CN109202084B - 阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装备及方法 - Google Patents

阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装备及方法 Download PDF

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Abstract

一种阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装备及方法，包括：设置于常压腔内的带有阵列式喷嘴的液态喷铝机构和位于液态喷铝机构下方的设置于真空腔内的活动冷凝机构以及控制机构，其中：控制机构分别向释放机构发出上引指令，向活动冷凝机构发出三维移动指令，从而实现液态喷铝机构中的铝液根据预设路径以连续阵列液流的形式喷射至活动冷凝机构的表面并快速冷凝形成铸锭；本发明生产效率高，可以制备超大尺寸铝合金铸锭，凝固组织为全等轴晶，且无宏观偏析。

Description

阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装备及方法
技术领域
本发明涉及的是一种冶金领域的技术，具体是一种阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装备及方法。
背景技术
半连续铸造是工业上常规采用的大尺寸铝合金锭的制造方法，主要包括两种方式：一种是热顶铸造，另一种是直接激冷铸造。热顶铸造的优点是浇铸过程液面平稳，但在铸锭中心产生较深的液穴，凝固组织中含有大面积柱状晶区，从铸锭中心到边部宏观偏析严重，且有较高的内应力残留，铸锭易开裂，成材率低，不适用于高合金含量铝合金铸锭的生产。直接激冷铸造的优点是可很大程度上减少铸锭中心处液穴的深度，进而减轻铸锭的宏观偏析和内应力；但是在浇铸过程中液面不平稳，容易卷渣，柱状晶区也难以避免。因此，应用常规工艺制备均质性好的大尺寸铸锭极为困难。
增材制造改变了铝液大体积凝固的铸造模式，通过微元区域的连续熔融和叠加制备大尺寸铸锭，避免了液穴形成，同时冷却速度的提升有利于形成全等轴晶组织，克服了常规铸造方法的一系列缺点。当前代表性的方法主要是喷射成形和选择性激光重熔。喷射成形可以用于制备无宏观成分偏析的铸锭，但该方法制备的铝锭气孔率高、组织不致密且氧化严重。选择性激光重熔方法不存在上述问题，凝固组织较理想，但是制备效率低，所需时间长，成本高企，难以大规模应用于工业大型铸锭生产。现有技术中有采用磁场控制带电金属液滴直接沉积成型的金属微滴增材制造方法，但金属液滴成型效率低下，不可能用于大型铸锭的生产。当前也尚没有通过产生负压使大体积熔体经喷射形成稳定连续金属液柱并快速冷凝形成大型、异形且具有无偏析全等轴晶组织铸锭的方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装备及方法，通过产生负压使大体积熔体经喷射形成稳定连续金属液柱，通过对多个喷嘴进行阵列式的排布设计，使大体积铝液均匀分散形成数十乃至数百股连续液流，结合下方快速冷凝台的三维运动，实现薄层铝液的大面积铺展并通过连续凝固形成铸锭。该方法生产效率高，可以制备超大尺寸铝合金铸锭，凝固组织为全等轴晶，且无宏观偏析。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：设置于常压腔内的带有阵列式喷嘴的液态喷铝机构和位于液态喷铝机构下方的设置于常压腔内的活动冷凝机构以及控制机构，其中：控制机构分别向释放机构发出上引指令，向活动冷凝机构发出三维移动指令，从而实现液态喷铝机构中的铝液根据预设路径以连续阵列液流的形式喷射至活动冷凝机构的表面并快速冷凝形成铸锭。
