CN110202152B - 间歇喷射式合金锭增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种间歇喷射式合金锭增材制造装置及方法，该装置包括：熔融喷射机构和与之相连的冷凝机构，喷射机构包括带有加热器和保温层的熔融腔；冷凝机构包括带有水冷装置和气冷装置的三维活动冷凝台，其中：熔融腔上设有喷嘴及活动塞杆，三维活动冷凝台在两个铸锭工位之间来回移动以进行气冷处理。本发明生产效率高，可以制备超大尺寸合金铸锭，凝固组织为全等轴晶，且宏观偏析小。

Description

间歇喷射式合金锭增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种合金铸造领域的技术，具体是一种带气体冷却的间歇喷射式大尺寸合金锭增材制造装置及方法，得到的铸锭重量为50kg-50t，适用于各种截面形状的大规格铸锭制备。

背景技术

连续铸造是工业上常规采用的大尺寸合金锭的制造方法，但是对于大型铸锭的制备往往存在宏观偏析和晶粒组织不容易控制的难题，导致产品的合格率低，迫切需要对制备方法进行变革。

现有的增材制造技术通过金属微元的连续熔融叠加和快速凝固制备大尺寸块体材料。由于熔融区域相对较小，增材制造技术普遍可以达到较高的冷却速度，有利于形成更加细小的凝固组织。但是由于其成型原理的制约，这类方法不适合生产用于飞机主体结构的大规格铸锭。

现有的液态增材制造技术均为底部冷却，随铸锭厚度增加，冷却能力减弱，导致晶粒尺寸增加，整个铸锭的晶粒尺寸沿铸锭厚度方向难以保持一致。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种间歇喷射式合金锭增材制造装置及方法，生产效率高，可以制备超大尺寸合金铸锭，凝固组织为全等轴晶，且沿铸锭厚度方向晶粒尺寸均匀一致，宏观偏析小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种间歇喷射式合金锭增材制造装置，包括：熔融喷射机构和与之相连的冷凝机构，喷射机构包括带有加热器和保温层的熔融腔；冷凝机构包括带有水冷装置和气冷装置的三维活动冷凝台，其中：熔融腔上设有喷嘴及活动塞杆，三维活动冷凝台在两个铸锭工位、之间来回移动以进行气冷处理。

所述的喷射机构进一步包括：设置于熔融腔内的液位仪以及与活动塞杆相连的上引装置，其中：液位仪和上引装置分别与总控制台相连，输出液面高度和温度信息并接收上引指令。

所述的三维活动冷凝台包括：冷凝台、水平运动装置、导轨、支撑台、下引装置和运动控制单元，其中：运动控制单元分别输出指令至水平运动装置和下引装置以控制支撑台的水平及竖直方向运动，运动控制单元与所述总控制台相连实现熔融喷射和冷凝的协同处理。

本发明涉及一种基于上述装置的间歇喷射式合金锭增材制造方法，通过熔融喷射机构预热并熔融金属或合金，基于重力和气压将熔融金属或合金以液幕的形式喷射至具有惰性气氛中的冷凝机构中快速铺展冷凝形成半固态金属层并重复至形成大尺寸铸锭。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过产生负压使高温熔体通过长狭缝经喷射形成稳定薄层金属液幕，结合下方快速冷凝台的水平运动使薄层金属液幕快速铺展冷凝，通过控制长狭缝的间歇式闭合，使冷凝台在复位期间金属液幕停止喷出，为了使铸锭达到足够的冷却速度以细化晶粒，还进一步通过狭缝后端的气冷装置为铸锭的凝固提供辅助冷却，通过重复上述过程及冷凝台的同步下引，最终形成大型铸锭。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为喷口局部放大示意图；

