CN112496344B

CN112496344B - 一种直接金属沉积增材制造设备

Info

Publication number: CN112496344B
Application number: CN202110141684.7A
Authority: CN
Inventors: 胡俊; 张达明; 本·威尔森
Original assignee: Individual
Current assignee: Suzhou Beifeng Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2041-02-02
Also published as: CN112496344A

Abstract

发明公开了一种直接金属沉积增材制造设备，包括可移动的支撑平台；直接金属沉积系统，包含熔覆头，该熔覆头由安装在支撑平台附近的多轴机械臂控制，多轴机械臂可以根据要求实时移动熔覆头；中央处理器集成计算机数控系统，以使直接金属沉积系统沉积连续的金属沉积层以构建或修复所述构件。本发明的直接金属沉积增材制造设备，中央处理器在闭环控制下，通过对支撑平台和多轴机械臂联合控制实现增材制造，以使每一连续沉积的金属层能够依据构件的3D模型，对所述构件进行增材制造和修复。

Description

一种直接金属沉积增材制造设备

技术领域

本发明涉及一种用于构件的构建或修复的直接金属沉积增材制造设备，该设备基于分层技术，通过施加电弧或电磁束，或者通过感应加热来熔化金属原料，从而进行金属分层熔覆沉积。

背景技术

各种直接金属沉积系统应用于零件的增材制造，与通过电磁束选区熔化进行金属沉积的3D金属打印并行。直接金属沉积系统包括基于焊接成形的金属沉积系统，通过电弧将金属丝或金属棒熔化形成熔池，如钨极气保焊（TIG）、熔化极气保焊（MIG），或通过等离子、感应加热熔化金属形成熔池的其他系统。直接金属沉积系统还包括喷粉沉积系统，通过电磁束，比如采用激光或者电子束技术，熔融吹制的金属粉末来实现金属沉积，其中直接激光沉积系统（DLD）是最常用的系统。

不同的直接金属沉积系统有不同的应用场景。一些系统更适合于生产净成型或近净成型产品,比如喷粉沉积系统。所有的直接金属沉积系统的构建时间都比粉末床选区熔化沉积系统的构建时间短，其中基于焊接成形的沉积系统具有最快的构建时间，但是该系统通常适用于构件能够辅以机械加工，或其他后处理操作来达到目标效果的原型生产。喷粉沉积系统，特别是DLD直接激光沉积系统，能够在构建时间和构件质量（比如尺寸精度和表面光洁度）两者之间达到一个平衡，既能缩短增材制造的时间，又能使构件的精度和表面光洁度能够达到净成型或近净成型产品的要求。

DLD实际上是最常用的增材制造技术之一。在DLD增材制造过程中，金属粉末被吹入由高能激光束产生的熔池中。与其他激光粉末床技术相比，比如选区激光熔覆工艺，DLD不受粉末床尺寸的限制，在为航空航天工业制造大型零件的应用上显示出绝对的优势。

Ti-6Al-4V (Ti64)是世界上使用最广泛的钛合金，被DLD广泛用于飞机以及其他工程部件的制造。然而，通过DLD构建Ti64构件，在增材制造过程中容易形成沿沉积方向生长的大柱状晶体，这导致了构件在不同方向上的力学性能各向异性，具体在下文中做描述。限制DLD技术应用的另一个问题是，在增材制造过程中，构件容易形成缺陷或孔洞，这些缺陷或孔洞在增材制造过程中可能随机形成。大型部件，如飞机上的钛合金部件，作为承载部件，其疲劳寿命至关重要，但缺陷和孔洞会导致部件的疲劳寿命急剧下降。

因此，现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明提供了一种直接金属沉积增材制造设备，能够细化和均匀化构件的晶粒结构，并且减少或消除增材制造过程中产生的缺陷或孔洞。

为解决其技术问题，本发明提供的直接金属沉积增材制造设备，包括：用于进行构建或修复构件的支撑平台，该支撑平台能够沿水平延伸的X-Y平面进行移动。该增材制造设备还包括直接金属沉积系统，该直接金属沉积系统具有熔覆头，该熔覆头由多轴机械臂在支撑平台上方承载，该多轴机械臂设置在支撑平台附近。该多轴机械臂用于驱动熔覆头在三维坐标轴上与支撑平台保持联动，该三维坐标轴包括平行于水平延伸平面的X轴和Y轴，以及垂直于水平延伸平面的Z轴。该增材制造设备还包括中央处理器，该中央处理器集成计算机数控系统，以使直接金属沉积系统沉积连续的金属沉积层以构建或修复构件。该中央处理器集成了支撑平台相对于水平延伸的X-Y平面运动的控制以及多轴机械臂的驱动，以在每层金属沉积层沉积完成后驱动多轴机械臂沿Z轴远离支撑平台运动以调整熔覆头，从而实现金属的逐层累积沉积。计算机数控系统具有反馈监控功能并形成闭环控制，以在金属沉积过程中实时检测熔池的温度和熔覆质量，并根据所述构件的3D模型，对所述构件进行增材制造和修复。实际上，该设备能够在中央处理器的控制下，通过锻造头进行同步原位锻造，在沉积的金属层处于半熔融状态时进行同步轧制。

