CN112139497B - 一种高温整体预热辅助增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温整体预热辅助增材制造装置及方法，属于增材制造技术领域。高温整体预热辅助系统包括高温腔体、腔体绝热防护罩、加热元件、驱动机构、高温热电偶及基体支撑机构。高温腔体固定于承重架上并保持绝对位置不变，驱动机构通过基体支撑机构带动成形基板同步运动，实现与增材沉积头之间的相对运动。本发明能实现成形构件整体均匀预热缓冷，降低增材制造过程中的成形热应力，进而有效抑制材料开裂，显著提升材料的力学性能。通过加热装置对成形基板及已沉积构件同步预热缓冷，减小残余应力，有效提升无缺陷构件尺寸；通过改变预热温度及预热速率，可实现微观组织的定制，制备具备特殊性能的构件。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种高温整体预热辅助增材制造装置及方法。
背景技术
增材制造技术的出现为复杂构件的高效制备提供了新的选择，该技术工艺简单、成本低廉，可极大提高制备效率；增材制造技术摆脱了模具限制，可轻易实现任意复杂形状构件及功能梯度构件的制备。然而，由于增材制造过程中激光/电子束等高能束形成的熔池具备极高的冷却速率和温度梯度，因此构件成形过程中存在较大的成形热应力，极易造成构件的开裂和翘曲变形。高温预热可降低成形过程中的冷却速率及温度梯度，减小成形构件中的残余应力，是当前效果较好的增材制造辅助手段。
专利CN201610284077.5报道了一种激光选区熔化电磁感应立体加热系统，利用电感线圈加热石墨块，石墨块中热量经过传导实现构件加工平面区域的立体加热。预热系统降低了激光选区熔化熔池冷却凝固速率及加工层间温度梯度，减小构件内残余应力。但所述电磁感应立体加热装置中电感线圈位于加工平面，仅对熔池区域预热导致整体构件温度分布不均匀，预热效果有限且不适用于大尺寸构件的成形。
专利CN201711275078.4报道了一种电磁感应加热3D打印成形系统，高效、小巧的电感线圈对基板进行均匀预热，降低了激光选区熔化过程中的温度梯度和热应力，避免了构件与基板连接部位的开裂。然而，所述电磁感应装置将电磁感应线圈置于基板底部，仅可实现基板预热，随着构件堆积加工平面逐渐远离基板位置，预热效果急剧降低，温度梯度逐渐增大，预热效果无法得到保障。
专利CN202010249494.2报道了一种薄壁异形金属构件增材制造过程残余应力控制方法，预热基板的同时采用高频感应或激光束等辅助热源对熔池附近区域进行加热，可控制直接激光沉积过程中的温度场获得合适的温度梯度，从而降低构件残余应力。但所述残余应力控制方法预热温度较低，且基板预热效果随着构件堆积逐渐消失，而小区域熔池预热降低残余应力的效果有限，仅适用于小尺寸构件制备。
发明内容
针对现有高温预热方法存在的预热面积小、预热不连续及预热温度低等诸多问题，本发明提出一种高温整体辅助预热辅助增材制造装置及方法。近乎全封闭的整体保温装置可对基板及已沉积构件实时同步预热缓冷，充分降低构件整体温度梯度，减小沉积过程中的成形热应力，充分释放构件中残余应力，抑制构件的开裂倾向。此外，整体高温预热系统预热均匀且预热温度高，可实时控制预热速率和预热温度，灵活调控熔池冷却速率，可实现微观组织的定制，制备具备特殊性能的构件。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高温整体预热辅助增材制造装置，包括高温腔体5、增材沉积头2、驱动机构10、基体支撑平台13、成形基板14、基体支撑杆9、腔体上部绝热防护罩4、腔体下部绝热防护罩8、加热元件7、中央控制器11和高温热电偶12；所述的高温腔体5固定于承重架6上，高温腔体5的顶部设有增材沉积头2，底部设有驱动机构10，内部设有基体支撑平台13及成形基板14。驱动机构10与基体支撑平台13之间通过基体支撑杆9连接，通过驱动机构10调控成形基板14与增材沉积头2之间的相对运动完成扫描路径变化，实现复杂形状构件的高温整体预热辅助增材制造。
