CN105238941A - 3d打印非晶合金成型技术 - Google Patents

Abstract

3D打印非晶合金成型技术利用液态非晶合金在特定的温度范围内，具有一定的流动性和粘稠性的特点，采用高频熔炉技术和非晶合金成型技术，通过3D打印装置将非晶合金液体扫描在导热良好的金属衬底表面固化成型。解决了现有非晶合金材料铸造成型技术存在的，难以铸造复杂形状产品问题及大型非晶合金铸件内部结构不均匀的质量问题。本发明不仅提高了非晶合金产品加工精度和加工效率，降低了加工成本，而且拓宽了非晶合金这种新材料的应用领域。可应用于航天、航空、机械制造、医药化工设备、精密仪器等装备制造领域。特别适合制造航空涡扇发动机叶片及船舶螺旋桨。因此，本发明属于硬质合金材料加工领域的3D打印技术。

Description

3D打印非晶合金成型技术

1、技术领域

本发明利用液态非晶合金在特定的温度范围内，具有一定的的流动性和粘稠性的特点，采用高频熔炉技术、通过3D打印装置将非晶合金液体扫描在具有恒温冷却功能的低熔点金属衬底表面固化后一次成型。解决了高硬度的非晶合金材料加工难度大的问题以及现有铸造成型技术不能解决的大型非晶合金铸件内部结构均匀一致的问题，并且提高了加工精度和加工效率，降低了加工成本，因此拓宽了非晶合金这种新材料的应用领域。可应用于航天航空、机械制造、医药化工设备制造等领域。因此，本发明属于硬质合金材料加工领域的3D打印技术。

2、背景技术

非晶金属是刚刚走出实验室的新材料，又称为液体金属、或玻璃金属。熔融状态的金属液体在极速(百万分之一秒)冷却状况下，金属液体中的原子因来不及移动形成有序晶格就以无序状态凝固成固体。这种固体被称之为非晶金属。由于非晶金属固体内部原子分布具有液体的特征，(也称为玻璃态特征)所以，非晶金属内部微观结构与普通金属内部原子有序排列构成晶格的微观结构迥异。这种金属内部原子分布状态的改变，直接导致金属性能发生了令人吃惊的变异。譬如，非晶金属不存在晶格，也就没有晶格之间的滑动和晶格缺陷，因而非晶金属没有普通金属的延展性。正因为非晶金属内部金属原子分布的处于微观无序状态，在宏观上反而获得了质地紧密、均匀、无结构性缺陷的玻璃态特性。这一特性决定了非晶金属具有普通金属难以媲美的刚性、韧性、弹性和化学稳定性。由于极速冷却方法不但成本高昂且很难获得大体积的非晶金属，通常这种方法只能用于制造薄片状或粉末状的非晶金属。

大体积的非晶金属又称大块非晶金属合金，简称非晶合金。现有的大块非晶合金制造技术是利用原子体积相差较大的几种金属，按照一定的配比混合，在加热熔融时，由于金属原子体积相差较大，在液态下定向移动困难，所以在凝固时难以组合形成有序晶格，从而获得大块非晶合金。因此，通过设计恰当的金属组分和配比，就可以在非极速冷却条件下，得到原子呈无序状态的大块非晶合金。非晶合金熔融为液体时，具有较好的流动性和填充性，并且在凝固时，与普通金属不同，它没有体积膨胀或缩小现象，非常适于通过精密铸造一次成型制造非晶合金产品。

由于非晶合金硬度较大，机械加工难度较大。现有加工技术通常是采用精密铸造一次成型制造产品。而对于形状复杂的金属部件，因现有铸造方法受模具限制，不能实现一次成型。而且难以解决大型铸件内部结构的均匀问题。将3D打印技术应用于非晶合金加工可以解决形状复杂的部件一次成型难题及大型部件内部结构的均匀问题。同时可省去模具，缩短了生产周期，提高了质量，降低了成本。

3、发明内容

3D打印非晶合金成型技术核心是采用具有快速熔化非晶合金的高频炉作为“圆珠笔”涂覆非晶合金液体，即将3D打印机原料变更为非晶合金液体。依此原理改装的3D打印机打印头具有熔化非晶合金和涂覆非晶合金液体的两种功能。