图3为气冷装置示意图；

图中：进口闸门 1、导流槽 2、金属液 3、保温层 4、进气管 5、惰性气体 6、挡板7、冷凝台 8、水平运动装置 9、导轨 10、支撑台 11、第一铸锭工位 12、上引装置 13、塞杆14、喷嘴 15、加热器 16、上腔体 17、液位仪 18、第二铸锭工位 19、冷却水管 20、下腔体21、运动控制单元 22、总控制台 23、下引装置 24、真空泵 25、侧封板 26、气冷装置 27。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种间歇喷射式合金锭增材制造装置，包括：熔融喷射机构和与之相连的冷凝机构，喷射机构包括带有加热器16和保温层4的熔融腔；冷凝机构包括带有水冷装置20和气冷装置27的三维活动冷凝台8，其中：熔融腔上设有喷嘴15及活动塞杆14，三维活动冷凝台8在两个铸锭工位12、19之间来回移动以进行气冷处理。

所述的喷射机构进一步包括：设置于熔融腔内的液位仪18以及与活动塞杆14相连的上引装置13，其中：液位仪18和上引装置13分别与总控制台23相连，输出液面高度和温度信息并接收上引指令。

所述的冷凝机构进一步包括：用于放置三维活动冷凝台8的下腔体21，该下腔体21通过真空泵25和进气管5实现铸锭处理的气氛和气压控制。

所述的三维活动冷凝台8包括：冷凝台8、水平运动装置9、导轨10、支撑台11、下引装置24和运动控制单元22，其中：运动控制单元22分别输出指令至水平运动装置9和下引装置24以控制支撑台11的水平及竖直方向运动，运动控制单元22与所述总控制台23相连实现熔融喷射和冷凝的协同处理。

所述的冷凝台8内设有水冷装置20，通过循环供水实现冷却。

所述的气冷装置27正对冷凝台8设置。

所述的总控制台23包括：塞杆上引控制模块、熔体液位控制模块和运动控制模块，其中：塞杆上引控制模块与上引装置相连用于控制塞杆的上下运动，熔体液位控制模块与上腔体中的液位仪相连用于显示液位的同时根据液位情况控制和调节进口闸门的开闭，运动控制模块与运动控制单元相连用于控制水平运动装置和下引装置。

如图2所示，所述的塞杆14的顶部设有堵头，该堵头的宽度与喷嘴15的尺寸相匹配，为长狭缝结构，狭缝开口宽度为d，0.2mm<d<30mm，狭缝长度L₂<3m。

所述的喷嘴15的两侧进一步设有侧封板26。

如图3所示，所述的气冷装置27包括干路管和与之相连的支路管，其中：干路管的一端与冷却气源相连，支路管的顶部设有若干喷头以实现阵列冷却。

所述的气冷装置27设置于喷嘴15一侧，打印过程中通过通入惰性气体对已铺展开的液层进行表面辅助冷却，气冷装置的出气孔直径为d2，1mm<d2<30mm；间距为s，2mm<s<100mm。

如图1所示，所述的下腔体21中的压力P通过真空泵和进气管进行调节，铸锭制备过程中，压力P小于1大气压。水平运动装置9的移动速度为v(v<1000mm/s)，通过移动实现铸锭从一个工位移动到不同的工位，本实施例中两个工位的水平间距s大于铸锭长度L₁(L₁<10m)。

所述的喷嘴15的底面距铸锭表面的距离为h(h<120mm)。

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)，总行程为Z(Z<10m)，通过控制下引装置使喷嘴底面距铸锭表面的距离h保持恒定。

本实施例涉及上述装置的大尺寸铸锭方法，包括以下步骤：

步骤1)首先将塞杆14置于初始位置，即最低位以使喷嘴15处于关闭状态；开启加热器16进行预热，预热到金属液温度T₁(T₁>合金液相线温度)后持续保温；打开进口闸门1使金属液流入上腔体，通过液位仪控制金属液达到合理高度后关闭进口闸门；将下腔体密闭后开启真空泵将下腔体抽真空，当真空度达到要求后关闭真空泵并通过进气管充入惰性气体至压力P₁(P₁＝1个大气压)。