所述的高温腔体5上侧设有腔体上部绝热防护罩4，下侧设有腔体下部绝热防护罩8，防护罩分别与增材沉积头2及基体支撑杆9紧密接触以保证密封性。
所述的高温腔体5内壁设有加热元件7，加热元件7与中央控制器11连接，通过调整输出功率控制预热温度及升温速率，实现对成形构件15高温整体实时预热缓冷。
所述的高温腔体5内部设有实时监测腔内温度的高温热电偶12，高温热电偶12中央控制器11连接。
进一步的，所述的高温腔体5内、外壁之间设有降低温度的冷却装置16。
进一步的，增材沉积头2与腔体上部绝热防护罩4之间设有增材沉积头防热保护罩3，此时，增材沉积头防热保护罩3与腔体上部绝热防护罩4之间紧密接触。
进一步的，所述的增材沉积头2实现Y向运动时，驱动机构10带动成形基板14实现X与Z向运动。
进一步的，所述的增材沉积头2实现X向运动时，驱动机构10带动成形基板14实现Y与Z向运动。
进一步的，所述的增材沉积头2实现X与Y向运动时，驱动机构10带动成形基板14实现Z向运动。
进一步的，所述的增材沉积头2为激光头、电弧焊枪、电子枪、等离子枪或激光-电弧复合沉积头等沉积头。
进一步的，所述的成形构件15为金属构件、陶瓷构件、金属/陶瓷复合构件或金属间化合物构件。
一种高温整体预热辅助增材制造方法，步骤如下：
第一步，将高温腔体5固定于承重架6上，并通过腔体上部绝热防护罩4和腔体下部绝热防护罩8保证高温腔体5的密封性。增材沉积头2由高温腔体5上部开口进入腔体，基体支撑杆9由高温腔体5下部开口进入腔体；
第二步，将基体支撑杆9一端固定在驱动机构10上，基体支撑平台13固定于基体支撑杆9另一端。将成形基板14打磨、清洗、烘干后固定于基体支撑平台13上；
第三步，打开加热元件7在高温腔体5内营造成形预热环境，通过高温热电偶12及中央控制器11实时监测预热温度；
第四步，设置预热温度及增材制造工艺参数，调整高能束1聚焦于成形基板14表面；高温腔体5内部达到设置预热温度后开始高温整体预热辅助增材制造。通过驱动机构10实现成形基板14与增材沉积头2之间的三维相对运动，完成不同形状构件的成形制备；
进一步的，增材沉积头2进入高温腔体5前安装增材沉积头防热保护罩3，避免增材沉积头2受到高温损害。
进一步的，所述的增材沉积头2实现Y向运动时，驱动机构10带动成形基板14实现X与Z向运动。
进一步的，所述的增材沉积头2实现X向运动时，驱动机构10带动成形基板14实现Y与Z向运动。
进一步的，所述的增材沉积头2实现X与Y向运动时，驱动机构10带动成形基板14实现Z向运动。
进一步的，预热温度范围为25℃-2000℃，沉积速度V调整范围为10mm/min-2000mm/min，驱动机构(10)单层下降高度调整范围为0.1mm-5.0mm，保证原料处于完全熔融状态。
进一步的，所述增材制造方法为激光增材制造方法、电弧增材制造方法、电子束增材制造方法、等离子弧增材制造方法或激光-电弧复合增材制造等复合增材制造方法。
进一步的，所述原料为粉末或丝材。
进一步的，所述粉末或丝材为金属粉末、金属丝材、陶瓷粉末、金属陶瓷混合粉末、金属间化合物丝材或金属间化合物粉末。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
本发明能实现对成形基板及已沉积构件同步预热缓冷，充分降低构件整体温度梯度，减小沉积过程中的成形热应力，充分释放构件中残余应力，抑制构件的开裂倾向。此外，整体高温预热系统预热均匀且预热温度高，可实时控制预热速率和预热温度，灵活调控熔池冷却速率，可实现微观组织的定制，制备具备特殊性能的构件。
附图说明
图1为一种高温整体预热辅助增材制造装置示意图，增材沉积头可实现Y向运动。
图2为一种高温整体预热辅助增材制造装置示意图，增材沉积头可实现X向运动。
图3为一种高温整体预热辅助增材制造装置示意图，增材沉积头可实现X与Y向运动。
