CN109261940A - 一种金属材料增材制造成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种金属材料增材制造成型方法，从熔炼炉内获取流动的液态材料引入中间流道；通过控制液态材料的温度和流动速度，使进入中间流道的液态材料逐渐转变为液固两相共存的流体；将上述流体材料压入开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；在与之接触的流体朝来流方向定向凝固的同时，使基板/结晶器以一定的速度和运动轨迹平行于出料口运动，带出凝固组织，并通过凝固组织与熔体之间的摩擦力抑制结晶前沿的金属枝晶的生长，重复所述过程，逐渐形成金属整体壁板特定方向的切向单层组织直至得到具有指定厚度和形状的优异组织的材料构件。一种金属材料增材制造成型装置，包括熔炼炉、中间流道、基板/结晶器以及保护气氛装置。

Description

一种金属材料增材制造成型方法及装置

技术领域

本发明涉及材料加工技术，具体涉及一种利用微熔铸制备整体壁板类薄壁金属材料构件的增材制造成型方法及装置。

背景技术

金属增材制造（也称3D打印）技术可以直接成形结构复杂的金属零件，缩短零件的制造周期，对于提升制造业的现代化水平和建立绿色经济发展模式有重大意义，因此，相关研究一直受到科技界和工程界的高度重视。金属增材制造技术是以金属粉末或丝材为原料，通过高功率密度的点热源（如激光、电子束等）熔化，然后通过将其逐点、逐层堆积而得到具有一定形状的零件，之后通过快速冷却以及必要的处理方法对零件的性能进行调整。金属增材制造离不开金属粉末或丝材的制备，这本身是一个比较复杂的过程，并且金属粉末或丝材的性能直接或间接地影响了最终产品的性能金属增材制造用激光、电子束熔化金属粉末或丝材，能耗高。

基于此，一种新的金属增材制造技术即金属直接微熔铸增材制造技术，将金属熔体层层堆积直接成形零件，避免了金属粉末或丝材的制备，不需要二次重熔，简化了金属增材制造技术的工艺流程；能耗低，工艺流程短。但金属熔体系多相且其相成分在不断变化的流体，熔体的粘度对温度变化十分敏感，微熔铸成形技术要求所使用的金属熔体原料流动可控，层间形成良好的结合，这给微熔铸技术的研究带来了很大的困难。金属半固态熔体相比液态金属粘度高，铸件组织致密、气孔少；加工时变形抗力较小，可以在低能耗下生产形状复杂的金属零件；半固态熔体的偏析缺陷少，制品的力学性能可以显著提升；金属半固态初生相颗粒周围富集的低熔点合金相重熔温度低，层间易于形成熔化结合。半固态熔体凝固时间相比液态金属熔体较短，生产效率较高。因此，金属直接微熔铸技术选择金属熔体以半固态形式进行零件成形。

2000年前后，Rice等提出了半固态无模成形方法，该方法把制作半固态熔体的坩埚出口直径变为所需要的小尺度（约1mm），由距出口不远处工作台的三维运动拖动半固态熔体逐层堆积成形。Rice的半固态无模成形方法是将半固态熔体拖出，其晶粒形态和尺度主要取决于搅拌方式，熔体出坩埚后，晶粒无任何破碎。本方法则采用挤出熔体方法，熔体同基板接触面积大，熔体凝固速度快，利于晶粒细化；微熔凝区内通过基板运动速度和基板到喷嘴水口的高度来调节冷却速度，抑制晶粒生长，细化晶粒。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出一种整体壁板类金属构件的增材制造成型方法及装置。可以在很大程度上提高金属产品加工的质量和效率。

本发明采用的技术方案：

一种金属材料增材制造成型方法，步骤如下：

1）从熔炼炉内获取流动的液态材料，引入下方有出料口的中间流道；

2）通过控制液态材料的温度和流动速度，使进入中间流道的液态材料逐渐转变为液固两相共存且其温度呈上高下低梯度分布的流体；

3）将上述流体材料经出料口压入其下方与基板（结晶器）或附着在其上的堆积层之间的开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；

4）在与之接触的流体朝来流方向定向凝固的同时，使基板（结晶器）以一定的速度和运动轨迹平行于出料口运动，带出凝固组织，为后续熔体腾出位置，并通过凝固组织与熔体之间的摩擦力抑制结晶前沿的金属枝晶的生长，重复步骤3），逐渐形成金属整体壁板特定方向的切向单层组织直至得到具有指定厚度和形状的优异组织的材料构件。