更优地，该增材制造设备包含在气密的，和/或维持过压状态的激光房内。如此设置，该设备能够在可控的保护环境中，比如在惰性气氛中，以在氧含量足够低的大气环境中操作，进而以最大程度地减少金属原料氧化或火灾危险。

该增材制造设备的直接金属沉积系统可以采用基于焊接成形的金属沉积系统，该基于焊接成形的金属沉积系统通过电弧将金属丝或金属棒熔化形成熔池，优选的，该基于焊接成形的金属沉积系统包括钨极气保焊（TIG），熔化极气保焊（MIG）。该增材制造设备的直接金属沉积系统还可以是利用等离子、或激光、或感应加热将金属丝或金属棒熔化的其他系统。或者，该增材制造设备的直接金属沉积系统可以采用通过电磁束（比如激光或电子束）熔融金属粉末的沉积系统，优选直接激光沉积系统（DLD）。

该增材制造设备包括基座，该支撑平台安装在该基座上，并能够相对该基座移动。在一些实施方式中，支撑平台可线性移动，例如平行于X轴或Y轴。在另一种实施方式中，基座设有电动上托架和电动下托架，支撑平台安装在电动上托架上，该电动上托架安装在电动下托架上，该电动上托架和电动下托架均可线性移动，并且线性移动方向平行于X轴或Y轴。在上述的实施方式中，支撑平台可以受驱动而在平行于Z轴的轴上旋转，例如以转盘的方式。

通过使用本发明的增材制造设备，能够使构建或修复的构件的金属微观结构达到锻件的性能要求。除此以外，还可通过对构件进行适当的热处理来实现物理性能的增强。然而，并不是所有的金属都可热处理，即使是可热处理的金属，也存在一些限制因素，限制了通过金属沉积的分层技术形成的金属为达到改善其物理性能的目的而进行的热处理。在本发明中，该增材制造设备还包括一个锻造单元，该锻造单元能够在沉积下一层之前对当前层进行原位锻造，以改变力学性能。在本文中，连续层的原位锻造可以看作是原位微锻造或微型锻造。

在该装置的布置形式中，该增材制造设备能够在金属沉积过程中对沉积金属层进行原位锻造，该增材制造设备包括基座和沿Z轴方向延伸的立柱，支撑平台设置在基座上，该立柱相对基座固定设置，并设于支撑平台的一侧。该锻造单元包括锻造头以及从立柱横向延伸设置的调节臂，该调节臂设于支撑平台上方，并可调节地安装在立柱上，以能够沿Z轴方向移动。该锻造单元包括设置在调节臂下方的锻造头，该锻造头包括锻造辊，该锻造辊能够沿其轴线进行旋转，该锻造辊的轴线与水平延伸的X-Y平面平行。优选地，该锻造单元包括一根连接杆，该连接杆安装在调节臂的下方，锻造头安装在连接杆的下端。该技术方案中，通过改变调节臂与支撑平台的间距，锻造头能够沿Z轴方向朝向或远离支撑平台移动而进行调整。因此，通过使用锻造单元，锻造头能够与支撑平台保持一定距离，以便在支撑平台相对于X-Y平面移动以在成形过程中推进新沉积的金属层时，锻造头能够沿着沉积的金属线逐渐施加受控的轧制力以进行同步轧制。

在增材制造过程中，为了使构件的力学性能达到锻件要求，熔覆头应尽量靠近锻造头。由于在熔覆头附近形成的熔池、以及所选择的直接金属沉积系统的热源将会对熔覆头进行加热，如果不加以控制，锻造头的温度会逐渐升高，导致锻造头的性能发生变化，从而影响沉积金属的锻造。在一些实施方式中，锻造头设置有循环流动的冷却液，以控制锻造头的温度，该冷却液最方便的是水。在一些优选的实施方式中，锻造辊为空心结构，该空心结构的锻造辊通过轴承结构固定在连接杆的下端，该锻造辊通过该轴承结构旋转，并且两端设有连接轴，锻造辊通过两端的连接轴与冷却液管道连接，以使冷却液能够循环流动通过锻造辊，实现对锻造头温度的控制。

优选地，该锻造辊由金属制成，该金属制成的锻造辊在锻造工作温度下与沉积和轧制的金属相容。制造锻造辊的金属材质可以是与所沉积金属相同或相似组成的金属，或者是硬度值大于所沉积金属的硬度值的其他金属。同时，锻造辊也可以采用合适的、具有足够的热导电性的陶瓷材料，在使用过程中，如果需要冷却，可以在稳定的温度下选用合适的陶瓷材料，陶瓷材料可以采用碳化硅、或碳化钨、或氮化硼。从而，避免在高温反应下陶瓷材料的锻造辊与熔池发生反应，导致金属腐蚀，或者产生有害反应物而影响沉积金属。

