CN111250704A - 一种包壳式复合增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种包壳式复合增材制造方法，包括：根据金属构件的数模在基板上进行轮廓沉积形成包壳；将经过充分冶金熔炼的金属液体浇铸至包壳内以填充包壳；检测包壳内的金属液体的温度，当该温度不高于合适锻造的挤压温度时，对包壳内的半固态或固态金属进行平面辊扎、平面挤压或锻造成形；同一包壳内重复前述步骤，一次或多次，直至包壳内金属组织均得到改善以及复合成形坯料满壳为止；在原有包壳的基础上，以多层堆叠方式或水平组合方式再次进行沉积形成至少一个包壳，重复有关步骤，直至形成金属构件。本发明能够提高材料前期冶金质量、制造精度和成形速度，降低金属构件产生宏/微观组织和应力不均匀的风险，从而提高制造效率。

Description

一种包壳式复合增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种包壳式复合增材制造方法。
背景技术
目前增材制造金属构件，基本上是继承了堆焊“点-线-面-体”的工艺路线特征，即成形过程不均匀、不对称的热输入以及凝固过程非平衡的物理冶金状态导致构件产生宏/微观组织和应力不均匀，进而导致宏观变形开裂以及综合力学性能低于锻件或精密铸件的现象。就其本质原因是由于不均匀的热输入产生较大温度梯度导致不均匀冶金环境和应力场，目前比较常用的一维辊轧或微锻造，在一定程度上可以改善金属的组织和性能，但整体性能的连续性仍然存在不少问题。
现有增材制造技术，大致分为直接沉积和直接沉积+复合成形两种。直接沉积，本质上点状熔池熔合沉积成形，在大熔覆量沉积时，组织特征为铸态组织，力学性能表现为强度低，塑性高；而小熔覆量快速冷却，组织形态为多数细小的组织，组织应力和结构应力较大，强度高，但塑性和韧性较低，疲劳性能也不高。直接沉积+辊轧或微锻造的复合成形，本质上是基于点状熔池沉积后改善其性能的一种外加一维压力处理方法，虽然一定程度上可使局部组织晶粒细化，但其两侧自由端因无约束仍然呈现铸态组织，同时复合增材过程中会使轧辊或微锻头材料及其与坯料之间产生强烈的高温烧蚀和静摩擦力，使沉积坯料在层层增加的同时杂质也在增加，构成深度的冶金缺陷，即使经过较多重严格的后处理也无法提高材料的洁净度，再者，单道复合成形影响层深度有先，后续成形熔化弱化前一道细化层，因此常规的复合成形组织延续性较难保证。
此外，构件整体冶金不充分、偏析、各向异性是现有增材成形技术的一个突出的问题，其焦点的控形控性，控形则更多依赖于路径规划，而控性方面更多聚焦于沉积过程的点熔池冶金行为以及后处理，沉积成形后，点熔池凝固特征和层层凝固特征明显，而且在某些导热性差的金属会形成较大的垂直于基板方向柱状晶，种种特点导致现有增材制造构件综合性能低于同成分锻件，应用方向和范围严重受限，远远达不到现代工业抗疲劳制造的需求。进一步地，现有沉积成形精度低和效率较低，虽然粉末床可以达到几十微米级，沉积效率是几百克每小时的量级，但是沉积成形则是毫米级的制造精度，均需后处理才能使用，且沉积成形是几公斤每小时的量级，在成形效率方面远远满足不了工业的大规模需求，且缺乏对传统成形技术的良好继承，因此使得现有增材制造技术成本居高不下。
综合以上问题，就是现有增材制造技术高成本、低效率的主要问题所在，特别是冶金不充分、组织粗大、综合力学性能低下的问题尤为严重。
发明内容
本发明实施例提供了一种包壳式复合增材制造方法，集成冶金熔炼技术、整体铸造技术、堆焊沉积技术及铸造后压力加工技术，达到提高成形冶金质量、制造精度和速度以及降低制造成本的目的。
一种包壳式复合增材制造方法，用于制造金属构件，包括以下步骤：
步骤S11，在密封环境下，根据金属构件的数模在基板上通过激光或电弧沉积方式进行轮廓沉积形成包壳；
步骤S12，将经过充分冶金熔炼的金属液体浇铸至包壳内以填充包壳；
步骤S13，检测包壳内的金属液体的温度，当该温度不高于合适辊轧、锻造或挤压加工温度时，对包壳内的金属液体进行平面辊扎、平面挤压或锻造成形，并判断金属组织形态是否符合金属构件的工艺改善要求；
步骤S14，步骤S13若为否，或改善后的组织未填满包壳，重复步骤S12和步骤S13，直至包壳内金属组织均得到改善以及复合成形坯料满壳为止；
步骤S15，在原有包壳的基础上，以多层堆叠方式或水平组合方式再次进行沉积形成至少一个包壳，重复步骤S12、步骤S13和步骤S14，直至形成金属构件。
进一步地，在步骤S11中，所述包壳的大小和力学承载性能，根据金属构件的数模，成形材料的物理冶金和力学特性、辊轧、挤压及锻造参数来确定。