图中：1高能束；2增材沉积头；3增材沉积头防热保护罩；4腔体上部绝热防护罩；5高温腔体；6承重架；7加热元件；8腔体下部绝热防护罩；9基体支撑杆；10驱动机构；11中央控制器；12高温热电偶；13基体支撑平台；14成形基板；15成形构件；16冷却装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1：
以高温整体预热辅助直接激光沉积Al2O3/Al2TiO5复合陶瓷材料为例，如图1所示，高温整体预热辅助增材制造装置采用本文发明的设备，具体包括如下步骤：
将高温腔体5固定于承重架6上，将增材沉积头防热保护罩安装在增材沉积头2上，保证成形过程中增材沉积头2温度不超过50℃。增材沉积头2由高温腔体5上部开口进入腔体，基体支撑杆9由高温腔体5下部开口进入腔体，腔体上部绝热防护罩4和腔体下部绝热防护罩8分别覆盖于高温腔体5上下两侧。
将基体支撑杆9一端固定在驱动机构10上，基体支撑平台13固定于基体支撑杆9另一端。通过240目碳化硅砂纸将成形基板14打磨，用丙酮和酒精清洗并由吹风筒烘干后，固定于基体支撑平台13上，且距离增材沉积头2正下方9mm。
分别将直径为40μm-90μm的球形Al2O3粉末与直径为40μm-90μm的球形TiO2粉末置于120℃烘干箱中干燥处理4h。烘干后按照Al2O3：TiO2＝94mol％:6mol％比例机械混合均匀，随后将混合粉末置于送粉器中。
设置预热温度及增材制造工艺参数，调整激光束聚焦于成形基板14表面。加热元件7输出功率设置为6kW，预热温度为1500℃。激光功率P为250W，扫描速度V为300mm/min，驱动机构10单层下降高度为0.4mm。
打开加热元件7在高温腔体5内成形环境进行预热，高温热电偶12及中央控制器11实时监测预热温度。达到设置温度后，先后打开惰性气体、送粉器及激光器，开始Al2O3/Al2TiO5复合陶瓷圆环结构件成形。
成形过程中增材沉积头2沿Y向运动，驱动机构10带动成形基板14沿X与Z向运动。增材沉积头2相对成形基板14做逆时针圆周运动，圆周轨迹直径为50mm。每沉积一层材料，驱动机构10下降0.4mm进行下一层高温整体预热辅助直接激光沉积成形。
直接激光沉积过程中存在严重的热积累，因此每沉积20层材料后，调节预热温度降低100℃，直至达到设定扫描层数。
沉积成形结束后，驱动机构10停止运动，按照先后顺序关闭激光器、送粉器及惰性气体，最后关闭加热元件7。
已成形构件若需热处理，将增材沉积头2移出高温腔体5。打开加热元件7设置输出功率，通过高温热电偶12监测热处理温度，即可对成形构件进行退火处理。
实施例2：
以高温整体预热辅助直接激光沉积Al2O3/Al2TiO5复合陶瓷材料为例，如图2所示，高温整体预热辅助增材制造装置采用本文发明的设备，具体包括如下步骤：
将高温腔体5固定于承重架6上，将增材沉积头防热保护罩安装在增材沉积头2上，保证成形过程中增材沉积头2温度不超过50℃。增材沉积头2由高温腔体5上部开口进入腔体，基体支撑杆9由高温腔体5下部开口进入腔体，腔体上部绝热防护罩4和腔体下部绝热防护罩8分别覆盖于高温腔体5上下两侧。
将基体支撑杆9一端固定在驱动机构10上，基体支撑平台13固定于基体支撑杆9另一端。通过240目碳化硅砂纸将成形基板14打磨，用丙酮和酒精清洗并由吹风筒烘干后，固定于基体支撑平台13上，且距离增材沉积头2正下方9mm。
分别将直径为40μm-90μm的球形Al2O3粉末与直径为40μm-90μm的球形TiO2粉末置于120℃烘干箱中干燥处理4h。烘干后按照Al2O3：TiO2＝94mol％:6mol％比例机械混合均匀，随后将混合粉末置于送粉器中。
设置预热温度及增材制造工艺参数，调整激光束聚焦于成形基板14表面。加热元件7输出功率设置为6kW，预热温度为1500℃。激光功率P为250W，扫描速度V为300mm/min，驱动机构10单层下降高度为0.4mm。
