CN104550960B - 应用冷床熔炼的金属增材制造方法及金属零件和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法及金属零件和应用，所述方法包括将原料金属通过冷床熔炼得到熔融金属，再将熔融金属按照预设轨迹，将熔融金属铺覆到预制坯的表面，然后对刚刚铺覆的尚处于良好塑性状态的金属进行热机械处理，这样逐层逐行地铺覆后进行热机械处理，并最后得到最终产品。所制备的零件具有良好的性能，熔融金属铺覆后的金属材料很快进行了搅拌摩擦加工等热机械处理，可以通过调整工艺参数，来调控零件不同位置的组织，从而获得双性能零件。
Description
技术领域
本发明涉及金属加工领域，具体的说，涉及一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法及金属零件和应用。
背景技术
增材制造技术(Additive manufacturing，AM)是指通过逐层增加材料的方式将数字模型制造成三维实体物件的过程，其基本特征是分层制造。在金属零件的制造方法中，以激光/电子束高能束流为热源的增材制造技术得到迅速地发展。常用的金属增材技术主要包括：电子束选区熔覆成形(Selective electron beam melting-SEBM)、电子束自由成形(Electron Beam Freeform Fabrication-EBFF)、激光选区熔覆成形(Selective lasermelting-SLM)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping-LENS)。基于高能束的金属增材技术制备的金属零件，均是通过高能束熔丝、熔粉，然后按照轨迹铺覆后使其快速凝固，从而制备出金属结构。
搅拌摩擦焊接(Friction Stir welding，简称FSW)技术是由英国焊接研究所(Thewelding Institute，简称TWI)发明的一项固相焊接技术。搅拌摩擦加工(FSP)是由美国密苏里大学的Mishra博士基于搅拌摩擦焊(FSW)原理提出一种用于材料微观组织改性和制造的方法。其基本思想是，利用搅拌头所造成加工区材料的剧烈塑性变形、混合、破碎和热暴露，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。目前已经采用该技术制备了晶粒尺寸为纳米级的细晶铝合金，其强度和塑性都得到很大提高。
冷床熔炼(简称CHM)是利用高速运动的电子束或等离子弧作为热源，将金属熔化成铸锭的一种真空熔炼设备。它由炉体、真空系统、枪(电子枪或等离子枪)、进料机构、坩埚及拉锭机构、供电系统、冷却系统、观察系统和控制系统等组成。冷床炉熔炼法与其它熔炼法最大的不同，就是有一个冷床，将熔化、精炼和结晶三个过程分开，液态金属首先滴入熔炼区进行熔化和初步精炼，再流入精炼区进行充分精炼，消除原料中可能混杂的高、低密度夹杂物，确保流入坩埚区熔液的纯净化，最后在水冷坩埚内冷凝成铸锭，随着熔化持续进行，凝固的铸锭在拉锭机构的作用下，不断从坩埚底部被拉出，最终形成一个整体铸锭。CHM技术最显著的优势是，在冷炉床床壁能形成凝壳，它能够捕捉如W、C、Mo、Ta等高密度夹杂物，同时，在精练区，低密度夹杂颗粒在高温液体中滞留时间延长，可以确保低密度夹杂颗粒的完全溶解，从而有效地去除夹杂缺陷。
现有常用的金属增材制造方法主要是基于高能束流(电子束或激光束)熔覆金属丝、金属粉末来制备零件，该方法得到的金属结构的组织是快速凝固组织，虽然晶粒得到细化，但是仍然是铸态组织。而金属铸态组织并不能满足一些关键结构件对组织和性能的综合需求，既无法满足对材料和结构高强韧、高疲劳、高损伤容限的需求。再加上有的方法在制备过程中需要保护气，容易在成形零件中造成不完全熔覆、气孔等缺陷。这些问题使得增材制造技术还不能应用于大部分关键结构件。
现有的激光束、电子束增材制造技术，对设备要求高，成本较高，这也是目前增材制造技术制造零件成本较高的一个原因。为了克服现有一些金属增材制造技术的不足，在提高成形零件性能的同时降低制造成本，并降低对增材制造设备的要求，需要一种新的金属零件的增材制造方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种新的金属增材制造方法，即一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法。