该设备中，立柱和安装支撑平台的基座形成的整体结构优选为相对固定或刚性的结构。通过该设置方式，能够随着支撑平台上方金属沉积层的总高度的增加，通过调节立柱上横向延伸的调节臂的高度位置来相应地调整锻造头与支撑平台之间的距离。为此，锻造单元包括驱动系统，该驱动系统用于驱动调节臂在立柱上沿Z轴方向移动。该锻造单元的驱动系统最好是通过上述中央处理器进行控制。通过锻造单元的驱动系统调整锻造头到支撑平台的距离，以在金属沉积生产或维修部件的期间，使锻造头始终施加基本均匀的压力，或在一个生产周期中，对选定的金属沉积阶段改变施加的压力。

根据金属熔覆的需要，CPU控制直接金属沉积系统，通过驱动多轴机械臂来精准定位熔覆头，使熔覆头连续沉积金属层。在构件的构建或修复过程中，在中央处理器的控制下，多轴机械臂能够带动熔覆头相对固定在一个X- Y轴坐标上，并在Z轴方向上与锻造头保持同步运动，以实现逐层沉积金属。在增材制造过程中，中央处理器用于驱动送料器把金属原料送至熔覆头，并为熔覆头提供能量，以熔化金属原料形成熔池和进行沉积，具体地，该金属原料可以为金属丝、或金属棒、或金属粉末。

在定位熔覆头时，中央处理器可以控制熔覆头在沉积区域与锻造单元的锻造头并列，以保持熔池。在优选的实施方式中，沿金属的熔覆移动方向，使锻造头紧密跟随在熔覆头之后。这使得熔覆头与锻造头可以处于理想的并列状态，轧制头与熔覆头之间的间距可以为10~60mm，优选为15~40mm。因此，当支撑平台相对于X-Y平面移动时，支撑平台在熔覆头的下方移动，从而使沉积金属移向锻造头，并逐步受到锻造头的锻造辊的轧制作用。优选地，锻造辊的轴线保持垂直于金属的熔覆移动方向，保证锻造辊的轴线和金属的熔覆移动方向成直角。熔覆头和锻造头之间的间距会随沉积的金属的不同而变化，因此，熔池中的温度和金属充分固化的速度也会有所不同。该支撑平台通常为金属，并能够与沉积的金属进行冶金结合，支撑平台配置有加热单元热器，以促进沉积的金属相对快速固化。

如上所述，支撑平台可线性移动，例如平行于X轴和Y轴之一。然而，这本质上限制了该设备，使该设备不能够在交错的线性条带中沉积金属，以构建物品，例如在连续的层中，每个层包括一个Y向延伸的线性条带和一系列X向延伸且相邻的线性条带。因此，优选地，该支撑平台可沿X轴或Y轴线性移动，还可以转盘的方式在平行于Z轴的轴上旋转。特别地，在支撑平台可以平行于X轴和Y轴移动，并且可以在平行于Z轴的轴上旋转的情况下，优选中央处理器能够驱动锻造单元的连接杆进行调整而使锻造头移动，从而使锻造头能够旋转。因此，该锻造单元的连接杆设有上端部，该上端部能够旋转地支承在调节臂上，中央处理器可以经上端部驱动连接杆绕Z轴旋转，从而使锻造头能够在X-Y平面旋转足够的角度，以使锻造头的锻造辊与熔覆头保持稳定的相对位置。该旋转角度范围为[-90°，90°]，以使锻造头能够向金属沉积线的任一侧摆动约90°，从而使该锻造头能够沿该金属沉积线跟随熔覆头进行金属的线性沉积。

至少在稳定的运行条件下，锻造单元能够在整个增材制造过程中实现基本均匀的轧制。然而，实际沉积过程中，金属原料不同，构件形状不同，对锻造单元的轧制力会产生影响。在一些优选的实施方式中，锻造单元可以包括一个压力传感装置，该压力传感装置可以监测锻造头承受的来自所轧制的沉积金属的压力。由此，无论半熔融金属的硬度如何变化，都可以在恒定的压力或恒定的高度位置下进行微锻造。因此，例如，可以在锻造头的连接杆或连接杆的上端设置该压力传感装置，用于测量施加于沉积金属上的压力，该压力传感装置可以是称重传感器。压力可在显示器上显示，例如可选择手动调整压力，或由中央处理器监控压力，并由中央处理器调整压力。在一些实施方式中，压力可以通过上述第三伺服电机来调整，通过第三伺服电机驱动锻造单元的调节臂沿着Z轴或平行于Z轴的轴移动来进行调节。

本发明旨在提供一种改进的直接金属沉积增材制造设备，基于现有的直接金属沉积系统的分层沉积技术，用于构建或修复构件。至少在优选的实施方式中，本发明旨在能够细化和均匀化由直接金属沉积技术所用合金的晶粒结构，并减少或基本消除构件中的缺陷或孔洞。本发明的直接金属沉积增材制造设备，在中央处理器的控制下，通过锻造头对实时沉积的金属层进行同步原位锻造，在沉积的金属层处于半熔融状态时进行同步轧制，使得金属层在半熔融状态下受力变形后再结晶，从而使构件实现精细和均匀的微观结构，并且减少或基本消除构件中的缺陷或孔洞，进而使构件表现出出色的抗拉伸等力学性能和抗疲劳性能。

