CN110125397A - 动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置及方法 - Google Patents

动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置及方法 Download PDF

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Abstract

动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置及方法，以解决现有电子束熔丝沉积无法对沉积体内部组织进行调控的问题。装置：动态水冷器的内部设有数个水流通道，动态水冷器与主水管通过分水管连接，流量控制器安装在分水管上，水泵与主水管通过第二连接水管连接，水泵与水槽通过第一连接水管连接，主水管与水槽通过第三连接水管连接，溢流阀密封安装在第三连接水管上，基板固定在动态水冷器上。方法：一、将热电偶置于水槽中；二、利用电子束在基板上进行电子束熔丝沉积，在沉积过程中通过热电偶反馈调节水槽内部的水温，通过流量控制器调节电子束正下方对应的水流通道内部水流压力，即实现沉积体内部组织的调控。本发明用于电子束熔丝沉积增材制造。

Description

动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电子束熔丝沉积加工技术，具体涉及一种动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置及方法。
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。电子束熔丝沉积原理是在真空环境下，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，因此存在以下问题：第一，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；第二，沉积过程中只能通过工作台散热，属于被动散热，热量无法很快传导至真空室外部，而液态金属凝固时晶体的生长主要是由最大温度梯度决定的，这就导致沉积体内部的组织不可控。因此，研究一种新型的电子束熔丝沉积过程的散热方法，提高散热效率、调控沉积体内部组织对增材制造技术的发展具有重要的意义。
目前电子束熔丝沉积增材制造常用的散热方法为底部工作台上加水冷装置，对基板进行冷却(如公开专利：CN201710535058.X)，这种方式对基板底部整体冷却，散热方向只能竖直向下，且无法调节，导致无法调控沉积体内部组织。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，但是这种冷却方式无法控制沉积体冷却速度的快慢，这也无法实现沉积体内部组织的调控。虽然已有专利(如授权专利：CN206854880 U)可通过喷洒水汽能够实现沉积体基板的快速精准冷却，但是由于真空环境的特殊性，不能在真空环境里面喷洒水汽，故此方式不能用于真空环境下电子束熔丝沉积过程。
发明内容
本发明为了解决现有电子束熔丝沉积无法对沉积体内部组织进行调控的问题，而提供一种动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置及方法。
本发明的动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置，其组成包括动态水冷器、水泵、第一连接水管、水槽、第二连接水管、第三连接水管、溢流阀、主水管、基板、数个分水管和数个流量控制器，动态水冷器的内部设有数个水流通道，动态水冷器与主水管通过数个分水管密封连接，流量控制器密封安装在分水管上，水泵与主水管通过第二连接水管密封连接，水泵与水槽通过第一连接水管连接，主水管与水槽通过第三连接水管连接，溢流阀密封安装在第三连接水管上，基板固定在动态水冷器上。
本发明的动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将热电偶置于水槽中；
步骤二、利用电子束在基板上表面进行电子束熔丝沉积，在沉积过程中通过热电偶反馈调节水槽内部的水温，如果热电偶检测出水槽内部水温低于预设水温1℃，则通过电阻加热方式对水槽内部的液体进行加热；如果热电偶检测出水槽内部水温高于预设水温1℃，则通过水冷机对水槽内部的液体进行冷却，通过流量控制器调节电子束正下方对应的水流通道内部水流压力，当需要获得细晶粒的沉积体时，水槽内部水温为14℃～20℃，水流通道内部的水压为0.5MPa～0.6MPa；当需要获得粗晶粒的沉积体时，水槽内部水温为25℃～30℃，水流通道内部的水压为0MPa～0.2MPa。通过热电偶反馈调节水槽内部水温，通过流量控制器调节水流通道内部水流量，即实现沉积体内部组织的调控。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的装置是利用水冷对基板进行散热，可及时将热量传输至真空室外，减少了电子束熔丝沉积过程热量的积累。在基板的冷却过程中，基板不直接与水接触，液态水在真空室内部只存在于水流通道以及分水管中，真空室内部无液态水暴露，从而保护了真空系统，同时也能进行沉积体的内部组织调控。