步骤2)开启水冷装置，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h(h<120mm)；开启真空泵，将下腔体压力抽至P₂(P₂<1个大气压)，同步开启上引装置和水平运动装置使塞杆上引、冷凝台发生水平运动、开启气冷装置和真空泵，当金属液在上、下腔体形成的负压作用下经喷嘴形成稳定薄层金属液幕喷出，结合下方快速冷凝台的水平运动使薄层金属液幕快速铺展冷凝形成半固态金属层，并依靠气冷装置进行辅助冷却，通过真空泵将热空气带走并维持压力均衡；

步骤3)当喷嘴与冷凝台相对运动距离达到铸锭长度L时，控制塞杆复位关闭喷嘴，在喷嘴与冷凝台相对运动距离达到s时(第二铸锭工位)，控制水平运动装置停止并回复到初始位置(第一铸锭工位)，同时开启下引装置，使喷嘴底面距铸锭表面的距离h保持恒定。

步骤4)重复步骤2和步骤3使金属液薄层液幕间歇性铺展得到大尺寸铸锭，同时在铸锭制备过程中，随着金属液不断消耗，待上腔体液位降低至警戒液位时，打开进口闸门补充金属液，至稳定水平后再关闭进口闸门。

铸锭制备完毕后，关闭塞杆阻断金属液从喷嘴流出，关闭水平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，关闭气冷装置和真空泵，结束制备过程。

通过上述方法制备得到的7055铝合金铸锭，设定铝液温度为670℃，喷嘴狭缝开口宽度为8mm，狭缝长度为1.2m，冷凝台水平移动速度为350mm/s，气冷装置气体流量为40L/min，铸锭长度为3.5m，铸锭厚度为0.6m，经过50分钟制备出3.5m*1.2m*0.6m的大铸锭。铸锭凝固组织致密，宏观偏析小于8％，为全等轴晶，晶粒平均尺寸60-90μm。

通过上述方法制备Al-4Cu-0.3Ce铝合金铸锭，设定铝液温度为700℃，喷嘴狭缝开口宽度为10mm，狭缝长度为1.2m，冷凝台水平移动速度为220mm/s，气冷装置气体流量为30L/min，铸锭长度为4.5m，铸锭厚度为0.5m，经过70分钟制备出4.5m*1.2m*0.5m的大铸锭。铸锭凝固组织致密，宏观偏析小于8％，为全等轴晶，晶粒平均尺寸70-110μm。

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)

1.一种间歇喷射式合金锭增材制造装置，其特征在于，包括：熔融喷射机构和与之相连的冷凝机构，喷射机构包括带有加热器和保温层的熔融腔；冷凝机构包括带有水冷装置和气冷装置的三维活动冷凝台，其中：熔融腔上设有喷嘴及活动塞杆，三维活动冷凝台在两个铸锭工位之间来回移动以进行气冷处理；

所述的喷射机构进一步包括：设置于熔融腔内的液位仪以及与活动塞杆相连的上引装置，其中：液位仪和上引装置分别与总控制台相连，输出液面高度和温度信息并接收上引指令；

其中，两个所述铸锭工位分别为第一铸锭工位和第二铸锭工位，所述喷嘴位于所述第一铸锭工位的上方，所述气冷装置位于所述第二铸锭工位的上方，当所述三维活动冷凝台在所述第一铸锭工位时，金属液经喷嘴形成稳定薄层金属液幕喷出，当所述三维活动冷凝台从所述第一铸锭工位向所述第二铸锭工位移动的过程中，所述水冷装置和所述气冷装置使所述薄层金属液幕冷凝形成半固态金属层，当喷嘴与冷凝台相对运动距离达到铸锭长度L时，控制塞杆复位关闭喷嘴。

2.根据权利要求1所述的间歇喷射式合金锭增材制造装置，其特征是，所述的三维活动冷凝台包括：冷凝台、水平运动装置、导轨、支撑台、下引装置和运动控制单元，其中：运动控制单元分别输出指令至水平运动装置和下引装置以控制支撑台的水平及竖直方向运动，运动控制单元与所述总控制台相连实现熔融喷射和冷凝的协同处理。