附图说明

图1为本发明一种直接金属沉积增材制造设备隐藏激光房上盖后的立体结构示意图。

图2为图1所示的直接金属沉积增材制造设备的垂直截面图。

图3为图1所示的直接金属沉积增材制造设备的俯视图。

图4为本发明一种直接金属沉积增材制造设备隐藏激光房后的主视图。

图5为图4所示的直接金属沉积增材制造设备的俯视图。

图6为图4所示的直接金属沉积增材制造设备的侧视图。

图7为图4所示的直接金属沉积增材制造设备的立体图。

图8为图7所示的直接金属沉积增材制造设备的K处放大图。

图9为图4所示的直接金属沉积增材制造设备的另一种实施方式的立体图。

图10为图9所示的直接金属沉积增材制造设备的Q处放大图。

图11为本发明一种直接金属沉积增材制造设备的锻造头和熔覆头的位置关系图。

图12为本发明一种直接金属沉积增材制造设备的锻造头跟随熔覆头的工作状态示意图。

图13为本发明一种直接金属沉积增材制造设备的锻造单元的结构示意图。

图14为现有的常规DLD金属沉积系统沉积Ti64获得的显微照片。

图15为构件的未轧制样品和轧制样品的显微照片对比图。

图16为构件的未轧制样品和轧制样品的拉伸试验的应变-应力关系图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

如图1~6所示，显示了包括激光房12的增材制造设备10，该激光房12包括壳体，为了展示容纳在激光房12内部的主体设备14，图中激光房12未显示上盖。在激光房12的外面，增材制造设备10还包括辅助设备A1至A6，辅助设备A1至A6为主体设备14提供服务，以通过增材制造对构件C进行构建或修复，在本发明的实施例中，构件C包括C1和C2，其中在图7和图8中示出任一种形式的构件C1，在图9和图10中示出另一种形式的构件C2。如图7、8所示，以及图9、10所示，主体设备14包括支撑平台P，构件C在该支撑平P台上进行构建或修复，多轴机械臂R安装在支撑平台P附近，直接金属沉积系统的熔覆头H设置在支撑平台P的上方，并安装在多轴机械臂R上。虽然未在图中显示，但可以在支撑平台P的下面或内部设置加热单元，加热单元包括至少一个加热元件或加热板，以便在沉积和微锻造过程之前或过程中，支撑平台P中至少一个区域能够进行加热。支撑平台P的温度可以随着构件的材料和尺寸的不同而变化。在一些实施方式中，加热单元由多个加热元件或加热板拼接而成，多个加热元件或加热板可以分别控制关闭，在增材制造过程中无需工作的部分可以关闭。比如，如果支撑平台P总长度为2米，当被用于构建或修复的构件只有0.5米长时，可以关闭总长度为1.5米的加热单元，从而节约能量。

相对于X-Y-Z三轴坐标系，支撑平台P相对于水平延伸的X-Y平面进行移动，X轴和Y轴分别指向图5中箭头所示的各个方向，Z轴垂直于该X-Y平面。多轴机械臂R可在该坐标系中精准定位熔覆头H。该主体设备14还包括中央处理器（CPU），该中央处理器（CPU）集成直接熔覆系统的计算机数控系统（CNC），以连续沉积叠加的金属层以构建或修复构件C。该中央处理器（CPU）集成了支撑平台P相对于水平延伸的X-Y平面运动的控制以及多轴机械臂R的驱动，以在每层金属沉积层沉积完成后驱动多轴机械臂R沿Z轴远离支撑平台P运动，以调整熔覆头H，从而实现金属的逐层累积沉积。上述计算机数控系统（CNC）具有反馈监控功能并形成闭环控制，以在金属沉积过程中实时检测熔池的温度和熔覆质量，并根据所述构件的3D模型，对所述构件进行增材制造和修复。

在安装其上盖的情况下，其中容纳有主体设备14的激光房12是气密的和/或是维持过压状态的。因此，该主体设备14能够在可控的保护环境中，比如在惰性气氛中，以在氧含量足够低的大气环境中操作，进而以最大程度地减少金属原料氧化或火灾危险。具体应用中，可以通过严格把控激光房的气密性来实现激光房内的可控保护环境，倘若激光房的气密性不能够完全达到实际要求，可以通过使激光房维持过压状态来维持低氧环境，实现激光房内的可控保护环境，还可以使激光房在气密良好的情况下，维持过压状态。

如图1~6所示，熔覆头H可以是任何直接金属沉积系统的熔覆头，比如，可以是基于焊接成形的金属沉积系统的熔覆头，通过电弧将金属丝或金属棒熔化形成熔池，优选的，该基于焊接成形的金属沉积系统包括钨极气保焊（TIG），熔化极气保焊（MIG）。熔覆头H还可以是利用等离子、或激光、或感应加热将金属丝或金属棒熔化的其他系统的熔覆头。或者，熔覆头H可以采用通过电磁束（比如激光或电子束）熔融金属粉末的沉积系统的熔覆头，优选直接激光沉积系统（DLD）。