发明有益效果：

本发明的方法主要通过如下措施实现对液态金属的微熔铸成型件的性能和质量：

1、本发明金属增材制造技术，从石墨坩埚引出成分满足设计要求的全液态金属；在石墨坩埚内将其调制成均匀的半固态熔体；将熔体从石墨坩埚的出料口压入其与结晶器之间厚度为堆积层厚度的开放空间，并利用其自身的表面张力阻止熔体溢出；与此同时，结晶器按照设定的速度和轨迹平行于出料口运动，不断移出初凝固组织并阻滞和破坏其结晶前沿的枝晶生长；按照指定的图形和轨迹逐点延伸和逐层堆积上述凝固组织，即可获得所需成型件。

2、具备温度和压力控制以及搅拌功能的石墨坩埚。这里的温度控制是指：使进入包内的金属从全液态逐渐转变为可以液固两相共存且其温度呈上高下低梯度分布的熔体，以满足微熔铸技术对于原料的要求。这里的搅拌，可以是电磁搅拌亦可以是机械搅拌，建议的搅拌频率范围为0.5Hz-1.5Hz，其主要作用是防止熔体出现偏析，并将其中固相颗粒的粒度控制在微米尺度。这里的压力是指对于中间包内熔体的压力，可以通过压缩气体、也可以通过机械方式施加，其主要作用是将熔体压入微熔铸成型区间，并作用于熔体凝固的全过程。石墨坩埚底部出料口的形状和尺寸取决于堆积层的宽度，若其宽度为毫米尺度，出料口可以设计成相应尺度的圆形，若其宽度大于毫米尺度，则出料口可以设计为方形，其短边为毫米尺度、其长边对应堆积层的宽度。

3、设置开放式微熔铸区间。该区间位于中间包出料口的下方和结晶器（或附着在结晶器表面上的堆积层）的上方，其高度即堆积层厚度，一般限制在毫米至微米尺度范围内，它通过表面张力抗衡熔体传递的压力并约束其流动，其作用类似于模具的型腔。这型腔只有其下底面（结晶器或附着其上的凝固层的表面）以及其上底面的边沿（出料口的口沿）是实体，其余都是开放的和柔性的。该型腔的下底面不仅具有促进熔体凝固的结晶器功能，还具有以一定速度（0.5 -20厘米/秒范围内）向外输送凝固组织的功能，以及通过凝固组织移动时与熔体间的摩擦阻滞和破坏初生枝晶的生长，使凝固组织获得类似轧制的细化和致密效果。

4、微熔铸成型件的质量保障措施。主要包括：①原料控制。使进入微熔铸区间的熔体处于液固两相状态，熔体有一定的粘度。②堆积层厚度控制。在不使熔体溢出同步铸轧区域的前提下，堆积层的厚度越薄，成型件的表面粗糙度越低。当堆积层的厚度小于100微米时，其成型件表面的粗糙度可以达到肉眼不能分辨的程度。③堆积层性能控制。即利用结晶器内的循环水系统提高凝固速度，利用摩擦效应阻滞和破坏枝晶生长获取细晶效果，以及利用逐点同步铸轧有效降低应力集中风险。④层间结合状态控制。规定熔体的固相分数和温度范围以及结晶器移动的速度范围，就都是为了让后续熔体与前一堆积层表面接触时，有足够的热量和时间，通过界面互熔实现层间结合。

5、采用本发明的方法，可直接制备出结构复杂，力学性能要求高的高速运载工具结构零部件，如金属整体壁板，且晶粒细小，内部缺陷少，结构致密，微熔铸加工为无模加工，同用3D打印相比为有模加工。同时，本发明所述的制备方法避免了重复高温制备金属构件的过程，大幅度降低了生产中的能量消耗；该工艺避免了材料过程中的切削，提高了产成品的收率；该方法提高了产品的致密度，确保了构件制品的冶金结构，提高了产品的力学性能，加工工艺成本低。本发明的方法特别适用于制备金属壁板，但也适于直接成型各种金属构件，特别是难以采用传统方法制造的形状复杂或需要异质结合的金属构件、在常温下难以成形加工的镁合金和钛合金构件，以及不得不采用粉末烧结才能成型的硬质合金构件。