二、本发明的方法是电子束将金属丝熔化，在基板上凝固后形成沉积体，通过实时调节流量控制器控制水流通道内部的水流，利用多个流量控制器根据电子束与动态水冷器的相对位置对每个水流通道内部的流量进行独立且实时控制。随着电子束的行进，电子束热源位置也逐渐移动，在电子束热源位置变化的同时，调节电子束热源部位下面对应的水流通道上的流量控制器，以控制熔池的温度，获得预期的沉积体内部组织大小与组织生长方向，最终实现对沉积体内部组织生长的控制，从而达到控制沉积体性能的目的。
三、利用动态水冷方法，水流在时间和空间上随着电子束的移动而变化，促使散热方向可人为控制，控制液态金属的最大温度梯度方向，最终实现沉积体内部组织的有效调控。
附图说明
图1是本发明的动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控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，本实施方式的包括动态水冷器3、水泵7、第一连接水管8、水槽9、第二连接水管10、第三连接水管11、溢流阀12、主水管13、基板15、数个分水管5和数个流量控制器14，
动态水冷器3的内部设有数个水流通道4，数个分水管5与数个水流通道4一一对应，动态水冷器3与主水管13通过数个分水管5密封连接，流量控制器14密封安装在分水管5上，每个分水管5上设置有一个流量控制器14，水泵7与主水管13通过第二连接水管10密封连接，水泵7与水槽9通过第一连接水管8连接，主水管13与水槽9通过第三连接水管11连接，溢流阀12密封安装在第三连接水管11上，基板15固定在动态水冷器3上，并保持良好的接触。各个水管连接时均采用密封接头6相连接。所述动态水冷器3的材质为紫铜。紫铜导热性良好。
动态水冷器3内部的水流通道4可尽量多设置，以保证散热的效果。
基板15与动态水冷器3须紧密接触。
流量控制器14安装在分水管5中间，可通过电脑控制，实现水流的通断功能；多个流量控制器14可根据沉积体实际性能要求，独立控制每个水流通道4的水流量。
水槽9内部液体为液态冷却介质，如乙二醇水溶液。水槽9放置于真空室外部，通过第二连接水管10和第三连接水管11与真空室内部的动态水冷器3相连接。
使用时，水槽9内部放置热电偶，热电偶于可通过电脑控制以进行水温的调控。
使用前，将水泵7通过第一连接水管8可从水槽9中抽水，压入主水管13中，多主水管13中的水压过大时，水流通过溢流阀12流入到水槽9中，实现稳定主水管13内部的水压调节；
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、将热电偶置于水槽9中；
步骤二、利用电子束1在基板15上表面进行电子束熔丝沉积，在沉积过程中通过热电偶反馈调节水槽9内部的水温，如果热电偶检测出水槽9内部水温低于预设水温1℃，则通过电阻加热方式对水槽9内部的液体进行加热；如果热电偶检测出水槽9内部水温高于预设水温1℃，则通过水冷机对水槽9内部的液体进行冷却，通过流量控制器14调节电子束正下方对应的水流通道4内部水流压力，当需要获得细晶粒的沉积体时，水槽9内部水温为14℃～20℃，水流通道4内部的水压为0.5MPa～0.6MPa；当需要获得粗晶粒的沉积体时，水槽9内部水温为25℃～30℃，水流通道4内部的水压为0MPa～0.2MPa。通过热电偶反馈调节水槽9内部水温，通过流量控制器14调节水流通道4内部水流量，即实现沉积体内部组织的调控。
本实施方式中的电阻加热方式对水槽9内部的液体进行加热为本领域的常规技术。水冷机对水槽9内部的液体进行冷却为本领域的常规技术。
针对本实施方式中的“细晶粒的沉积体”和“粗晶粒的沉积体”，现举例说明一下：当沉积体的材质为“2系铝合金”时，细晶粒尺寸为10μm～80μm，粗晶粒尺寸为80μm～300μm。
所述步骤二中，当需要获得沉积体的性能为各向异性(内部晶粒垂直生长)时，调节流量控制器14，使得水流通道4内部水流始终保持与电子束同步，即电子束正下方对应的水流通道4内部通有水，其水压为0.5MPa～0.6MPa，而其他水流通道4内部不通水或者通少量的水，该少量水的水压为0MPa～0.2MPa，这种方式可提升沉积体的各向异性。
所述步骤二中，当需要获得沉积体的性能为各向同性时，即降低各向异性，调节流量控制器14，使得电子束正下方对应的水流通道4内部不通水或者通少量的水，该少量水的水压为0MPa～0.2MPa，而其他水流通道4内部通有水，其水压为0.5MPa～0.6MPa。这种方式可调节沉积体内部的组织晶粒取向，降低沉积体的各向异性。