3D打印非晶合金成型技术设备包括非晶合金熔化系统和非晶合金成型系统。

非晶合金熔化系统包括：由惰性气体输送非晶合金粉料的进料装置和由高频炉构成的非晶合金熔化装置。

进料装置由进料仓、流化床、惰性气体气源构成。流化床解决了气体输送粉料的均匀和畅通问题。惰性气体一方面对非晶合金粉料起流体化输送作用，另一方面可以隔离空气，起保护作用，能够使非晶合金在高温熔化时，避免与空气接触发生氧化反应形成杂质。

高频炉构成的非晶合金熔化装置由高频电源、柔性导线、高频线圈、陶瓷套筒、陶瓷炉体、熔炼腔体、非晶合金液体导出通道、惰性气体导出通道、和位于非晶合金液体导出口端的陶瓷滚珠构成。高频炉可以快速熔化金属，满足打印所需的非晶合金液体供应。采用陶瓷套筒、陶瓷炉体、陶瓷滚珠可以承受高温和高频电场。利用熔炼腔体熔融非晶合金原料并储存一定量的非晶合金液体。使用柔性导线便于打印头移动时不影响高频电源输入。惰性气体出口位于非晶合金液体导出口处陶瓷滚珠两侧，利于形成保护气氛，避免非晶合金液体导出时与空气接触，发生氧化反应形成杂质，影响打印产品质量，同时具有一定的导热散热作用，可以加速非晶合金液体涂覆层的固化。采用陶瓷滚珠扫描涂覆非晶合金液体，可以防止非晶合金液体渗漏并保证非晶合金液体流出量恒定，使非晶合金液体涂层厚度精确、均匀，同时利于非晶合金液体快速固化，并且滚动扫描阻力较小，可以实现高速扫描打印。陶瓷炉体可以沿着陶瓷套筒垂直移动，可以在打印暂停时，将陶瓷滚珠缩回陶瓷套筒内加热保温，防止陶瓷滚珠表面非晶合金液体凝固，堵塞非晶合金液体涂覆通道或阻碍陶瓷滚珠滚动。

非晶合金成型系统包括：热油恒温装置、金属衬底、低熔点金属液体供应装置和程序扫描控制装置。

热油恒温装置可以控制金属衬底温度，当金属衬底温度高于低熔点金属熔点时，与金属衬底接触的低熔点金属完全熔化为液体，利于控制低熔点金属液体液面高度；当衬底温度低于低熔点金属熔点时，低熔点金属完全固化为水平支撑面，可作为涂覆下一层非晶合金液体的衬底。在第一层扫描结束时，低熔点金属液体供应装置按程序注入一定量的低熔点金属液体，升高了的低熔点金属液面与已打印的非晶合金持平，凝固后作为下一层扫描的衬底，直到逐层扫描全部完成。解决了打印复杂产品时产生的打印头扫描悬空，涂覆的非晶合金液体没有衬底支撑的问题。采用低熔点金属作为涂覆非晶合金液体的支撑面，因其导热良好利于非晶合金液体凝固。并且因其熔点远远低于非晶合金熔点，在打印完成后，将其熔化可以方便的将打印好的非晶合金产品从低熔点金属液体中捞出。金属衬底内部有热油循环通道，可以快速升温或降温。利于非晶合金液体冷却凝固，以及控制低熔点金属熔化或凝固。程序控制装置由微型计算机、程序软件、及打印头机械动作执行装置构成。程序控制装置在保证打印头按程序进行扫描涂覆非晶合金液体同时，对金属液体供应装置、热油恒温装置、高频炉内熔炼腔体温度、金属衬底温度实施同步控制。

4、附图说明

附图1是3D打印非晶合金成型技术设备结构示意图。

非晶合金熔化系统包括：由进料装置(1)和高频熔化装置(2)构成。进料装置(1)由进料仓(3)、非晶合金颗粒料(19)、流化床(4)、惰性气体气源(5)、柔性导管(6)和陶瓷进料导管(7)构成。高频熔化装置(2)由高频电源(8)、柔性导线(9)、高频炉打印头(10)构成。