本发明的另一目的在于提供冷床熔炼在增材制造中的应用。
为达上述目的，一方面，本发明提供了一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法，所述方法包括将原料金属通过冷床熔炼得到熔融金属，再将熔融金属按照预设轨迹铺覆并同步进行热机械处理以形成预制坯，所述同步进行热机械处理是对刚刚铺覆后的处于塑性状态的金属进行热机械处理，这样逐层逐行地铺覆并同步进行热机械处理，最后得到最终产品。
其中优选在得到最终产品前还包括后处理的步骤；
其中所述后处理可以为现有技术常规的后处理操作，本发明优选所述后处理为数控加工和/或表面处理。
本发明将冷床熔炼应用于金属的增材加工，可以改善金属的组织形态。这种方法对原材料的要求低、效率高、成本低、制备的零件组织是均匀、性能稳定的热机械处理组织，对设备的要求低，可适用于制造各种航空航天用钛合金、高温合金、铝合金、高强钢零件。
其中可以理解的是，本发明可以通过调整工艺参数，来调控零件不同位置的组织，从而获得双性能零件。
也可以采用一种金属原材料熔炼+热机械处理后，继续对另一种原材料进行熔炼+热机械处理，从而制备出双材料零件，也可以用来制备层状复合材料。
其中还可以理解的是，为了加工的方便，可以将熔融金属按照预设轨迹铺覆到基板上，然后立刻对刚刚铺覆的尚处于良好塑性状态的金属进行热机械处理，从而逐层逐行地成形出预制坯。
本发明提出基于冷床熔炼的方法来熔覆金属，然后对熔覆的尚未处于良好塑性状态的金属立刻进行搅拌摩擦加工等热机械处理，使其发生热机械变形，细化晶粒，改善其组织状态，提高其力学性能，最终制备出高性能的金属零件。
其中所述热机械处理可以为现有技术常规的热机械处理，譬如可以为轧制、搅拌摩擦加工或者锻造；
其中优选的是搅拌摩擦加工；
本发明发现搅拌摩擦加工可以更好的对金属组织结构进行改善。
技术常规的设备，其中本发明优选的为所述冷床熔炼的冷床设置两只熔炼枪；
其中所述熔炼枪可以为电子束熔炼枪或者等离子熔炼枪。
两只熔炼枪的功率可以根据加工需要来确定，本发明为了提高加工效率及产品质量，优选的为，两只熔炼枪的功率从靠近冷床送料端起分别为2kw～10kw和0.5kw～3kw。
其中还可以优选分别为3kw和1kw。
其中靠近送料端的熔炼枪用于将冷床上的金属熔化，远离送料端的熔炼枪用于在金属溶液从冷床上滴下时对其进行加热，以防止其在铺覆到预制坯上之前凝固。
根据本发明的方法，本发明的方法可以进一步优选具体包括如下步骤：
(1)将原料金属通过冷床的送料装置传送到水冷床上；
(2)开启熔炼枪对原料金属进行熔炼，形成熔融金属；
(3)熔融金属流经水冷床，按照预设轨迹铺覆并同步进行热机械处理以形成到预制坯上，所述同步进行热机械处理是并对刚刚铺覆后的尚处于良好塑性状态的金属进行热机械处理，这样逐层逐行地铺覆金属并同步后立刻进行热机械处理，得到预设形状的预制坯；
(4)对步骤(3)得到的预设形状的预制坯进行后处理，得到最终产品。
其中步骤(4)所述后处理可以为现有技术常规的后处理操作，譬如本发明可以为数控加工和/或表面处理。
根据本发明所述的方法，所述热机械处理为轧制、搅拌摩擦加工或者锻造；
其中优选所述搅拌摩擦加工为有针搅拌摩擦加工或者无针搅拌摩擦加工。
其中可以理解的是，本发明所述的预制坯，可以认为是在熔融金属铺覆和热机械处理过程中所形成的预制坯，甚至在铺覆和热机械处理结束后所形成的也可称为预制坯；
其中包括在开始阶段将熔融金属按照预设轨迹铺覆和热机械处理在基板上，然后再逐层铺覆和热机械处理得到中间状态的预制坯，直至铺覆结束得到与最终产品大致相当的最终状态的预制坯；
当严格控制铺覆和热机械处理的精度时，甚至最终状态的预制坯可与最终产品接近于一致，只需进行少量的数控加工等后续加工，既可以获得最终形状的零件，加工余量一般只有0.5mm～1mm，甚至更少。
其中本发明的方法还可以进一步具体包括：
