CN110116208A - 电子束熔丝沉积动态液冷装置及整体冷却方法 - Google Patents

电子束熔丝沉积动态液冷装置及整体冷却方法 Download PDF

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Abstract

电子束熔丝沉积动态液冷装置及整体冷却方法，为现有电子束熔丝沉积无法对开口直径小于铜珠直径的内凹部位冷却的问题。装置：水冷铜管设置在液体槽的外壁，加热板设置在液体槽的底端，第一热电偶和第二热电偶均浸入液态金属镓中。方法：一、液态金属镓预热至40℃后注入液体槽中；二、加热液体槽；三、动密封内圈下部与运动机构相连接；四、在基板上进行电子束熔丝沉积；五、对第一热电偶和第二热电偶所测温度进行实时监控，当液态金属镓的温度高于50℃，则水冷铜管内部通水，同时加热板停止加热；当液态金属镓的温度低于50℃，则停止水冷铜管内部的通水，同时加热板开始加热，直至电子束熔丝沉积完毕。本发明用于电子束熔丝沉积增材制造。

Description

电子束熔丝沉积动态液冷装置及整体冷却方法
技术领域
本发明涉及一种电子束熔丝沉积加工过程中沉积体的冷却技术，具体涉及一种电子束熔丝沉积动态液冷装置及整体冷却方法。
背景技术
在增材制造领域，电子束熔丝沉积增材制造技术有着广泛应用。电子束熔丝沉积是在真空环境下，电子束作用于金属丝材，丝材受热熔化后凝固形成沉积体，由于整个沉积过程是在真空环境下进行的，真空环境无对流换热，散热条件较差，易产生较多的热量积累；沉积过程中沉积体大部分热量只能通过接触热传导散失，当沉积体层数较高时，散热路径被限制在已有的沉积体内部，在沉积层数较多时，沉积体顶部的散热与底部的散热相比较为困难；随着沉积体层数的增加，沉积体的散热变得困难，导致热量的积累，最终会使得沉积体内部组织上下分布不均匀，导致沉积体的整体性能分布不均匀；与常压环境不同的是，液态水或水溶液在真空环境下沸点很低，极易蒸发形成水蒸汽，水蒸汽使得熔池内部进入氢H(氢)、O(氧)元素等杂质，同时也会损害抽真空系统，故在真空环境下不能通过水与沉积体或基板的直接接触进行冷却。
目前针对增材制造的散热主要有两种解决方法，第一种方法为底部工作台上加水冷装置，工作台及基板同时冷却，如公开专利：CN201710535058.X，这种方式在初始时沉积体的冷却速度较快，但当沉积体较高时，沉积体顶部的冷却较为困难，沉积体越高，冷却时间越长；第二种方法为直接冷却沉积体，如授权专利：CN206854880U，这种方法利用水、气等冷却介质直接与沉积体接触，散热效率较快，但无法在真空环境下使用。真空环境下只能使用不易挥发的介质或者固体，现有的真空环境下电子束熔丝沉积加工冷却方式可采用铜珠直接冷却沉积体，如公开专利：201810216558.1可在真空环境下使用，但是这种冷却方式只是局部冷却，其冷却介质为铜珠，铜珠与已沉积零件的表面无法完全贴合，仅为点接触传热(铜珠再小都为点接触)，无法对开口直径小于铜珠直径的内凹部位进行冷却；局部冷却只能减轻热量积累，不能避免已沉积的部分不受后续沉积的再热过程的影响。
发明内容
本发明为了解决现有电子束熔丝沉积加工冷却方式为局部冷却，冷却介质与已沉积零件的表面无法完全贴合，无法对开口直径小于铜珠直径的内凹部位进行冷却的问题，而提供一种电子束熔丝沉积动态液冷装置及整体冷却方法。
本发明的电子束熔丝沉积动态液冷装置，其组成包括液态金属镓、液体槽、工作台、水冷铜管、工作台紧固螺栓、动密封紧固螺栓、动密封外圈、动密封内圈、加热板、第一热电偶、基板和第二热电偶，液体槽的底部设有底孔，动密封外圈通过动密封紧固螺栓固装在底孔处，动密封外圈的中心处设有内圈孔，动密封内圈设置在内圈孔处，工作台通过工作台紧固螺栓固装在动密封内圈的上端，基板固定于工作台上，水冷铜管设置在液体槽的外壁，加热板设置在液体槽的底端外壁上，第一热电偶和第二热电偶均浸入液态金属镓中。
本发明的电子束熔丝沉积动态整体冷却方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将液态金属镓预热至35℃～45℃，然后将液态金属镓注入液体槽中，液态金属镓的液面不能超过基板的上表面；
步骤二、接通加热板，对液体槽进行加热至35℃～45℃，第一热电偶放置于液体槽的底部，第二热电偶置于液态金属镓的液面处，并保证第二热电偶完全浸入液态金属镓中；
步骤三、动密封内圈下部与运动机构相连接，动密封内圈仅可上下直线运动，而不能转动；
步骤四、利用电子束在基板上表面进行电子束熔丝沉积，当某一层沉积层沉积完毕后，动密封内圈向下移动一层沉积层厚度的距离，保证沉积体上表面高于液态金属镓液面，且沉积体上表面与液态金属镓液面之间的距离始终保持恒定；
