CN109514068A - 基于电子束热丝熔丝增材制造的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于电子束热丝熔丝增材制造的工艺装置，该装置包括：电子枪，该电子枪包括产生电子束的灯丝、灯丝下方的阴极、阴极下方的栅极、栅极下方的阳极、阳极下方的聚焦线圈以及聚焦线圈下方的偏转线圈，该电子枪置于电子枪真空室中；所述的电子枪真空室置于真空成形室顶部，并通过电子气阀实现与真空成形室相连通以及隔绝；所述的电阻加热系统包括置于真空室中工作平台上的大厚度基板、可以实现升温的电阻丝和电阻丝加热控制装置，用于温度测量的热电偶。本发明的装置实现零件良好的表面成型以及微观组织的均匀性。本发明的装置能够改变材料内部应力分布，减少基板变形。

Description

基于电子束热丝熔丝增材制造的装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及基于电子束热丝熔丝增材的制造装置。
背景技术
金属增材制造技术是基于三维数字模型，利用计算机辅助技术实现平层切片、路径规划，并采用相应的数控技术实现金属粉末或丝材堆积制造得到完整实体零件的技术。该技术涵盖技术领域多，应用范围广，被誉为第三次工业革命中数字化制造的重要标志[1]。现在较为成熟的技术增材制造技术包括激光选区熔化技术(SLM)、电子束选区熔化技术(EBSM)、电子束熔丝沉积技术(EBFF)和激光立体成形技术(LSF)、电弧熔丝增材制造技术(WAAM)等。电子束熔丝沉积技术因其沉积环境处于真空环境中，材料成型美观，不易产生氧化缺陷，且电子束热源集中，热输入量大，熔丝增材速度较快，生产效率高。因此，电子束熔丝沉积技术广泛应用于航空航天领域的钛合金及易氧化金属的整体构件制造。
目前，电子束熔丝沉积技术较为成熟，但成形零件组织均匀性较差，极易出现成分偏析、组织偏析等现象。实质上，电子束熔丝沉积过程是一个微铸造过程，熔池通过“点-线-面”的过程实现零件制造。在电子束熔丝沉积过程中，零件与周围环境的热交换主要是通过辐射传热的方式进行，随着沉积层数增加，零件温度与周围环境温度不断升高，热量不断累计，从而导致基板红热、层间温度过高。这就会导致金属沉积过程流动性增加，靠近边缘区域出现“流淌”现象，零件单层表面凹凸不平，减重的降低了零件表面质量，增加了加工难度。
在沉积过程中，其冷却过程是一个瞬态非平衡过程，极易出现针状脆性组织；随着堆积层数增加，沉积层经过重复加热以及冷却过程，晶粒在该过程中不断长大，成分发生明显偏析。这不仅造成了组织的不均匀性，无法获得想要的组织形貌，且严重降低了零件的力学性能，降低零件服役时间，增加零件失效概率。另一方面，增材制造过程是一个重复焊接过程，零件整体温度分布不均匀会导致材料的出现较大的焊接应力，裂纹极易在这些位置萌生，从而降低了零件整体性能。因此，在电弧增材制造过程中，合理的控制组织演变，消除残余内应力是改善零件力学性能的关键途径之一。
发明内容
针对目前面临的技术难题，本发明公开了一种基于电子束热丝熔丝增材制造的装置。
实现本发明目的提供一种基于电子束热丝熔丝增材制造的装置。
该装置包括：电子枪、送丝系统、电子枪真空室、真空成形室、工作位移平台、电阻加热系统、伺服控制系统，所述的电子枪包括产生电子束的灯丝、灯丝下方的阴极、阴极下方的栅极、栅极下方的阳极、阳极下方的聚焦线圈以及聚焦线圈下方的偏转线圈，该电子枪置于电子枪真空室中；所述的电子枪真空室置于真空成形室顶部，并通过电子气阀实现与真空成形室相连通以及隔绝，电子枪真空室与真空成形室置均通过真空系统来实现需要的真空度；所述的工作位移平台置于真空成形室中，包括通过竖直导轨实现竖直Z轴方向运动的承载平台、实现水平面XY轴方向运动的工作移动平台以及伺服控制系统；所述的送丝系统包括放置在真空成形室外的送丝机构及丝材、固定在真空成形室的送丝枪及夹持工装；所述的电阻加热系统包括置于真空室中工作平台上的大厚度基板、可以实现升温的电阻丝和电阻丝加热控制装置，用于温度测量的热电偶。
进一步的，电阻加热系统中，电阻丝加热控制装置与加热结构分离，加热结构置于真空室内，电阻丝加热控制装置于真空室外。