该主体设备14包括一个基座B，支撑平台P安装在基座B上，并能够相对该基座B移动。支撑平台能够线性移动，例如平行于X轴或Y轴，优选地，能够平行于X轴和Y轴线性移动。如图1~8所示，基座设有电动上托架和电动下托架，支撑平台P安装在电动上托架16上，该电动上托架16在第一伺服电机的作用下平行于X轴线性移动，而电动上托架16安装在电动下托架18上，该电动下托架18在第二伺服电机的作用下平行于Y轴线性移动。在一些实施方式中，支撑平台P可以受驱动而在平行于Z轴的轴上旋转，例如以转盘的方式，具体地，在支撑平台P上设置转盘，在转盘上进行构件的构建和修复。具体地，在基座B和电动下托架18之间、电动下托架16和电动上托架16之间，可以通过设置滑块滑轨的结构，实现结构两两之间的相对移动。

该主体设备14包括一个锻造单元F，该锻造单元F能够在沉积下一层之前对当前层进行原位锻造，以改变力学性能。锻造单元F安装在立柱20上，立柱20沿Z轴方向延伸并位于支撑平台P的一侧。立柱20和支撑平台P固定在基座B上。该锻造单元F包括从立柱20横向延伸的调节臂22、设于调节臂22下方的连接杆24、以及设于连接杆24下端的锻造头26，该锻造头26包括锻造辊28；该调节臂22设于支撑平台P上方，并可调节地安装在立柱20上，以能够在第三伺服电机的驱动下沿Z轴方向移动而调整锻造头26与支撑平台P之间的距离，该锻造辊28能够沿其轴线进行旋转，该锻造辊28的轴线与水平延伸的X-Y平面并行。该技术方案中，通过改变调节臂22与支撑平台P之间的间距，锻造头26能够沿Z轴方向朝向或远离支撑平台P移动而进行调整。因此，通过锻造单元F，锻造头26能够与支撑平台P保持一定距离，以便在支撑平台P相对于X-Y平面移动以在成形过程中推进新沉积的金属层时，锻造头26能够沿着沉积的金属线逐渐施加受控的轧制力以进行同步轧制。优选的，在熔覆头H和锻造辊28周围引入保护气体，通常是氩气，以消除或减少沉积和原位锻造过程中材料的氧化。具体地，上述立柱和调节臂之间可以通过滑块滑轨的结构进行连接。

在增材制造过程中，为了使构件的力学性能达到锻件要求，熔覆头H应尽量靠近锻造头26。由于在熔覆头H附近形成的熔池、以及所选择的直接金属沉积系统的热源将会对熔覆头H进行加热，如果不加以控制，锻造头26的温度会逐渐升高，导致锻造头26的性能发生变化，从而影响沉积金属的锻造。在一些实施方式中，锻造头26设置有循环流动的冷却液(最方便的是水)，以控制锻造头26的温度。如图8所示，在一些优选的实施方式中，锻造辊28为空心结构，该空心结构的锻造辊28通过轴承结构固定在连接杆24的下端，该锻造辊28通过该轴承结构30旋转，并且两端设有连接轴32，锻造辊28通过两端的连接轴32与冷却液管道连接，以使冷却液能够循环流动通过锻造辊28，实现对锻造头26温度的控制。

该基座B和立柱20形成的整体结构优选为相对固定或刚性的结构，利于锻造单元F对连续的沉积金属层施加强大的轧制力。通过该设置方式，在金属层逐渐沉积以构建或修复构件C1、C2的过程中，当支撑平台P上方金属沉积层的总高度增加时，能够通过调节调节臂22的高度位置来相应地调整锻造头26与支撑平台P之间的距离。为此，锻造单元F包括驱动系统，该驱动系统用于驱动调节臂22在立柱20上沿Z轴方向移动，具体地，该驱动系统为驱动电机。该锻造单元F的驱动系统最好是通过上述中央处理器（CPU）进行控制。该驱动电机调整锻造头26到支撑平台P的距离，以在金属沉积构建或修复构件C1、C2的期间，使锻造头26始终施加基本均匀的压力，或在一个生产周期中，对某一的金属沉积阶段改变施加的压力。

根据金属沉积的需要，中央处理器（CPU）控制直接金属沉积系统，通过驱动多轴机械臂R来定位熔覆头H，使熔覆头H连续沉积金属层。在构件C的构建或修复过程中，在中央处理器（CPU）的控制下，多轴机器人R能够带动熔覆头H相对固定在一个X- Y轴坐标上，并在Z轴方向上与锻造头保持同步运动，以实现逐层沉积金属。在增材制造过程中，中央处理器（CPU）用于驱动送料器（图中未示出）把金属原料送至熔覆头H，并为熔覆头H提供能量，以熔化金属形成熔池和进行沉积，具体地，该金属原料可以为金属丝、或金属棒、或金属粉末。