进一步地，在步骤S12中，每次浇铸完成后，将高温高压气体通入进行浇铸金属液体的导流管中，对导流管内的金属尾液进行冲洗及回收。
进一步地，在步骤S13中，所述包壳的内壁承受的膨胀力大于同温度下挤压或锻造所产生的侧向挤压力。
进一步地，在步骤S13中，当采用辊扎方式改善铸态组织形成金属晶粒时，辊轧柱的母线长度小于包壳的内壁的最小间距，且辊轧时，包壳的型腔内部的单个颗金属晶粒会受到三个方向的挤压力。
进一步地，在步骤S13中，当采用挤压方式改善铸态组织形成金属晶粒时，挤压板的截面尺寸小于包壳的型腔水平截面尺寸，且挤压时，包壳的型腔内部的单个晶粒会受到产生三个方向的挤压力。
进一步地，在步骤S13中，当采用锻造方式改善铸态组织时，锻造接触头的截面尺寸小于包壳的型腔水平最小截面尺寸，且锻造时，包壳的型腔内部锻造点的单个晶粒会受到三个方向的挤压力。
进一步地，该密封环境指处于真空状态，或充满惰性气体或与成形金属不进行物理冶金反应的气氛之中。
综上，本发明结合现代冶金熔炼技术、铸造技术以及挤压锻造技术革新增材成形技术，提高材料前期冶金质量、制造精度和成形速度，严格的控形控性，降低金属构件产生宏/微观组织和应力的不均匀的风险，从而提高制造效率，及降低制造成本和生产周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中包壳式复合增材制造方法的流程图。
图2是本发明一实施例中包壳及辊轧复合成形的示意图。
图3是本发明一实施例中包壳及挤压复合成形的示意图。
图4是本发明一实施例中双层包壳叠加复合成形的示意图。
图5是本发明一实施例中多层包壳叠加复合成形的示意图。
图中：
1-基板；2-包壳；3-金属晶粒；4-辊轧柱；5-单个晶粒；6-基板；7-包壳；8-金属晶粒；9-挤压板；10-挤压力方向；11-单个晶粒；12-包壳；13-半固态或固态金属；14-包壳；15-金属晶粒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参阅图1，本发明提供了一种包壳式复合增材制造方法，用于制造金属构件，包括以下步骤：
步骤S11，在密封环境下，根据金属构件的数模在基板上通过激光或电弧沉积方式进行轮廓沉积形成包壳。
需要说明的是，本发明中，该密封环境处于真空状态或充满惰性气体，或与成形金属不进行物理冶金反应的气氛之中，避免整个制造过程中发生氧化反应。具体可以通过激光粉/丝沉积装置，或电弧粉/丝沉积装置来进行沉积形成包壳。
具体的，在步骤S11中，所述包壳的大小和力学承载性能，根据金属构件的数模，成形材料的物理冶金和力学特性、辊轧、挤压及锻造参数来确定。其中，所述包壳的大小具体包括所述包壳的成形高度和厚度及其截面形状。
步骤S12，将经过充分冶金熔炼的金属液体浇铸至包壳内以填充包壳。
需要说明的是，本步骤中，为了满足铸造冶金的所有需求条件，通过熔炼炉对块状、丝状或粉状金属及其配料进行熔炼形成金属液体。在完成浇铸后，应并确保所述包壳内部的金属液体不出现铸造缺陷。
在步骤S12中，每次浇铸完成后，将高温高压气体通入进行浇铸金属液体的导流管中，对导流管内的金属尾液进行冲洗及回收，以便于后续浇铸的进行，同时回收残渣以节约成本。
步骤S13，检测包壳内的金属液体的温度，当该温度不高于合适辊轧、锻造或挤压加工的挤压温度时，对包壳内的半固态或固态金属进行平面辊扎、平面挤压，以形成细化的金属晶粒，并判断金属组织形态的工艺特性是否符合金属构件的工艺改善要求；
需要说明的是，本步骤中，是为了完成对铸态组织向挤压或锻造态组织的转变，辊轧、挤压或锻造方式基于成形金属的设计要求而定。具体的，所述包壳的内壁承受的膨胀力大于同温度下挤压或锻造所产生的侧向挤压力，以保证辊扎或挤压动作的进行。
步骤S14，步骤S13若为否，或改善后的组织未填满包壳，重复步骤S12和步骤S13，直至包壳内金属组织均得到改善以及复合成形坯料满壳为止。
步骤S15，在原有包壳的基础上，以多层堆叠方式或水平组合方式再次进行沉积形成至少一个包壳，重复步骤S12、步骤S13和步骤S14，直至形成金属构件。
需要说明的是，由于前面的步骤结合了现代冶金熔炼技术、铸造技术以及挤压锻造技术，所以本步骤中得到的金属构件的宏/微观组织和应力比较均匀，而且整个制造过程的效率较高。
进一步需要明确的是，本发明中，同一个包壳需要多少次浇铸和多少次辊轧或挤压成形，才能达到相应要求的细化效果，可根据所采用辊轧或挤压的设备和金属构件所采用材料的工艺特性来决定。