打开加热元件7在高温腔体5内成形环境进行预热，高温热电偶12及中央控制器11实时监测预热温度。达到设置温度后，先后打开惰性气体、送粉器及激光器，开始Al2O3/Al2TiO5复合陶瓷圆环结构件成形。
成形过程中增材沉积头2沿X向运动，驱动机构10带动成形基板14沿Y与Z向运动。增材沉积头2相对成形基板14做逆时针圆周运动，圆周轨迹直径为50mm。每沉积一层材料，驱动机构10下降0.4mm进行下一层高温整体预热辅助直接激光沉积成形
直接激光沉积过程中存在严重的热积累，因此每沉积20层材料后，调节预热温度降低100℃，直至达到设定扫描层数。
沉积成形结束后，驱动机构10停止运动，按照先后顺序关闭激光器、送粉器及惰性气体，最后关闭加热元件7。
已成形构件若需热处理，将增材沉积头2移出高温腔体5。打开加热元件7设置输出功率，通过高温热电偶12监测热处理温度，即可对成形构件进行退火处理。
实施例3：
以高温整体预热辅助直接激光沉积Al2O3/Al2TiO5复合陶瓷材料为例，如图3所示，高温整体预热辅助增材制造装置采用本文发明的设备，具体包括如下步骤：
将高温腔体5固定于承重架6上，将增材沉积头防热保护罩安装在增材沉积头2上，保证成形过程中增材沉积头2温度不超过50℃。增材沉积头2由高温腔体5上部开口进入腔体，基体支撑杆9由高温腔体5下部开口进入腔体，腔体上部绝热防护罩4和腔体下部绝热防护罩8分别覆盖于高温腔体5上下两侧。
将基体支撑杆9一端固定在驱动机构10上，基体支撑平台13固定于基体支撑杆9另一端。通过240目碳化硅砂纸将成形基板14打磨，用丙酮和酒精清洗并由吹风筒烘干后，固定于基体支撑平台13上，且距离增材沉积头2正下方9mm。
分别将直径为40μm-90μm的球形Al2O3粉末与直径为40μm-90μm的球形TiO2粉末置于120℃烘干箱中干燥处理4h。烘干后按照Al2O3：TiO2＝94mol％:6mol％比例机械混合均匀，随后将混合粉末置于送粉器中。
设置预热温度及增材制造工艺参数，调整激光束聚焦于成形基板14表面。加热元件7输出功率设置为6kW，预热温度为1500℃。激光功率P为250W，扫描速度V为300mm/min，驱动机构10单层下降高度为0.4mm。
打开加热元件7在高温腔体5内成形环境进行预热，高温热电偶12及中央控制器11实时监测预热温度。达到设置温度后，先后打开惰性气体、送粉器及激光器，开始Al2O3/Al2TiO5复合陶瓷圆环结构件成形。
成形过程中增材沉积头2沿X与Y向运动，驱动机构10带动成形基板14沿Z向运动。增材沉积头2相对成形基板14做逆时针圆周运动，圆周轨迹直径为50mm。每沉积一层材料，驱动机构10下降0.4mm进行下一层高温整体预热辅助直接激光沉积成形
直接激光沉积过程中存在严重的热积累，因此每沉积20层材料后，调节预热温度降低100℃，直至达到设定扫描层数。
沉积成形结束后，驱动机构10停止运动，按照先后顺序关闭激光器、送粉器及惰性气体，最后关闭加热元件7。
已成形构件若需热处理，将增材沉积头2移出高温腔体5。打开加热元件7设置输出功率，通过高温热电偶12监测热处理温度，即可对成形构件进行退火处理。
以上所述实施案例仅表达本发明的实施方式，但不能因此而理解为本发明专利的范围的限制。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高温整体预热辅助增材制造装置，其特征在于，包括高温腔体(5)、增材沉积头(2)、驱动机构(10)、基体支撑平台(13)、成形基板(14)、基体支撑杆(9)、腔体上部绝热防护罩(4)、腔体下部绝热防护罩(8)、加热元件(7)、中央控制器(11)和高温热电偶(12)；所述的高温腔体(5)固定于承重架(6)上，高温腔体(5)的顶部设有增材沉积头(2)，底部设有驱动机构(10)，内部设有基体支撑平台(13)及成形基板(14)；驱动机构(10)与基体支撑平台(13)之间通过基体支撑杆(9)连接，通过驱动机构(10)调控成形基板(14)与增材沉积头(2)之间的相对运动完成扫描路径变化，实现复杂形状构件的高温整体预热辅助增材制造；