在定位熔覆头H时，中央处理器（CPU）可以控制熔覆头H在沉积区域与锻造单元F的锻造头26并列，以保持熔池。在优选的实施方式中，沿金属的熔覆移动方向，使锻造头26紧密跟随在熔覆头H之后。通过该技术方案,使得熔覆头H与锻造头26可以处于理想的并列状态，熔覆头H与锻造头26之间的间距D1可以为10~60mm，优选为15~40mm。如图11所示，示出了熔覆头H和锻造头26相对于部构件C的位置。因此，当支撑平台P相对于X-Y平面移动时，支撑平台P在熔覆头H的下方移动，从而使沉积金属移向锻造头26，并逐步受到锻造头26的锻造辊28的轧制作用，支撑平台P此移动方向亦为上述熔覆移动方向。优选地，锻造辊28的轴线保持垂直于金属的熔覆移动方向，保证锻造辊28的轴线和金属的熔覆移动方向成直角。熔覆头H和锻造头26之间的间距会随沉积的金属的不同而变化，因此，熔池中的温度和金属充分固化的速度也会有所不同。该支撑平台P通常为金属，并能够与沉积的金属进行冶金结合，支撑平台P配置有加热单元，以促进沉积的金属相对快速固化。

如上所述，支撑平台P能够线性移动，例如平行于X轴和Y轴之一。然而，这本质上限制了该主体设备14，使该主体设备14不能够在交错的线性条带中沉积金属，以构建物品，例如在连续的层中，每个层包括一个Y向延伸的线性条带和一系列X向延伸且相邻的线性条带。因此，如图7、8所示，优选地，支撑平台P可平行于每个X轴和Y轴线性移动，它非常适合在构建或修复相对简单的物品（例如包含构件C1的框架）时进行金属沉积。但是，对于圆形物品（例如包括构件C2的中空圆柱形部件，）支撑平台P更优选地也能够以转盘的方式在平行于Z轴的轴上旋转，如图9、10所示。

无论支撑平台P是平行于X轴还是Y轴移动，或在平行于Z轴的轴上旋转，中央处理器（CPU）能够通过驱动锻造单元F的连接杆24进行调整，从而使安装在锻造头26的锻造辊28旋转摆动。因此，该锻造单元F的连接杆24设有上端部38，该上端部38能够旋转地支承在调节臂22上，中央处理器（CPU）可以经上端部38驱动连接杆24绕Z轴旋转，从而使锻造头26能够在X-Y平面旋转足够的角度，以使锻造头26的锻造辊28与熔覆头H保持稳定的相对位置。如图8所示，连接杆24的摆动方向如箭头所示，连接杆24的旋转角度范围为[-90°，90°]，即锻造辊28可以扫过的角度可以高达180°，以使锻造头26能够向金属沉积线的任一侧摆动约90°，从而使该锻造头26能够沿该金属沉积线跟随熔覆头H进行金属的线性沉积。因此，如图12所示，图中箭头方向表示熔覆头H的移动方向，与以其他方式实现的非跟踪布置相比，锻造辊28能够被调节，以遵循金属的沉积曲线L，跟随熔覆头H移动，对沉积的金属层进行原位锻造，过程中，锻造辊28的轴线28a与金属的沉积曲线L上对应的点的熔覆移动方向保持垂直。具体地，该上端部38可以采用现有技术中的旋转电机，连接杆24和旋转电机的输出端固定连接，旋转电机通过支架结构与调节臂22连接。

至少在稳定的运行条件下，锻造单元F能够在整个增材制造过程中实现基本均匀的轧制。然而，实际沉积过程中，金属原料不同，构件形状不同，对锻造单元的轧制力会产生影响。为此，如图13所示，锻造单元F可以包括一个压力传感装置36，该压力传感装置36可以是重力传感器，该压力传感装置36用于监测锻造头26承受的来自所轧制的沉积金属的压力。由此，无论半熔融金属的硬度如何变化，都可以在恒定的压力或恒定的高度位置下进行微锻造。具体地，可以在锻造头26的连接杆24或连接杆24的上端设置该压力传感装置36，用于测量施加于沉积金属上的压力。压力可在显示器上显示，例如可选择手动调整压力，或由中央处理器（CPU）监控压力，并由中央处理器（CPU）调整压力。在一些实施方式中，压力可以通过上述第三伺服电机来调整，通过第三伺服电机驱动锻造单元F的调节臂22沿着z轴或平行于z轴的轴移动来进行调节。

如前所述，Ti64是世界上使用最多的钛合金，并且DLD广泛选用Ti64制造飞机等工程部件。然而，如图14所示，Ti64合金在DLD工艺中倾向于沿沉积方向形成大的柱状晶粒，这些大柱状颗粒导致力学性能的各向异性，导致沿构件的各个方向存在明显差异。此外，往往限制DLD技术应用的一个内在问题，是在DLD过程中随机形成的缺陷或孔洞的发生率。大型部件，如飞机上的钛组件和部件，通常是承载部件，疲劳寿命是至关重要的，缺陷或孔洞会导致疲劳寿命急剧下降。