3.根据权利要求1所述的间歇喷射式合金锭增材制造装置，其特征是，所述的总控制台包括：塞杆上引控制模块、熔体液位控制模块和运动控制模块，其中：塞杆上引控制模块与上引装置相连用于控制塞杆的上下运动，熔体液位控制模块与上腔体中的液位仪相连用于显示液位的同时根据液位情况控制和调节进口闸门的开闭，运动控制模块与运动控制单元相连用于控制水平运动装置和下引装置。

4.根据权利要求1所述的间歇喷射式合金锭增材制造装置，其特征是，所述的冷凝机构进一步包括：用于放置三维活动冷凝台的下腔体，该下腔体通过真空泵和进气管实现铸锭处理的气氛和气压控制。

5.根据权利要求1所述的间歇喷射式合金锭增材制造装置，其特征是，所述的塞杆的顶部设有堵头，该堵头的宽度与喷嘴的尺寸相匹配，为长狭缝结构，狭缝开口宽度为d，0 .2mm<d<30mm，狭缝长度L2<3m。

6.根据权利要求1所述的间歇喷射式合金锭增材制造装置，其特征是，所述的气冷装置包括干路管和与之相连的支路管，其中：干路管的一端与冷却气源相连，支路管的顶部设有若干喷头以实现阵列冷却；

所述的气冷装置设置于喷嘴一侧，打印过程中通过通入惰性气体对已铺展开的液层进行表面辅助冷却，气冷装置的出气孔直径为d2，1mm<d2<30mm；间距为s，2mm<s<100mm。

7.一种基于上述任一权利要求所述装置的间歇喷射式合金锭增材制造方法，其特征在于，通过熔融喷射机构预热并熔融金属或合金，基于重力和气压将熔融金属或合金以液幕的形式喷射至具有惰性气氛中的冷凝机构中快速铺展冷凝形成半固态金属层并重复至形成大尺寸铸锭。

8.根据权利要求7所述的间歇喷射式合金锭增材制造方法，其特征是，具体包括：

步骤1)首先将塞杆置于初始位置，即最低位以使喷嘴处于关闭状态；开启加热器进行预热，预热到合金液相线温度以上后持续保温；打开进口闸门使金属液流入上腔体，通过液位仪控制金属液达到合理高度后关闭进口闸门；将下腔体密闭后开启真空泵将下腔体抽真空，当真空度达到要求后关闭真空泵并通过进气管充入惰性气体至一个大气压；

步骤2)开启水冷装置，通过运动控制单元控制下引装置，使喷嘴到冷凝台的距离小于120mm；开启真空泵，将下腔体压力抽至一个大气压以下，同步开启上引装置和水平运动装置使塞杆上引、冷凝台发生水平运动、开启气冷装置和真空泵，当金属液在上、下腔体形成的负压作用下经喷嘴形成稳定薄层金属液幕喷出，结合下方快速冷凝台的水平运动使薄层金属液幕快速铺展冷凝形成半固态金属层，并依靠气冷装置进行辅助冷却，通过真空泵将热空气带走并维持压力均衡；

步骤3)当喷嘴与冷凝台相对运动距离达到铸锭长度L时，控制塞杆复位关闭喷嘴，在喷嘴与冷凝台相对运动距离达到s，即第二铸锭工位，控制水平运动装置停止并回复到初始位置，即第一铸锭工位，同时开启下引装置，使喷嘴底面距铸锭表面的距离h保持恒定；

步骤4)重复步骤2和步骤3使金属液薄层液幕间歇性铺展得到大尺寸铸锭，同时在铸锭制备过程中，随着金属液不断消耗，待上腔体液位降低至警戒液位时，打开进口闸门补充金属液，至稳定水平后再关闭进口闸门。

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