步骤五、对第一热电偶和第二热电偶所测温度进行实时监控，当第一热电偶和第二热电偶检测出液态金属镓的温度均高于50℃，则水冷铜管内部通水，同时加热板停止加热；当第一热电偶和第二热电偶检测出液态金属镓的温度均低于50℃，则停止水冷铜管内部的通水，同时加热板开始加热，直至电子束熔丝沉积完毕，实现电子束熔丝沉积的随动水冷过程。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明利用液态金属镓作为冷却介质对整个沉积体进行降温散热，零件已沉积的部分整体浸入液态金属镓中，沉积过程中沉积体为整体散热，保证每层沉积层的散热条件一致，且避免了后沉积过程对已沉积部分的再热过程，从而获得宏观组织均匀的沉积体。金属镓处于液态时，可与沉积零件的表面完全贴合，针对内凹类零件，即使开口比内凹的尺寸小，液态金属镓仍可以从内凹处流出来(类似于花瓶口)，从而保证了良好的散热效果。
二、本发明所使用的金属镓熔点为29.8℃，沸点为2203℃，并且其蒸气压较低，在真空环境下较难实现气化或挥发，对真空环境及真空设备损害作用很小。
三、液态金属镓的导热系数较高，利用外部水冷可将沉积体内部的热量及时传到外部，保证每层沉积层的散热条件差异较小，最终获得宏观组织均匀的沉积体。
四、利用动密封内圈实现沉积体的实时运动，保证液态金属镓的液面不能超过沉积体的上表面，随着沉积层厚度的增加，沉积体上表面与液态金属镓液面之间距离不变。
五、采用加热装置及水冷装置，保证了液态金属镓不凝固的同时热量能够及时导出。
六、本发明特别适用于多孔复杂结构及沉积高度较高的零件。
七、电子束熔丝沉积时在真空环境下进行的，保护效果好，电子束能量密度高，能够沉积高温难熔金属(钨、钼、钽、铌、锆等)。
附图说明
图1是本发明的电子束熔丝沉积随动水冷装置的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的主要组成包括液态金属镓3、液体槽4、工作台5、水冷铜管6、工作台紧固螺栓7、动密封紧固螺栓8、动密封外圈9、动密封内圈10、加热板11、第一热电偶12、基板13和第二热电偶14，液体槽4的底部设有底孔4-1，动密封外圈9通过动密封紧固螺栓8固装在底孔4-1处，动密封外圈9的中心处设有内圈孔9-1，动密封内圈10设置在内圈孔9-1处，工作台5通过工作台紧固螺栓7固装在动密封内圈10的上端，基板13固定于工作台5上，水冷铜管6设置在液体槽4的外壁，加热板11设置在液体槽4的底端外壁上，第一热电偶12和第二热电偶14均浸入液态金属镓3中。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、将液态金属镓3预热至35℃～45℃，然后将液态金属镓3注入液体槽4中，液态金属镓3的液面不能超过基板13的上表面；
步骤二、接通加热板11，对液体槽4进行加热至35℃～45℃，第一热电偶12放置于液体槽4的底部，第二热电偶14置于液态金属镓的3液面处，并保证第二热电偶14完全浸入液态金属镓3中；
步骤三、动密封内圈10下部与运动机构相连接，动密封内圈10仅可上下直线运动，而不能转动，且动密封内圈10的上下运动可以控制；
步骤四、利用电子束1在基板13上表面进行电子束熔丝沉积，当某一层沉积层沉积完毕后，动密封内圈10向下移动一层沉积层厚度的距离，保证沉积体2上表面高于液态金属镓3液面，且沉积体2上表面与液态金属镓3液面之间的距离始终保持恒定；
步骤五、对第一热电偶12和第二热电偶14所测温度进行实时监控，当第一热电偶12和第二热电偶14检测出液态金属镓3的温度均高于50℃，则水冷铜管6内部通水，同时加热板11停止加热；当第一热电偶12和第二热电偶14检测出液态金属镓3的温度均低于50℃，则停止水冷铜管6内部的通水，同时加热板11开始加热，直至电子束熔丝沉积完毕，实现电子束熔丝沉积的随动水冷过程。
步骤六、沉积完毕之后，在液态金属镓3未凝固前将沉积体2、第一热电偶12和第二热电偶14取出，并将液态金属镓3回收。
本实施方式的步骤一中，将液态金属镓3预热至40℃。
本实施方式的步骤四中，液态金属镓3的液面不能超过沉积体2的上表面，同时不能溢出液体槽4。
本实施方式的步骤五中，水冷铜管6接至真空室外部的水冷设备，能够控制流入水冷铜管6的水温，可实时调节。第一热电偶12的位置相对液体槽4的底部保持不变，第二热电偶14的位置相对液态金属镓3液面保持不变。
本实施方式的步骤六中，取出沉积体2时，如液态金属镓3发生凝固，可接通加热板11，对液态金属镓3进行加热，使之成为液态方可取出。
本实施方式的步骤六中，如果沉积体2、第一热电偶12或第二热电偶14表面存在金属镓残留，可利用电吹风对其加热，将金属镓残留去除。