本发明的装置，在应用DLD工艺的同时，还结合了半熔融的原位锻造。优选地，该锻造头26和锻造辊28的位置，由一个特定温度范围来决定，该特定的温度范围是用于直接金属沉积的特定合金为得到预期变形（比如相结构）所需的必要阶段（比如相变阶段）的温度范围，由此能够在后期热处理中实现变形金属的重结晶，从而实现精细而均匀的微观结构。例如，通过DLD直接金属沉积Ti64，根据相结构的不同，钛合金主要分为α钛合金（为单一α相结构）、β钛合金（为单一β相结构）、以及α+β钛合金（为α+β双相结构），其中单一β相结构柔软且易于变形，容易在沉积过程中形成缺陷和孔洞，α+β双相结构则具有均匀的细晶粒结构，能够表现出出色的拉伸性能和疲劳性能，该抗疲劳性能表征热机械加工、锻造或轧制的微观结构。在热处理过程中，钛合金会发生相变，能够但不限于由β相转变为α相，或由β相转变为α+β相。在熔覆头H熔覆沉积时，虽然沉积合金迅速凝固，但仍处于β转变温度的温度范围，高于980℃，此时沉积合金形成的晶体结构为单一的β相。在随后的再结晶热处理时，倘若沉积金属的温度冷却至α+β转变温度的温度范围，低于980℃，此时沉积合金的晶体结构将发生相变，转变为α+β相，在该阶段进行原位锻造，能够使Ti64具有均匀的细晶粒结构，并且通过压缩可以封闭和重新焊接缺陷和孔洞，从而基本消除缺陷，进而使此双相合金具有出色且各向同性的力学性能。由此，根据沉积金属冷却至α+β转变温度的温度范围的时间或速度，结合沉积的速度，调整锻造头26与熔覆头H之间的位置，使得沉积金属随支撑平台移动至锻造头26时，刚好处于所需的相变阶段，进而促使锻造头26在金属层处于合适温度时对该金属层进行轧制锻造。如图15所示，图中左侧c图显示了未轧制样品的显微照片，即现有的常规DLD金属沉积系统沉积Ti64获得的显微照片，图中右侧d图显示了轧制样品的显微照片，即通过本发明的直接金属增材制造设备沉积Ti64获得的显微照片，对比可见，经本发明设备沉积的Ti64构件，具有更加精细而均匀的微观结构。

如下表1和图16所示，反映构件的拉伸试验结果，主要对未轧制样品和轧制样品的力学性能进行比较，包括：屈服强度（YS），极限拉伸强度（UTS）和拉伸样品的总伸长率。试验可以通过拉力试验机进行，对每组样品进行三次重复拉伸测试。注意，由于设备的限制，该实验的样品为简单结构的构件。具体地，表1为拉伸试验数据记录表，表中SD为三次重复拉伸测试的标准偏差，垂直样品是指，给样品施加垂直方向的力，水平样品是指，给样品施加水平方向的力，“未轧制”、“轧制37.5%”、“轧制50 %”分别表示经过原位锻造后沉积金属产生的变形量，即表明锻造程度，其中未轧制样品组对应图16（a），轧制37.5%样品组对应图16（b），轧制50 %样品组对应图16（c）。表16为应变-应力关系图，图中实线代表水平样品，虚线代表垂直样品，σ_ys表示屈服强度，σ_uts表示极限拉伸强度，在同一应变值下，σ_ys对应的应力值越大，屈服强度越大，σ_uts对应的应力值越大，极限拉伸强度越大，ε_total表示总伸长量，通过对应的应变值判断大小，对于同一试验样品，ε_total对应的应变值越大，总伸长量越大。在兼顾总伸长率的情况下，屈服强度、极限拉伸强度越大，说明构件在同等受力情况下抗变形和抗破坏的能力越大。

表1

构件的拉伸试验数据记录表

由表1可见，以垂直样品组为例，在兼顾总伸长率的情况下，样品未轧制时，构件的屈服强度为770.9MPa，极限拉伸强度为823.8 MPa；在轧制37.5%时，构件的屈服强度为896.0 MPa，极限拉伸强度为988.3 MPa，两个性能参数比未轧制时显著提高；在轧制50%时，构件的屈服强度达到924.0 MPa，极限拉伸强度达到1010.7 MPa，两个性能参数远远超过未轧制时。

同样地，以水平样品组为例，在兼顾总伸长率的情况下，样品未轧制时，构件的屈服强度为840.8 MPa，极限拉伸强度为921.5 MPa；在轧制37.5%时，构件的屈服强度为886.2MPa，极限拉伸强度为990.6 MPa，两个性能参数比未轧制时显著提高；在轧制50%时，构件的屈服强度达到939.1 MPa，极限拉伸强度为1013.2 MPa，两个性能参数远远超过未轧制时；同时，随着轧制程度的提高，总伸长率也有明显提高，总伸长率在未轧制时为14.1%，在轧制37.5%时为17.7%，在轧制50%时为18.7%。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，包括：