附图说明

图1为本发明金属增材制造技术无膜成形工作过程示意图；

图2a、图2b为本发明金属增材制造技术的锡铅合金整体壁板示意图；

图3为本发明金属增材制造技术制备的锡铅合金火箭喷嘴示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明技术方案做进一步的详细描述。以下各实施例仅用于说明本发明，不应当构成对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在现有技术范围内，采用惯用技术手段的置换以及和现有技术进行简单组合，均不脱离本发明保护范围。

实施例1

本发明金属材料增材制造成型方法，包括如下步骤：

1）从熔炼炉内获取流动的液态材料，引入下方有出料口的中间流道；

2）通过控制液态材料的温度和流动速度，使进入中间流道的液态材料逐渐转变为液固两相共存且其温度呈上高下低梯度分布的流体；

3）将上述流体材料经出料口压入其下方与基板（结晶器）或附着在其上的堆积层之间的开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；

4）在与之接触的流体朝来流方向定向凝固的同时，使基板（结晶器）以一定的速度和运动轨迹平行于出料口运动，带出凝固组织，为后续熔体腾出位置，并通过凝固组织与熔体之间的摩擦力抑制结晶前沿的金属枝晶的生长，重复步骤3），逐渐形成金属整体壁板特定方向的切向单层组织直至得到具有指定厚度和形状的优异组织的材料构件。

金属熔体从喷嘴水口出口处被连续挤出至其下方的运动基板上（喷嘴水口下方，基板到喷嘴水口的高度小于喷嘴水口直径），熔体在这个狭小空间内（微熔凝区）边凝固边运动，在3D制造软件的支持下，凝固组织逐层堆积，最终直接成形金属零件。在金属零件成形过程中，利用微熔凝区的小尺度和快速冷却效应，细化晶粒，使成形和性能调控同步完成。

前述步骤1）中，液态金属可选用本领域常用的各种合金，一般可选用铝合金或钛合金，但不限于这两种合金；从熔炼炉获取的液态金属是全液态金属，其成分要求满足金属构件的设计要求。步骤4）中，在随结晶器平行于出料口运动移动的过程中，派生于凝固组织与熔体之间的界面上的摩擦力，会抑制和破坏初生枝晶的生长，获得类似轧制工艺的细晶效果，实现本发明的目的，即微熔铸技术实现液态金属直接制备金属壁板。在实际制备的过程中，步骤3）和步骤4）是连续进行的。

实施例2

本实施例的金属材料增材制造成型方法，和实施例1的不同之处在于：为制备出结构复杂，垂直于切向的厚度大于切向单层组织的厚度的金属构件，依据构件性能与精度的设计要求，设计待制造零部件的三维数字切分图形的切片方向与分切厚度，并设定结晶器的运动轨迹，逐层加工和堆积上述凝固组织并使其层间界面实现良好的结合；基板（结晶器）结晶器的运动速度控制在不超过0.5～20厘米/秒的范围。

结晶器的运动速度控制在不超过0.5-20厘米/秒的范围，该速度范围通过凝固组织移动时与熔体间的摩擦阻滞和破坏初生枝晶的生长，使凝固组织获得类似轧制的细化和致密效果。在这种因相对移动产生的剪切应力的作用下，初生的枝晶被不断剪切和破碎，由此进一步细化涂层内的凝固组织。使宏观的无模成型工艺具备了一定的微观有模成型对于熔体的约束功能。又通过型腔上壁（压铸头底面）和下壁（基板或已在基板上凝固的前一涂层的表面）的相对移动，实现通过熔体对初生凝固组织的组织细化效应。与此同时，通过由熔体传递的压力和热量（垂直于基板移动方向），使前后两涂层间的界面更加致密并形成层间结合。

其中，界面结合状态控制实际上是通过其他步骤中规定熔体的固相分数和温度范围以及结晶器移动的速度范围来达到的，通过控制上述参数，可以让后续熔体与前一堆积层表面接触时，有足够的热量和时间，通过界面互熔实现良好的层间结合。

实施例3

本实施例的金属材料增材制造成型方法，和实施例1、实施例2的不同之处在于：控制液态材料的温度和流动速度，使所述液态金属材料为流动性较好的流体，同时该流体有一定的粘度，能够使流体完美的成型；对于非共晶合金，控制其固相比例不超过35%；对于共晶合金，控制其出口处流体有一定的流动性。