非晶合金成型系统包括：热油恒温装置(11)、金属衬底(12)、低熔点金属液体供应装置(13)、非晶合金成型产品(16)、高频打印头三维移动导轨(17)、陶瓷滚珠(18)、低熔点金属(14)、打印仓(20)和程序控制装置(15)构成。

附图2是高频打印头(10)的中心轴向剖面图。

高频线圈(21)缠绕在高频炉陶瓷套管(22)外侧，高频炉体(23)内部空间是熔融室(24)其上方是插入的陶瓷进料导管(7)，在陶瓷进料导管(7)出口处左右各有一条气体排放通道(25)。熔融室(24)下方非晶合金液体(27)出口处为陶瓷滚珠(18)。陶瓷滚珠(18)左右各有一气体出口(26)。

附图3是成型衬底(12)示意图。

金属板(28)内部设有热油循环通道(29)，通道进口(30)和通道出口(31)与热油控温装置(11)热油出口和进口联通。

5、具体实施方式

利用现有工业3D打印机技术设备进行改造。将打印头更换为高频炉打印头(10)；供料系统更换为由进料仓(3)、非晶合金颗粒料(19)、流化床(4)、惰性气体气源(5)、柔性导管(6)和陶瓷导管(7)构成的进料装置(1)；增加由高频电源(8)、柔性导线(9)、高频炉打印头(10)构成的高频熔化装置(2)；增加由热油恒温装置(11)、金属衬底(12)、低熔点金属液体供应装置(13)、非晶合金成型产品(16)、高频打印头三维移动导轨(17)、陶瓷滚珠(18)、低熔点金属(14)、打印仓(20)和程序控制装置(15)构成的非晶合金成型系统。

优化实施方案为：采用以铝、锆、铜、锌、钛为主要成分的直径在微米级的非晶合金颗粒料(19)为原料。采用比重大于空气的氩气作为惰性气体气源(5)。采用耐高温耐高频电场的陶瓷制作导管(7)、高频炉套管(22)、高频炉体(23)、滚珠(18)。采用导热优良的铜或铜合金制作金属衬底(12)。采用熔点低于非晶合金颗粒料(19)的金属锡或其合金作为低熔点金属(14)。采用在保证打印头(10)按程序进行扫描涂覆非晶合金液体(27)同时，增加对进料装置(1)非晶合金颗粒料(19)流体流量、金属锡液体供应装置(13)的锡液流量、热油恒温装置(11)循环热油温度、高频线圈(21)功率、实施同步控制功能的程序控制装置(15)。采用直径1-5毫米陶瓷滚珠(18)，通过程序控制装置(15)控制逐层扫描涂覆的非晶合金薄层厚度约为0.2毫米。

主要工艺流程为：

＝＝》启动进料装置(1)，非晶合金颗粒料(19)经流化床(4)与惰性气体氩气(5)混合成为流体，经柔性导管(6)进入高频炉打印头(10)的陶瓷导管(7)，输送到熔融室(24)后氩气(5)与非晶合金颗粒料(19)分离，氩气(5)从熔融室(24)顶部进入气体排放通道(25)后，由高频炉体(23)底部的滚珠(18)两边的气体出口(26)排放到打印仓(20)内，非晶合金颗粒料(19)依据重力持续沉降在熔融室(24)。

＝＝》启动高频熔化装置(2)，通过柔性导线(9)向缠绕在高频炉陶瓷套管(22)外侧的高频线圈(21)通入高频电源(8)在熔融室(24)形成高频电场，使沉降在熔融室(24)的非晶合金颗粒料(19)快速熔化为液体储存在熔融室(24)底部。

＝＝》启动热油恒温装置(11)向金属衬底(12)内部的热油循环通道(29)通入温度略高于锡熔点的循环热油。

＝＝》启动金属液体供应装置(13)，向金属衬底(12)表面注入金属锡液体(14)，完全覆盖金属衬底(12)后，将循环热油温度降低至锡熔点以下，金属锡液体(14)凝固形成固体锡层。