所述的常压腔上设有与控制机构相连的真空泵，通过真空泵以进一步调节内部气压。
所述的常压腔与惰性气源相连，以向其内部提供惰性气体保护。
所述的液态喷铝机构包括：释放机构、铝液腔以及阵列式喷嘴，其中：阵列式喷嘴设置于铝液腔的底部，释放机构与控制机构相连以控制铝液的喷射过程的开闭。
所述的释放机构包括上引装置和塞杆，其中：塞杆与阵列式喷嘴相匹配设置，上引装置分别与塞杆和控制机构相连以接收释放指令并控制塞杆上提以释放阵列式喷嘴。
所述的铝液腔内进一步设有与控制机构相连的腔内加热器。
所述的铝液腔内设有液位仪。
所述的铝液腔的一侧设有带有闸门的进液槽以输入铝液。
所述的铝液腔的外部设有保温结构。
所述的阵列式喷嘴的外部进一步设有喷嘴加热器。
所述的活动冷凝机构包括：正对阵列式喷嘴设置的冷凝台、竖直活动设置于冷凝台下的二维活动机构以及下引装置，其中：二维活动机构和下引装置分别与控制机构相连并接收二维移动指令和竖直移动指令从而实现三维移动。
竖直活动设置，通过设置于二维活动机构下的下引装置实现。
所述的冷凝台内部设有冷却液流道。
所述的控制机构包括：运动控制单元和总控制单元，其中：运动控制单元与总控制单元相连并传输活动冷凝机构的运动信息，总控制单元分别与释放机构和真空泵相连并传输释放机构运动和真空泵开闭的信息，与二维活动机构相连并传输二维活动机构的运动信息，与下引装置相连并传输下引装置的运动信息。
本发明涉及一种基于上述装置的阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1、将塞杆放置在最低位，使喷嘴处于关闭状态；开启腔内加热器进行预热，预热到铝液温度后持续保温，打开进口闸门，使铝液流入铝液腔，通过液位仪控制铝液达到预设高度后关闭进口闸门，开启喷嘴加热器对喷嘴进行预热，将密闭冷凝腔密闭，开启真空泵将密闭冷凝腔抽真空；真空度达到要求后关闭真空泵，通过惰性气源充入惰性气体至预设压力；
步骤2、开启冷却水，通过运动控制单元控制下引装置，使喷嘴到冷凝台的距离达到预设距离后，开启二维运动装置，使喷嘴相对冷凝台周期性重复运动；开启上引装置提起塞杆，使铝液进入喷嘴；开启真空泵，将密闭冷凝腔压力抽至小于1个大气压，铝液在上、密闭冷凝腔形成的负压作用下经喷嘴形成稳定液柱喷出，喷射到冷凝台上形成铸锭；铸锭制备开始后，控制下引装置向下移动冷凝台，铸锭制备过程中，随着铝液不断消耗，待铝液腔液位降低至警戒液位时，打开进口闸门补充铝液，至稳定水平后再关闭进口闸门；
步骤3、铸锭制备完毕后，关闭塞杆阻断铝液从喷嘴流出，关闭二维运动装置和下引装置，关闭加热电源，待铸锭冷却后关闭冷却水，结束制备过程。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过产生负压使大体积熔体经喷射形成稳定连续金属液柱，通过对多个喷嘴进行阵列式的排布设计，使大体积铝液均匀分散形成数十乃至数百股连续液流，结合下方快速冷凝台的三维运动，实现薄层铝液的大面积铺展并通过连续凝固形成铸锭。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为喷嘴结构示意图；
图3为喷嘴液柱移动路径示意图；
图4和图5为实施例1金相照片；
图6和图7为实施例2金相照片；