由此调制为金属材料增材制造成型所需的金属流体材料。通常使半固态金属熔体有一定的粘度且有一定的流动性，本发明金属材料增材制造成型方法的合金原料以半固态原料为准。

实施例4

本实施例的金属材料增材制造成型方法，和实施例3的不同之处在于：所述开放成型空间位于中间流道出料口的下方和结晶器或附着在结晶器表面上的堆积层的上方，其高度即堆积层厚度限制在毫米至微米尺度范围内；对于实现近净或者净成型的陶瓷构件，所述开放空间的高度不超过100微米。

所述开放性空间主要是由于该型腔只有其下底面（结晶器或附着其上的凝固层的表面）以及其上底面的边沿（出料口的口沿）是实体，其余都是开放的。

控制堆积层厚度的主要原因是为了控制成型件表面的粗糙度和其力学性能，在不使金属熔体溢出微熔铸区间的前提下，堆积层的厚度越薄，成型件的表面粗糙度越低。当堆积层的厚度小于100微米时，其成型件表面的粗糙度可以达到肉眼不能分辨的程度。

本发明金属材料增材制造成型方法，为避免金属熔体的表面被氧化，所有过程均在真空或者惰性气体（氩气）的保护下进行。

本发明金属增材制造技术有以下特点：

1）选用容易制备半固态金属熔体的合金材料做为微熔铸成形原料，利用半固态金属熔体相比金属液体的粘度高、流动可控等优异性能，将金属熔体与零件的近终成品工序、甚至最终成品工序直接衔接，实现短流程、低能耗制造；

2）通过基板到喷嘴水口的高度和基板运行速度调节金属熔体的冷却速度，控制晶粒生长，调控金属零件的性能，通过基板到喷嘴水口的高度约束制备金属零件的形状；

3）成形过程中，金属熔体与前一层金属表面接触初期，前一层表面吸收金属熔体的热量，使表面温度升高，当前一层金属表面的温度达到熔化的临界温度后，前一层金属表面开始熔化，熔化后的金属表面同金属熔体混合后共同凝固形成良好的结合。一种新的金属增材制造技术实验设备基本结构包括金属熔体出料喷嘴，金属熔体凝固成形的基板（结晶器）。

实施例5

参见图1，本实施例为所述金属材料增材制造成型方法的金属材料增材制造成型装置，包括熔炼炉（石墨坩埚）、中间流道、基板（结晶器）以及保护气氛装置，其中石墨坩埚用于提供流体材料，所述石墨坩埚/熔炼炉的出料口与中间流道的进料口连接；所述中间流道的出料口下方设置基板（结晶器）；保护气氛提供装置提供保护气氛，用于保护所述液态材料从石墨坩埚出口直至在基板（结晶器）上冷却成型的整个过程。

图1的金属增材制造技术无膜成形工作过程示意图中：1、喷嘴壁，2、金属熔体，3、喷嘴水口，4、微熔凝区，5、喷嘴平台，6、凝固金属，7、基板（结晶器）。

实施例6

本实施例的金属材料增材制造成型装置，与实施例5的不同之处在于：所述基板（结晶器）还包括能够使结晶器在x，y，z轴方向移动的运动部件；所述结晶器还包括水循环系统，所述水循环系统用于加快压出出口的金属材料流体的凝固速度，从而在结晶器运动时能有效利用摩擦效应阻滞和破坏枝晶生长，获取细晶效果，以及利用逐点同步微铸轧有效降低应力集中。该金属材料增材制造成形设备结构合理，构造紧密，可有效降低应力集中风险。

实施例7

本实施例的金属材料增材制造成型装置，与实施例6或实施例7的不同之处在于：所述石墨坩埚/熔炼炉包括搅拌装置和温度梯度控制系统；所述搅拌装置为电磁搅拌装置或机械搅拌装置；所述中间流道还包括压力控制系统，采用机械压力控制系统或压缩气体压力控制系统控制金属熔体的压力，将金属熔体从出口压入开放成型区间，并作用于熔体凝固的全过程。