进一步的，基板为TC4钛合金，丝材为TC4焊丝，所述的大厚度同丝材成分基板厚度≥12mm，外形尺寸(长×宽)≥200mm×200mm，丝材直径为0.8mm-2.0mm。
进一步的，电阻加热系统、送丝系统的工艺参数为：功率为1kW-3kW，沉积速度为20-40cm/min，送丝速度为0.3-0.7m/min，电子束斑点直径0.2-2.0mm，层间停留时间30s-5min。
进一步的，温度控制系统对丝材预热温度范围为100-300℃。
进一步的，为减少磁场对于电子束系统的破坏，采用Cr20Ni80电阻丝。
进一步的，竖直导轨选用奥氏体不锈钢，具体为304或者316L。
进一步的，加热设备外壳选用Ti6Al4V。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1)本发明的装置实现零件良好的表面成型以及微观组织的均匀性。
2)本发明的装置能够根据需求对材料内部微观组织进行设计。
3)本发明的装置能够获得力学性能优异的电子束熔丝增材制造零件。
4)本发明的装置能够改变材料内部应力分布，减少基板变形。
附图说明
图1为本发明中电子束热丝熔丝增材装置的示意图。
图2为本发明电子束增材TC4钛合金微观形貌图。
其中，1-真空成形室，2-工作位移平台，3-承载平台，4-竖直导轨，5-基板，6-电阻丝加热控制装置，7-送丝机构，8-热电阻丝，9-固定夹持，10-电子气阀，11-送丝枪，12-灯丝，13-阴极，14-栅极，15-阳极，16-聚焦线圈，17-偏转线圈，18-电子枪真空室，19-伺服控制，20-真空系统，21-热电偶。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
一种基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，该装置包括电子枪、送丝系统、电子枪真空室、真空成形室1、工作位移平台2、电阻加热系统、伺服控制系统19，所述的电子枪包括产生电子束的灯丝12、灯丝下方的阴极13、阴极下方的栅极14、栅极下方的阳极15、阳极下方的聚焦线圈16以及聚焦线圈下方的偏转线圈17，该电子枪置于电子枪真空室18中；所述的电子枪真空室18置于真空成形室1顶部，并通过电子气阀10实现与真空成形室相连通以及隔绝，两个真空室均通过真空系统20来实现需要的真空度；所述的工作位移平台置于真空成形室中，包括通过竖直导轨4实现竖直Z轴方向运动的承载平台3、实现水平面XY轴方向运动的工作平台2以及伺服控制系统19；所述的送丝系统包括放置在真空室外的送丝机构及丝材7、固定在真空室内壁的送丝枪11及夹持工装9；所述的增材系统包括置于真空室中工作平台上的大厚度基板5、可以实现升温的电阻丝8和控制系统6，用于温度测量的热电偶21。
利用上述装置进行电子束熔丝增材制造方法为：(1)建立零件实体几何模型模型，将零件模型导入计算机中进行切片和路径规划并导入到工作平台控制系统，对需要控制的参数进行设置；(2)在加工准备阶段，对真空成形室以及电子枪真空室进行抽真空处理，送丝机构将丝材送入到指定位置，利用电阻丝加热系统对焊丝进行预热；(3)控制系统控制工作平台按照待加工零件切片规划路径进行运动并控制电子束将金属丝材熔融过渡到制定区域，其中喷头固定，静止不动，方向垂直向下；(4)工作平台在Z轴方向降低一层厚度，根据设定基板温度进行热丝的送进速度补偿反馈；(5)重复步骤(3)(4)直至零件整体成型。
进一步的，所述电阻丝加热装置与温度控制装置分离，加热装置置于真空室内，控制系统置于真空室外。
进一步的，基板为TC4钛合金，丝材为TC4焊丝，所述的大厚度同丝材成分基板厚度≥12mm，外形尺寸(长×宽)≥200mm×200mm，丝材直径为0.8mm-2.0mm。
进一步的，所述电子束热丝熔丝增材制造的工艺参数为：功率为1kW-3kW，沉积速度为20-40cm/min，送丝速度为0.3-0.7m/min，电子束斑点直径0.2-2.0mm，层间停留时间30s-5min。
进一步的，温度控制系统对丝材预热温度范围为100-300℃。
进一步的，为减少磁场对于电子束系统的破坏，采用Cr20Ni80电阻丝。
进一步的，竖直导轨选用奥氏体不锈钢，具体为304或者316L。
进一步的，加热设备外壳选用Ti6Al4V。