下面以具体的实施例进行说明：
实施例1
请参阅图2，本实施例中，在基板1上形成截面为矩形的所述包壳2，在将经过充分冶金熔炼的金属液体浇铸至所述包壳2内以填满所述包壳2后，采用辊轧柱4对所述包壳2内部的半固态或固态金属进行辊扎形成金属晶粒3。为了便于辊扎的进行，辊轧柱4的母线长度小于包壳2的内壁间距，且挤压时包壳2的型腔内部的单个晶粒5产生上下方向的挤压力。
实施例2
请参阅图3，本实施例中，在基板6上形成截面为矩形的所述包壳7，在将经过充分冶金熔炼的金属液体浇铸至所述包壳7内以填满所述包壳7后，采用挤压板9对所述包壳2内部的半固态或固态金属进行挤压形成金属晶粒8。为了便于挤压的进行，挤压板9(图3中的标号10为挤压力方向)的截面尺寸小于包壳7的型腔水平截面尺寸，且挤压时包壳7的型腔内部的单个晶粒11产生三维方向的挤压力。
实施例3
请参阅图4，本实施例中，在基板上以堆叠方式进行沉积形成两个包壳，再通过辊轧或挤压方式对所述包壳12内部的半固态或固态金属13进行挤压形成金属晶粒。
实施例4
请参阅图5，本实施例中，在基板上以堆叠方式进行沉积形成六个包壳，再通过辊轧或挤压方式对所述包壳14内部的半固态或固态金属进行挤压形成金属晶粒15。
实施例5
本实施例中，在基板上以水平组合方式进行沉积形成两个包壳，再通过挤压板对所述包壳内部的半固态或固态金属进行挤压形成金属晶粒。
综上，本发明结合现代冶金熔炼技术、铸造技术以及挤压锻造技术革新增材成形技术，提高材料前期冶金质量、制造精度和成形速度，严格的控形控性，降低金属构件产生宏/微观组织和应力的不均匀的风险，从而提高制造效率，及降低制造成本和生产周期。同时，本发明使得增材制造可以稳定衔接传统技术与数字化制造优势的同时，向高度集成化、自动化、低能耗方向转变，夯实制造业体系，为将来现代化工业体系升级提供可靠的科学方法。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种包壳式复合增材制造方法，用于制造金属构件，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S11，在密封环境下，根据金属构件的数模在基板上通过激光或电弧沉积方式进行轮廓沉积形成包壳；
步骤S12，将经过充分冶金熔炼的金属液体浇铸至包壳内以填充包壳；
步骤S13，检测包壳内的金属液体的温度，当该温度不高于辊轧、锻造或挤压加工温度时，对包壳内的半固态或固态金属进行平面辊扎、平面挤压或锻造成形，并判断金属组织形态是否符合金属构件的工艺改善要求；
步骤S14，步骤S13若为否，或改善后的组织未填满包壳，重复步骤S12和步骤S13，直至包壳内金属组织均得到改善以及复合成形坯料满壳为止；
步骤S15，在原有包壳的基础上，以多层堆叠方式或水平组合方式再次进行沉积形成至少一个包壳，重复步骤S12、步骤S13和步骤S14，直至形成金属构件。
2.根据权利要求1所述的包壳式复合增材制造方法，其特征在于，在步骤S11中，所述包壳的大小和力学承载性能，根据金属构件的数模，成形材料的物理冶金和力学特性、辊轧、挤压及锻造参数来确定。
3.根据权利要求1所述的包壳式复合增材制造方法，其特征在于，在步骤S12中，每次浇铸完成后，将高温高压气体通入进行浇铸金属液体的导流管中，对导流管内的金属尾液进行冲洗及回收。
4.根据权利要求1所述的包壳式复合增材制造方法，其特征在于，在步骤S13中，所述包壳的内壁承受的膨胀力大于同温度下挤压或锻造所产生的侧向挤压力。
5.根据权利要求1所述的包壳式复合增材制造方法，其特征在于，在步骤S13中，当采用辊扎方式改善铸态组织时，辊轧柱的母线长度小于包壳的内壁的最小间距，且辊轧时，包壳的型腔内部的单个晶粒会受到三向挤压力。
6.根据权利要求1所述的包壳式复合增材制造方法，其特征在于，在步骤S13中，当采用挤压方式改善铸态组织形成金属晶粒时，挤压板的截面尺寸小于包壳的型腔水平截面尺寸，且挤压时包壳的型腔内部的单个晶粒会受到三个方向的挤压力。
7.根据权利要求1所述的包壳式复合增材制造方法，其特征在于，在步骤S13中，当采用锻造方式改善铸态组织形成金属晶粒时，锻造接触头的截面尺寸小于包壳的型腔水平最小截面尺寸，且锻造时包壳的型腔内部锻造点的单个晶粒会受到三个方向的挤压力。
8.根据权利要求1所述的包壳式复合增材制造方法，其特征在于，该密封环境指处于真空状态或充满惰性气体，或与成形金属不进行物理冶金反应的气氛之中。
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