所述压力控制系统，一方面用于将金属熔体压出中间包的出口，同时控制该熔体不溢出出料口下方与结晶器（或附着在其上的堆积层）之间的开放空间。

本发明金属材料增材制造成型装置，与前述各实施例不同的是，石墨坩埚底部出料口的形状和尺寸取决于堆积层的宽度，若其宽度为毫米尺度，出料口设计成相应尺度的圆形；若其宽度大于毫米尺度，则出料口设计为方形，其短边为毫米尺度、其长边对应堆积层的宽度。图2a为采用本发明技术加工的多层金属样件的外观形貌，图2b为采用本发明技术加工的多层金属样件显微组织，说明本发明技术能够制备优质的多层金属样件。图3为采用本吗技术加工的火箭喷嘴模型图，说明用该技术能够制备形状复杂的样品。

Claims (9)

1.一种金属材料增材制造成型方法，包括如下步骤：

1）从熔炼炉内获取流动的液态材料，引入下方有出料口的中间流道；

2）通过控制液态材料的温度和流动速度，使进入中间流道的液态材料逐渐转变为液固两相共存且其温度呈上高下低梯度分布的流体；

3）将上述流体材料经出料口压入其下方与基板/结晶器或附着在其上的堆积层之间的开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；

4）在与之接触的流体朝来流方向定向凝固的同时，使基板/结晶器以一定的速度和运动轨迹平行于出料口运动，带出凝固组织，为后续熔体腾出位置，并通过凝固组织与熔体之间的摩擦力抑制结晶前沿的金属枝晶的生长，重复步骤3），逐渐形成金属整体壁板特定方向的切向单层组织直至得到具有指定厚度和形状的优异组织的材料构件。

2.根据权利要求1所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：为制备出结构复杂，垂直于切向的厚度大于切向单层组织的厚度的金属构件，依据构件性能与精度的设计要求，设计待制造零部件的三维数字切分图形的切片方向与分切厚度，并设定基板/结晶器的运动轨迹，逐层加工和堆积上述凝固组织并使其层间界面实现良好的结合；基板/结晶器的运动速度控制在不超过0.5～20厘米/秒的范围。

3.根据权利要求1或2所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：控制液态材料的温度和流动速度，使所述液态金属材料为流动性较好的流体，同时该流体有一定的粘度，能够使流体完美的成型；对于非共晶合金，控制其固相比例不超过35%；对于共晶合金，控制其出口处流体有一定的流动性。

4.根据权利要求3所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：所述开放成型空间位于中间流道出料口的下方和基板/结晶器或附着在基板/结晶器表面上的堆积层的上方，其高度即堆积层厚度限制在毫米至微米尺度范围内；对于实现近净或者净成型的陶瓷构件，所述开放空间的高度不超过100微米。

5.根据权利要求1、2或4所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：为避免金属熔体的表面被氧化，所有过程均在真空或者惰性气体的保护下进行。

6.一种实现权利要求1所述金属材料增材制造成型方法的金属材料增材制造成型装置，其特征在于：包括熔炼炉、中间流道、基板/结晶器以及保护气氛装置，其中熔炼炉用于提供流体材料，所述熔炼炉的出料口与中间流道的进料口连接；所述中间流道的出料口下方设置基板/结晶器；保护气氛提供装置提供保护气氛，用于保护所述液态材料从熔炼炉出口直至在基板/结晶器上冷却成型的整个过程。

7.根据权利要求6所述的金属材料增材制造成型装置，其特征在于：所述基板/结晶器还包括能够使基板/结晶器在x，y，z轴方向移动的运动部件；所述基板/结晶器还包括水循环系统，所述水循环系统用于加快压出出口的金属材料流体的凝固速度，从而在基板/结晶器运动时能有效利用摩擦效应阻滞和破坏枝晶生长，获取细晶效果，以及利用逐点同步微铸轧有效降低应力集中。

8.根据权利要求6或7所述的金属材料增材制造成型装置，其特征在于：所述熔炼炉包括搅拌装置和温度梯度控制系统；所述搅拌装置为电磁搅拌装置或机械搅拌装置；所述中间流道还包括压力控制系统，采用机械压力控制系统或压缩气体压力控制系统控制金属熔体的压力，将金属熔体从出口压入开放成型区间，并作用于熔体凝固的全过程。

9.根据权利要求8所述的金属材料增材制造成型装置，其特征在于：熔炼炉底部出料口的形状和尺寸取决于堆积层的宽度，若其宽度为毫米尺度，出料口设计成相应尺度的圆形；若其宽度大于毫米尺度，则出料口设计为方形，其短边为毫米尺度、其长边对应堆积层的宽度。