以采用连续送丝电子束熔丝沉积钛合金板材零件为例：
(1)根据需求，建立零件实体几何模型模型，将零件模型导入计算机中进行切片和路径规划并导入到工作平台控制系统，对需要控制的参数进行设置；
(2)在加工准备阶段，对真空成形室以及电子枪真空室进行抽真空处理，送丝机构将1.2mm直径TC4丝材送入到指定位置，利用Cr20Ni80电阻丝加热系统对电阻丝进行加热并对丝材进行预热，预热温度为200℃；
(3)设定电子束焊接工艺参数，具体参数为：功率为1.5kW，沉积速度为20cm/min，送丝速度为0.3m/min，电子束斑点直径1.5mm，层间停留时间1min；
(4)控制系统控制工作平台按照待加工零件切片规划路径进行运动并控制电子束将金属丝材熔融过渡到制定区域，其中喷头固定，静止不动，方向垂直向下，依照设定路径完成第一层材料沉积；
(5)工作平台在Z轴方向降低0.5mm，通过热电偶测量基板温度，当温度反馈低于200℃时，电阻丝加热进行温度补偿；当温度高于200℃时，增大层间停留时间；
(6)重复步骤(4)(5)直至零件整体成型。

Claims (8)

1.一种基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，包括电子枪、送丝系统、电子枪真空室、真空成形室(1)、工作位移平台(2)、电阻加热系统、伺服控制系统(19)，所述的电子枪包括产生电子束的灯丝(12)、灯丝下方的阴极(13)、阴极下方的栅极(14)、栅极下方的阳极(15)、阳极下方的聚焦线圈(16)以及聚焦线圈下方的偏转线圈(17)，该电子枪置于电子枪真空室(18)中；所述的电子枪真空室(18)置于真空成形室(1)顶部，并通过电子气阀(10)实现与真空成形室(1)相连通以及隔绝，电子枪真空室(18)与真空成形室(1))置均通过真空系统(20)来实现需要的真空度；所述的工作位移平台(2)置于真空成形室(1)中，包括通过竖直导轨(4)实现竖直Z轴方向运动的承载平台(3)、实现水平面XY轴方向运动的工作移动平台(2)以及伺服控制系统(19)；所述的送丝系统包括放置在真空成形室(1)外的送丝机构(7)及丝材、固定在真空成形室(1)的送丝枪(11)及夹持工装(9)；所述的电阻加热系统包括置于真空室中工作平台上的大厚度基板(5)、可以实现升温的电阻丝(8)和电阻丝加热控制装置(6)，用于温度测量的热电偶(21)。
2.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，所述电阻加热系统中，电阻丝加热控制装置(6)与加热结构分离，加热结构置于真空室内，电阻丝加热控制装置(6)于真空室外。
3.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，基板为TC4钛合金，丝材为TC4焊丝，所述的大厚度同丝材成分基板厚度≥12mm，外形尺寸(长×宽)≥200mm×200mm，丝材直径为0.8mm-2.0mm。
4.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，所述温度控制系统机、送丝系统的工艺参数为：功率为1kW-3kW，沉积速度为20-40cm/min，送丝速度为0.3-0.7m/min，电子束斑点直径0.2-2.0mm，层间停留时间30s-5min。
5.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，温度控制系统对丝材预热温度范围为100-300℃。
6.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，为减少磁场对于电子束系统的破坏，采用Cr20Ni80电阻丝。
7.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，竖直导轨(4)选用奥氏体不锈钢，具体为304或者316L。
8.根据权利要求1所述的基于电子束热丝熔丝增材制造的装置，其特征在于，热熔丝设备外壳选用Ti6Al4V。
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