＝＝》启动程序控制装置(15)的扫描程序，打印头(10)下降至陶瓷滚珠(18)接触金属衬底(12)表面固体锡层，沿着横向及纵向移动导轨(17)进行扫描，非晶合金液体(27)粘附在陶瓷滚珠(18)表面，随着陶瓷滚珠(18)的快速滚动扫描，涂覆在由金属锡液体(14)凝固形成固体锡层上面，非晶合金液体(27)遇冷后，温度迅速下降，瞬间凝固为厚度约0.2毫米的非晶合金薄层。该层扫描完毕时，陶瓷滚珠(18)随着高频炉体(23)回缩到高频炉套管(22)中，避免其表面非晶合金液体(27)凝固。

＝＝》将循环热油温度提高至锡熔点以上约摄氏50度，启动金属液体供应装置(13)，向金属衬底(12)表面注入金属锡液体(14)，使金属锡液体(14)液面升高约0.2毫米与已涂覆固化的非晶合金层持平，然后将循环热油温度降低至锡熔点以下，使金属锡液体(14)凝固形成固体锡层与处于同一平面的非晶合金薄层构成新的扫描平面。

＝＝》启动程序控制装置(15)的扫描程序，完成第二次扫描涂覆非晶合金液体(27)。然后再次注入金属锡液体(14)凝固形成固体锡层，与第二次扫描涂覆的非晶合金构成新的扫描平面，进行第三次扫描涂覆。逐层扫描以此类推，直到完成非晶合金成型产品(16)的打印。

＝＝》将循环热油温度提高至锡熔点以上约摄氏50度，直到打印仓(20)内金属锡完全熔化为液体(14)，将非晶合金成型产品(16)从金属锡液体(14)中捞出，检测后，成品入库。

Claims (10)

1.《3D打印非晶合金成型技术》利用液态非晶合金在特定的温度范围内，具有一定的的流动性和粘稠性的特点，采用高频熔炉技术和非晶合金成型技术，通过3D打印装置将非晶合金液体扫描在金属衬底表面固化成型，解决了非晶合金材料加工难度大的问题以及现有铸造成型技术存在的难以铸造复杂形状产品问题及大型非晶合金铸件内部结构不均匀的质量问题，其独有的与现有技术不同的技术特征是采用经改装的3D打印机打印头(10)具有熔化非晶合金(19)和定量涂覆非晶合金液体(27)的功能。

2.打印头(10)的高频线圈(21)缠绕在高频炉陶瓷套管(22)外侧，高频炉体(23)内部熔炼空腔是非晶合金颗粒料(19)熔融室(24)，陶瓷进料导管(7)在其上方插入，在熔融室(24)内位于陶瓷进料导管(7)出口处左右各有一条气体排放通道(25)，熔融室(24)内部下方非晶合金液体(27)出口端安装陶瓷滚珠(18)，惰性气体(5)出口(26)位于陶瓷滚珠(18)两侧。

3.高频炉体(23)可以在陶瓷套管(22)中移动，使陶瓷滚珠(18)伸出或缩进陶瓷套管(22)。

4.非晶合金成型系统包括：热油恒温装置(11)、金属衬底(12)、低熔点金属液体供应装置(13)、高频打印头三维移动导轨(17)、陶瓷滚珠(18)、低熔点金属衬底(14)、打印仓(20)和程序控制装置(15)。

5.非晶合金熔化系统包括：由进料装置(1)和高频熔化装置(2)构成。进料装置(1)由进料仓(3)、非晶合金颗粒料(19)、流化床(4)、惰性气体气源(5)、柔性导管(6)和陶瓷进料导管(7)构成，高频熔化装置(2)由高频电源(8)、柔性导线(9)、高频炉打印头(10)构成。

6.程序控制装置(15)在控制打印头(10)按程序进行扫描涂覆非晶合金液体(27)同时，对进料装置(1)、低熔点金属液体供应装置(13)、热油恒温装置(11)、高频炉熔融室(24)温度、低熔点金属衬底(14)温度实施同步控制。

7.包括但不限于采用高频炉(10)作为加热方式，使改装的3D打印机打印头(10)具有熔化非晶合金(19)和涂覆非晶合金液体(27)的功能。

8.打印头(10)包括但不限于采用陶瓷滚珠(18)方式扫描涂覆非晶合金液体(27)。

9.包括但不限于采用热油恒温装置(11)控制金属衬底(12)及低熔点金属衬底(14)温度。

10.包括但不限于采用低熔点金属衬底(14)作为打印头(10)扫描非晶合金液体(27)支撑平面。