(1)将原材料1加入到送料斗2中，原材料可以是块材、粉末、板材以及各种形式的金属材料的边角料；
(2)原材料1经由送料斗2被传送到水冷床3上；
开启高能束熔炼枪一5、高能束熔炼枪二6，对原材料1进行熔炼，形成熔融金属7；
(3)熔融金属7流经水冷床3，按照轨迹铺覆到预制坯9(即将熔融金属按照预设轨迹铺覆并同步进行热机械处理以形成的预制坯)上，立刻采用热机械处理头8对刚刚铺覆的尚处于良好塑性状态的金属进行热机械处理，改善其组织和性能；
(4)在数控程序控制下，熔融金属7和热机械处理头8按照一定的轨迹进行铺覆和加工处理，在将熔融金属铺覆到预制坯9(中间状态的预制坯)上之后，立刻采用热机械处理头8对其进行热机械处理，从而逐层逐行地铺覆出具有各种形状的预制坯9(最终状态的预制坯)；
(5)将成形后的预制坯进行数控加工、表面处理等处理，加工出最终零件。
本发明的方法适于本领域各种金属的增材制造，本发明将以钛合金作为实施例进一步加以详细说明。
另一方面，本发明还提供了本发明所述方法制造得到的金属零件。
其中优选所述金属零件为钛合金、高温合金等金属零件。
所述零件可以为本领域任意形状的金属零件。
经过本发明所提供方法得到的金属零件均匀性好，纯度高。
又一方面，本发明还提供了冷床熔炼在增材制造中的应用。
综上所述，本发明提供了一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法及金属零件和应用。本发明的方法具有如下优点：
(1)制备的零件具有良好的性能，熔融金属铺覆后的金属材料很快进行了搅拌摩擦加工等热机械处理，可以通过调整工艺参数，来调控零件不同位置的组织，从而获得双性能零件。也可以采用一种金属原材料熔炼+热机械处理后，继续对另一种原材料进行熔炼+热机械处理，从而制备出双材料零件，也可以用来制备层状复合材料；
(2)制备周期短，效率高，与铸造后进行轧制或锻造，以及采用工艺路线复杂的粉末法相比较，在一个概念验证装置中，一个工艺循环中同时实现了熔炼+铸造+热机械处理，效率较高；
(3)与传统的锻造工艺相比较，该工艺不需要大型的锻压设备。而传统的锻造工艺甚至需要5万吨以上的大型设备；
(4)与传统的增材制造相比较，甚至不需要后续的热等静压工艺，因为铺覆的金属经过液态凝固后立刻进行热机械处理，层间结合紧密，组织致密；
(5)成份均匀性好，纯度高。采用冷床熔炼的方法熔炼金属，使得高合金成分的合金具有较高的纯净度，在凝固时的偏析得到很好的控制；
(6)材料利用率高，可以实现近净成形；
(7)可以方便地实现对零件的修复。
附图说明
图1是采用冷床熔炼/热机械处理成形零件的原理图；
其中1为原材料、2为送料斗、3为水冷床、4为冷却水、5为高能束熔炼枪一、6为高能束熔炼枪二、7为熔融金属、8为热机械处理头、9为预制坯；
图2是电子束冷床熔炼/搅拌摩擦加工后的TC4合金组织；其中(a)为熔炼后凝固的组织、(b)为熔炼/搅拌摩擦加工后的组织；
图3是熔覆/搅拌摩擦加工后TC4合金的性能。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
如图1所示，采用冷床熔炼/热机械处理成形零件的具体工艺过程如下：
(1)将TC4原材料1加入到送料斗2中，原材料是板材的边角料，
(2)TC4原材料1经由送料斗2被传送到水冷床3上，
(3)开启电子束熔炼枪一5、电子束熔炼枪二6，对原材料1进行熔炼，熔炼功率分别为3kw、1kw，熔炼温度为1800℃，形成熔融金属7，
(4)熔融金属7流经水冷床3，按照预设轨迹，铺覆到基板上，然后对立刻同步采用无针搅拌头8对刚刚铺覆的尚处于良好塑性状态的金属进行搅拌摩擦加工，改善其组织和性能。其中搅拌头转速为200转/分钟，移动速度为60毫米/分钟，熔融金属铺覆并同步热机械处理后形成预制坯9，
(5)在数控程序控制下，熔融金属7和无针搅拌头8按照预设轨迹不断的铺覆到预制坯9上，并在铺覆后立刻同步进行搅拌摩擦加工，从而逐层逐行地成形出具有各种形状的最终状态的预制坯，
(6)将成形后的最终状态的预制坯进行数控加工、表面处理等处理，加工出最终零件。