图中：进口闸门1、导流槽2、铝液3、保温层4、进气管5、惰性气体6、喷嘴加热器7、挡板8、冷凝台9、二维运动装置10、导轨11、支撑台12、上引装置13、塞杆14、腔内加热器15、铝液腔16、喷嘴17、液位仪18、铸锭19、冷却水管20、密闭冷凝腔21、运动控制单元22、下引装置23、真空泵24、总控制单元25。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，为本实施例涉及的阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装置，包括：进口闸门1、导流槽2、铝液3、保温层4、进气管5、惰性气体6、喷嘴加热器7、挡板8、冷凝台9、二维运动装置10、导轨11、支撑台12、上引装置13、塞杆14、腔内加热器15、铝液腔16、喷嘴17、液位仪18、铸锭19、冷却水管20、密闭冷凝腔21、运动控制单元22、下引装置23、真空泵24、总控制单元25。
所述的铝液腔保持1个大气压，密闭冷凝腔完全密封，压力P可以通过真空泵24和进气管进行调节，铸锭制备过程中，压力P小于1大气压。
如图2所示，所述的喷嘴17为阵列式排布，喷嘴的行间距为W(W<300mm)，列间距为L(L<300mm)，喷嘴孔径为D(0.2mm<D<30mm)。
所述的二维运动装置10承载冷凝台沿水平X、Y两个方向的平移，移动速度为v(v<1000mm/s)，两个方向的最大行程分别为X(X<1m)、Y(Y<1m)，通过移动，可以实现喷嘴液柱相对冷凝台发生类似如图3所示的移动路径，但不限于该移动路径，相邻道次间距为d(d<30mm)。如图2和图3所示，单个喷嘴的单道次运动长度与喷嘴列间距L相等，单个喷嘴的运动总宽度与喷嘴行间距W相等。
所述的下引装置13实现冷凝台沿竖直方向移动，移动速度为v1(v1<50mm/s)，总行程Z(Z<5m)。
本实施例涉及阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1、将塞杆放置在最低位，使喷嘴处于关闭状态。开启腔内加热器进行预热，预热到铝液温度T1(T1>600℃)后持续保温，打开进口闸门，使铝液流入铝液腔，通过液位仪控制铝液达到预设高度后关闭进口闸门，开启喷嘴加热器对喷嘴进行预热，预热温度为T2(T2>500℃)，将密闭冷凝腔密闭，开启真空泵将密闭冷凝腔抽真空。真空度达到要求后关闭真空泵，通过进气管充入惰性气体至压力P1(P1＝1个大气压)。
步骤2、开启冷却水，通过运动控制单元控制下引装置，使喷嘴到冷凝台的距离为H(H<50cm)，开启二维运动装置，使喷嘴相对冷凝台以图2的方式周期性重复运动。开启上引装置，提起塞杆，使铝液进入喷嘴。开启真空泵，将密闭冷凝腔压力抽至P2(P2<1个大气压)，铝液在上、密闭冷凝腔形成的负压作用下经喷嘴形成稳定液柱喷出，喷射到冷凝台上形成铸锭。铸锭制备开始后，控制下引装置以速度v1(v1<50mm/s)向下移动冷凝台，使喷嘴到铸锭表面的高度始终保持在高度H。铸锭制备过程中，随着铝液不断消耗，待铝液腔液位降低至警戒液位时，打开进口闸门补充铝液，至稳定水平后再关闭进口闸门。
步骤3、铸锭制备完毕后，关闭塞杆阻断铝液从喷嘴流出，关闭二维运动装置和下引装置，关闭加热电源，待铸锭冷却后关闭冷却水，结束制备过程。
通过上述方法制备7050铝合金铸锭，设定铝液温度为680℃，喷嘴直径为8mm，冷凝台水平移动速度为300mm/s，阵列式喷嘴喷射面积为2m*5m，铸锭厚度为0.5m，经过40分钟制备出2m*5m*0.5m的大铸锭。铸锭凝固组织致密，无宏观偏析，为全等轴晶，晶粒平均尺寸60-80μm，如图4所示。图5为半连续铸造得到铸锭的晶粒组织。通过比较，本方法制备的铸锭晶粒组织得到明显细化。
实施例2