Claims (5)

1.一种动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置，其特征在于：所述装置包括动态水冷器(3)、水泵(7)、第一连接水管(8)、水槽(9)、第二连接水管(10)、第三连接水管(11)、溢流阀(12)、主水管(13)、基板(15)、数个分水管(5)和数个流量控制器(14)，动态水冷器(3)的内部设有数个水流通道(4)，动态水冷器(3)与主水管(13)通过数个分水管(5)密封连接，流量控制器(14)密封安装在分水管(5)上，水泵(7)与主水管(13)通过第二连接水管(10)密封连接，水泵(7)与水槽(9)通过第一连接水管(8)连接，主水管(13)与水槽(9)通过第三连接水管(11)连接，溢流阀(12)密封安装在第三连接水管(11)上，基板(15)固定在动态水冷器(3)上。
2.根据权利要求1所述的动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置，其特征在于：所述动态水冷器(3)的材质为紫铜。
3.一种利用权利要求1所述的动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控装置实现动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将热电偶置于水槽(9)中；
步骤二、利用电子束(1)在基板(15)上表面进行电子束熔丝沉积，在沉积过程中通过热电偶反馈调节水槽(9)内部的水温，如果热电偶检测出水槽(9)内部水温低于预设水温1℃，则通过电阻加热方式对水槽(9)内部的液体进行加热；如果热电偶检测出水槽(9)内部水温高于预设水温1℃，则通过水冷机对水槽(9)内部的液体进行冷却，通过流量控制器(14)调节电子束正下方对应的水流通道(4)内部水流压力，当需要获得细晶粒的沉积体时，水槽(9)内部水温为14℃～20℃，水流通道(4)内部的水压为0.5MPa～0.6MPa；当需要获得粗晶粒的沉积体时，水槽(9)内部水温为25℃～30℃，水流通道(4)内部的水压为0MPa～0.2MPa。通过热电偶反馈调节水槽(9)内部水温，通过流量控制器(14)调节水流通道(4)内部水流量，即实现沉积体内部组织的调控。
4.根据权利要求3所述的动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控方法，其特征在于：所述步骤二中，当需要获得沉积体的性能为各向异性时，调节流量控制器(14)，使得水流通道(4)内部水流始终保持与电子束同步，即电子束正下方对应的水流通道(4)内部通有水，其水压为0.5MPa～0.6MPa，而其他水流通道(4)内部不通水或者通少量的水，该少量水的水压为0MPa～0.2MPa。
5.根据权利要求3所述的动态水冷辅助电子束熔丝沉积组织调控方法，其特征在于：所述步骤二中，当需要获得沉积体的性能为各向同性时，调节流量控制器(14)，使得电子束正下方对应的水流通道(4)内部不通水或者通少量的水，该少量水的水压为0MPa～0.2MPa，而其他水流通道(4)内部通有水，其水压为0.5MPa～0.6MPa。
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