本实施例的电子束冷床熔炼/搅拌摩擦加工后的TC4合金组织如图2所示，由图可知，与原始组织状态相比较，经过搅拌摩擦加工等热机械处理后可以大大改善钛合金的组织状态，获得了等轴细晶组织。图3是熔覆/搅拌摩擦加工后TC4合金的性能，其中三条曲线分别表示三个试样的应力-应变曲线，极限拉伸强度达到1093MPa，延伸率一般也超过了10％。
实施例2：
(1)将Ti-48Al-2Cr-2Nb原材料1加入到送料斗2中，原材料是板材的边角料，
(2)Ti-48Al-2Cr-2Nb原材料1经由送料斗2被传送到水冷床3上，
(3)开启等离子束熔炼枪一5、等离子束熔炼枪二6，对原材料1进行熔炼，熔炼功率分别为2.5kw、0.8kw，熔炼温度为1450℃，形成熔融金属7，
(4)熔融金属7流经水冷床3，按照预设轨迹，铺覆到基板上，然后立刻采用无针搅拌头8对刚刚铺覆的尚处于良好塑性状态的金属进行搅拌摩擦加工，改善其组织和性能。其中搅拌头转速为150转/分钟，移动速度为30毫米/分钟，从而使得熔融金属在铺覆并同步热机械处理后形成预制坯9；
(5)在数控程序控制下，熔融金属7和无针搅拌头8按照预设轨迹进行铺覆和搅拌摩擦加工，从而逐层逐行地成形出具有各种形状的最终状态的预制坯，
(6)将成形后的最终状态的预制坯进行数控加工、表面处理等处理，加工出最终零件。
Claims (14)
1.一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法，其特征在于，所述方法包括将原料金属通过冷床熔炼得到熔融金属，再将熔融金属按照预设轨迹铺覆并同步进行热机械处理以形成预制坯，所述同步进行热机械处理是对刚刚铺覆后的处于塑性状态的金属进行热机械处理，这样逐层逐行地铺覆并同步进行热机械处理，最后得到最终产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到最终产品前还包括后处理的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述后处理为数控加工和/或表面处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热机械处理为轧制、搅拌摩擦加工或者锻造。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工为有针搅拌摩擦加工或者无针搅拌摩擦加工。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工的搅拌头转速为100～800转/分钟，搅拌头移动速度为30～120mm/分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔炼温度为1300℃～1800℃。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的方法，其特征在于，所述冷床熔炼的冷床设置两只熔炼枪。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述熔炼枪为电子束熔炼枪或者等离子熔炼枪。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，两只熔炼枪的功率从靠近冷床送料端起分别为2kw～10kw和0.5kw～3kw。
11.根据权利要求1～7任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)将原料金属通过冷床的送料装置传送到水冷床上；
(2)开启熔炼枪对原料金属进行熔炼，形成熔融金属；
(3)熔融金属流经水冷床，按照预设轨迹铺覆并同步进行热机械处理以形成预制坯，所述同步进行热机械处理是对刚刚铺覆后的处于塑性状态的金属进行热机械处理，这样逐层逐行地铺覆金属并同步进行热机械处理，得到预设形状的预制坯；
(4)对步骤(3)得到的预设形状的预制坯进行后处理，得到最终产品。
12.权利要求1～11任意一项所述方法制造得到的金属零件。
13.根据权利要求12所述的金属零件，其特征在于，所述金属零件为钛合金、高温合金金属零件。
14.冷床熔炼在增材制造中的应用。
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