本实施例采用与实施例1相同的方法制备Al-4.5Cu铝合金铸锭，设定铝液温度为700℃，喷嘴直径为6mm，冷凝台水平移动速度为260mm/s，阵列式喷嘴喷射面积为2m*5m，铸锭厚度为0.8m，经过60分钟制备出2m*5m*0.8m的大铸锭。铸锭组织致密，无宏观偏析，为全等轴晶，晶粒平均尺寸60-90μm，沿铸锭横截面中心线1/4处及1/2处的金相照片分别如图6、图7所示。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装备，其特征在于，包括：设置于常压腔内的带有阵列式喷嘴的液态喷铝机构和位于液态喷铝机构下方的设置于常压腔内的活动冷凝机构以及控制机构，其中：控制机构分别向释放机构发出上引指令，向活动冷凝机构发出三维移动指令，从而实现液态喷铝机构中的铝液根据预设路径以连续阵列液流的形式喷射至活动冷凝机构的表面并快速冷凝形成铸锭；
所述的液态喷铝机构包括：释放机构、铝液腔以及阵列式喷嘴，其中：阵列式喷嘴设置于铝液腔的底部，释放机构与控制机构相连以控制铝液的喷射速度；
所述的阵列式喷嘴的喷嘴行间距和列间距小于300mm，喷嘴孔径为0.2mm～30mm；单个喷嘴的单道次运动长度与喷嘴列间距相等，单个喷嘴的运动总宽度与喷嘴行间距相等；
所述的活动冷凝机构包括：正对阵列式喷嘴设置的冷凝台、竖直活动设置于冷凝台下的二维活动机构以及下引装置，其中：二维活动机构和下引装置分别与控制机构相连并接收二维移动指令和竖直移动指令从而实现三维移动；
采用联合控制阵列式喷嘴几何排布、冷凝机构冷量和二维运动路径使铝液大面积铺展并在打印界面处持续保持半固态，进而实现各喷嘴对应打印区域的冶金结合。
2.根据权利要求1所述的装备，其特征是，所述的常压腔上设有与控制机构相连的真空泵，通过真空泵以进一步调节内部气压；所述的常压腔与惰性气源相连，以向其内部提供惰性气体保护。
3.根据权利要求1所述的装备，其特征是，所述的释放机构包括上引装置和塞杆，其中：塞杆与阵列式喷嘴相匹配设置，上引装置分别与塞杆和控制机构相连以接收释放指令并控制塞杆上提以释放阵列式喷嘴。
4.根据权利要求1所述的装备，其特征是，所述的铝液腔内进一步设有与控制机构相连的腔内加热器。
5.根据权利要求1所述的装备，其特征是，所述的阵列式喷嘴的外部进一步设有喷嘴加热器。
6.根据权利要求1所述的装备，其特征是，所述的冷凝台内部设有冷却液流道。
7.根据权利要求1所述的装备，其特征是，所述的控制机构包括：运动控制单元和总控制单元，其中：运动控制单元与总控制单元相连并传输活动冷凝机构的运动信息，总控制单元分别与释放机构和真空泵相连并传输释放机构运动和真空泵开闭的信息，与二维活动机构相连并传输二维活动机构的运动信息，与下引装置相连并传输下引装置的运动信息。
8.一种根据权利要求1至7中任一项所述装备的阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将塞杆放置在最低位，使喷嘴处于关闭状态；开启腔内加热器进行预热，预热到铝液温度后持续保温，打开进口闸门，使铝液流入铝液腔，通过液位仪控制铝液达到预设高度后关闭进口闸门，开启喷嘴加热器对喷嘴进行预热，将密闭冷凝腔密闭，开启真空泵将密闭冷凝腔抽真空；真空度达到要求后关闭真空泵，通过惰性气源充入惰性气体至预设压力；
步骤2、开启冷却水，通过运动控制单元控制下引装置，使喷嘴到冷凝台的距离达到预设距离后，开启二维运动装置，使喷嘴相对冷凝台周期性重复运动；开启上引装置提起塞杆，使铝液进入喷嘴；开启真空泵，将密闭冷凝腔压力抽至小于1个大气压，密闭冷凝腔上方的铝液腔内的铝液，在密闭冷凝腔形成的负压作用下经喷嘴形成稳定液柱喷出，喷射到冷凝台上形成铸锭；铸锭制备开始后，控制下引装置向下移动冷凝台，铸锭制备过程中，随着铝液不断消耗，待铝液腔液位降低至警戒液位时，打开进口闸门补充铝液，至稳定水平后再关闭进口闸门；
步骤3、铸锭制备完毕后，关闭塞杆阻断铝液从喷嘴流出，关闭二维运动装置和下引装置，关闭加热电源，待铸锭冷却后关闭冷却水，结束制备过程。
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