所述的高温腔体(5)上侧设有腔体上部绝热防护罩(4)，下侧设有腔体下部绝热防护罩(8)，防护罩分别与增材沉积头(2)及基体支撑杆(9)紧密接触以保证密封性；
所述的高温腔体(5)内壁设有加热元件(7)，加热元件(7)与中央控制器(11)连接，通过调整输出功率控制预热温度及升温速率，实现对成形构件(15)高温整体实时预热缓冷；
所述的高温腔体(5)内部设有实时监测腔内温度的高温热电偶(12)，高温热电偶(12)与中央控制器(11)连接；
增材沉积头(2)与腔体上部绝热防护罩(4)之间设有增材沉积头防热保护罩(3)，此时，增材沉积头防热保护罩(3)与腔体上部绝热防护罩(4)之间紧密接触；
所述的增材沉积头(2)实现Y向运动时，驱动机构(10)带动成形基板(14)实现X与Z向运动；所述的增材沉积头(2)实现X向运动时，驱动机构(10)带动成形基板(14)实现Y与Z向运动；所述的增材沉积头(2)实现X与Y向运动时，驱动机构(10)带动成形基板(14)实现Z向运动；
增材沉积头(2)进入高温腔体(5)前安装增材沉积头防热保护罩(3)，避免增材沉积头(2)受到高温损害。
2.根据权利要求1所述的一种高温整体预热辅助增材制造装置，其特征在于，所述的高温腔体(5)内、外壁之间设有降低温度的冷却装置(16)。
3.根据权利要求1所述的一种高温整体预热辅助增材制造装置，其特征在于，所述的成形构件(15)为金属构件、陶瓷构件、金属/陶瓷复合构件或金属间化合物构件；所述的增材沉积头(2)为激光头、电弧焊枪、电子枪、等离子枪或激光-电弧复合沉积头。
4.采用权利要求1-3任一所述的装置进行一种高温整体预热辅助增材制造方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，将高温腔体(5)固定于承重架(6)上，并通过腔体上部绝热防护罩(4)和腔体下部绝热防护罩(8)保证高温腔体(5)的密封性；增材沉积头(2)由高温腔体(5)上部开口进入腔体，基体支撑杆(9)由高温腔体(5)下部开口进入腔体；
第二步，将基体支撑杆(9)一端固定在驱动机构(10)上，基体支撑平台(13)固定于基体支撑杆(9)另一端；将成形基板(14)打磨、清洗、烘干后固定于基体支撑平台(13)上；
第三步，打开加热元件(7)在高温腔体(5)内营造成形预热环境，通过高温热电偶(12)及中央控制器(11)实时监测预热温度；
第四步，设置预热温度及增材制造工艺参数，调整高能束(1)聚焦于成形基板(14)表面；高温腔体(5)内部达到设置预热温度后开始高温整体预热辅助增材制造；通过驱动机构(10)实现成形基板(14)与增材沉积头(2)之间的三维相对运动，完成不同形状构件的成形制备。
5.根据权利要求4所述的一种高温整体预热辅助增材制造方法，其特征在于，所述的增材沉积头(2)实现Y向运动时，驱动机构(10)带动成形基板(14)实现X与Z向运动；所述的增材沉积头(2)实现X向运动时，驱动机构(10)带动成形基板(14)实现Y与Z向运动；所述的增材沉积头(2)实现X与Y向运动时，驱动机构(10)带动成形基板(14)实现Z向运动。
6.根据权利要求4所述的一种高温整体预热辅助增材制造方法，其特征在于，预热温度范围为25℃-2000℃，沉积速度V调整范围为10mm/min-2000mm/min，驱动机构(10)单层下降高度调整范围为0.1mm-5.0mm，保证原料处于完全熔融状态。
7.根据权利要求6所述的一种高温整体预热辅助增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法为激光增材制造方法、电弧增材制造方法、电子束增材制造方法、等离子弧增材制造方法或激光-电弧复合增材制造方法；所述原料为粉末或丝材；所述粉末或丝材为金属粉末、金属丝材、陶瓷粉末、金属陶瓷混合粉末、金属间化合物丝材或金属间化合物粉末。
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