Claims (6)

1.一种电子束熔丝沉积动态液冷装置，其特征在于：所述装置包括液态金属镓(3)、液体槽(4)、工作台(5)、水冷铜管(6)、工作台紧固螺栓(7)、动密封紧固螺栓(8)、动密封外圈(9)、动密封内圈(10)、加热板(11)、第一热电偶(12)、基板(13)和第二热电偶(14)，液体槽(4)的底部设有底孔(4-1)，动密封外圈(9)通过动密封紧固螺栓(8)固装在底孔(4-1)处，动密封外圈(9)的中心处设有内圈孔(9-1)，动密封内圈(10)设置在内圈孔(9-1)处，工作台(5)通过工作台紧固螺栓(7)固装在动密封内圈(10)的上端，基板(13)固定于工作台(5)上，水冷铜管(6)设置在液体槽(4)的外壁，加热板(11)设置在液体槽(4)的底端外壁上，第一热电偶(12)和第二热电偶(14)均浸入液态金属镓(3)中。
2.一种利用权利要求1所述的电子束熔丝沉积动态液冷装置实现电子束熔丝沉积动态整体冷却方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将液态金属镓(3)预热至35℃～45℃，然后将液态金属镓(3)注入液体槽(4)中，液态金属镓(3)的液面不能超过基板(13)的上表面；
步骤二、接通加热板(11)，对液体槽(4)进行加热至35℃～45℃，第一热电偶(12)放置于液体槽(4)的底部，第二热电偶(14)置于液态金属镓的(3)液面处，并保证第二热电偶(14)完全浸入液态金属镓(3)中；
步骤三、动密封内圈(10)下部与运动机构相连接，动密封内圈(10)仅可上下直线运动，而不能转动；
步骤四、利用电子束(1)在基板(13)上表面进行电子束熔丝沉积，当某一层沉积层沉积完毕后，动密封内圈(10)向下移动一层沉积层厚度的距离，保证沉积体(2)上表面高于液态金属镓(3)液面，且沉积体(2)上表面与液态金属镓(3)液面之间的距离始终保持恒定；
步骤五、对第一热电偶(12)和第二热电偶(14)所测温度进行实时监控，当第一热电偶(12)和第二热电偶(14)检测出液态金属镓(3)的温度均高于50℃，则水冷铜管(6)内部通水，同时加热板(11)停止加热；当第一热电偶(12)和第二热电偶(14)检测出液态金属镓(3)的温度均低于50℃，则停止水冷铜管(6)内部的通水，同时加热板(11)开始加热，直至电子束熔丝沉积完毕，实现电子束熔丝沉积的随动水冷过程。
3.根据权利要求2所述的电子束熔丝沉积动态整体冷却方法，其特征在于：所述步骤一中，将液态金属镓(3)预热至40℃。
4.根据权利要求2所述的电子束熔丝沉积动态整体冷却方法，其特征在于：所述步骤四中，液态金属镓(3)的液面不能超过沉积体(2)的上表面，同时不能溢出液体槽(4)。
5.根据权利要求2所述的电子束熔丝沉积动态整体冷却方法，其特征在于：所述步骤五中，第一热电偶(12)的位置相对液体槽(4)的底部保持不变，第二热电偶(14)的位置相对液态金属镓(3)液面保持不变。
6.根据权利要求4或5所述的电子束熔丝沉积动态整体冷却方法，其特征在于：所述步骤五完成后，增加步骤六、沉积完毕之后，在液态金属镓(3)未凝固前将沉积体(2)、第一热电偶(12)和第二热电偶(14)取出，并将液态金属镓(3)回收。
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