子槍包括產生電子束的燈絲、燈絲下方的陰極、陰極下方的柵極、柵極下方的陽極、陽極下方的聚焦線圈以及聚焦線圈下方的偏轉線圈，該電子槍置于電子槍真空室中；所述的電子槍真空室置于真空成形室頂部，并通過電子氣閥實現與真空成形室相連通以及隔絕，電子槍真空室與真空成形室置均通過真空系統來實現需要的真空度；所述的工作位移平臺置于真空成形室中，可知是真空成形室內設有通過豎直導軌實現豎直Z軸方向運動的承載平臺、實現水平面XY軸方向運動的工作位移平臺以及伺服控制系統；所述的送絲系統包括放置在真空成形室外的送絲機構及絲材、固定在真空成形室內的送絲槍及夾持工裝；所述的電阻加熱系統包括置于真空成形室內的工作位移平臺上的大厚度基板、實現升溫的電阻絲和電阻絲加熱控制裝置，以及用于溫度測量的熱電偶。

進一步的，電阻加熱系統中，電阻絲加熱控制裝置與電阻絲分離，加熱結構置于真空成形室內，電阻絲加熱控制裝置于真空成形室外。