用于进行构建或修复构件的支撑平台（P），所述支撑平台（P）能够沿水平延伸的X-Y平面进行移动；

直接金属沉积系统，所述直接金属沉积系统具有熔覆头（H），所述熔覆头（H）由多轴机械臂（R）在所述支撑平台（P）上方承载，所述多轴机械臂（R）设置在所述支撑平台（P）附近，所述多轴机械臂（R）用于驱动所述熔覆头（H）在三维坐标轴上与所述支撑平台（P）保持联动，所述三维坐标轴包括平行于水平延伸平面的X轴和Y轴、以及垂直于水平延伸平面的Z轴；

中央处理器（CPU），所述中央处理器（CPU）集成计算机数控系统（CNC），以使直接金属沉积系统沉积连续的金属沉积层以构建或修复所述构件，所述中央处理器（CPU）集成了所述支撑平台（P）相对于水平延伸的X-Y平面运动的控制以及所述多轴机械臂（R）的驱动，以在每层金属沉积层沉积完成后驱动所述多轴机械臂（R）沿Z轴远离所述支撑平台运动，以调整所述熔覆头（H），从而实现金属的逐层累积沉积；

所述计算机数控系统(CNC) 具有反馈监控功能并形成闭环控制，以在金属沉积过程中实时检测熔池的温度和熔覆质量，并根据所述构件的3D模型，对所述构件进行增材制造和修复；

锻造单元（F）和沿Z轴方向延伸设置的立柱（20），所述立柱（20）设于所述支撑平台（P）的一侧，所述锻造单元（F）包括驱动系统、锻造头（26）、以及从所述立柱（20）横向延伸的调节臂（22），所述锻造头（26）设置在所述调节臂（22）的下方，所述调节臂（22）设于所述支撑平台（P）上方，并可调节地安装在所述立柱（20）上，以能够在所述驱动系统的驱动下沿Z轴方向移动而调整锻造头（26）与支撑平台（P）之间的距离，所述锻造头（26）设有锻造辊（28），所述锻造辊（28）能够沿其轴线进行旋转，所述锻造辊（28）的轴线与水平延伸的X-Y平面平行；

所述锻造头（26）与所述熔覆头（H）并列设置，在所述中央处理器（CPU）的控制下，所述驱动系统能够驱动所述调节臂（22）在所述立柱（20）上沿Z轴方向移动而调整所述锻造头（26）与所述支撑平台（P）之间的距离，所述多轴机械臂（R）能够带动所述熔覆头（H）相对固定在一个X- Y轴坐标上，并在Z轴方向上与所述锻造头（26）保持同步运动，以使锻造头（26）跟随熔覆头（H），在沉积下一层之前对当前层进行同步的原位锻造；

所述锻造单元（F）还包括压力传感装置，所述压力传感装置用于监测所述锻造头（26）承受的来自所轧制的沉积金属的压力，并且在所述中央处理器的控制下，所述驱动系统驱动所述调节臂（22）在所述立柱（20）上沿Z轴方向移动，以根据所述压力传感装置监测到的压力来调整所述锻造头（26）的轧制力；

所述锻造头（26）设置有循环流动的冷却液，以控制所述锻造头（26）的温度；

所述支撑平台（P）设有加热单元，所述加热单元由多个加热板拼接而成，所述多个加热板分别控制关闭，以使所述加热单元在增材制造过程中无需工作的部分关闭。

2.根据权利要求1所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述直接金属沉积增材制造设备包含在气密的、和/或维持过压状态的激光房（12）内。

3.根据权利要求1所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述直接金属沉积系统是基于焊接成形的金属沉积系统。

4.根据权利要求1所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述直接金属沉积系统采用通过电磁束熔融金属粉末的沉积系统。

5.根据权利要求1所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，还包括基座（B），所述支撑平台（P）安装在所述基座（B）上，并能够相对所述基座（B）进行平行于X轴或Y轴的线性移动，所述支撑平台（P）还能够受驱动而在平行于Z轴的轴上进行旋转。

6.根据权利要求5所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述基座（B）设有电动上托架（16）和电动下托架（18），所述电动上托架（16）安装在所述电动下托架（18）上，所述支撑平台（P）安装在电动上托架（16）上，所述电动上托架（16）和电动下托架（18）均可线性移动，并且线性移动方向平行于X轴或Y轴，以使所述支撑平台（P）能够在X-Y平面内移动。

7.根据权利要求1所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，还包括基座（B），所述支撑平台（P）设置在所述基座（B）上，所述立柱（20）相对所述基座（B）固定设置。

8.根据权利要求7所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述锻造单元（F）还包括连接杆（24），所述连接杆（24）安装在所述调节臂（22）的下方，所述锻造头（26）安装在所述连接杆（24）的下端。

9.根据权利要求7所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述熔覆头（H）靠近所述锻造头（26）设置，两者之间的距离为10至60mm。

10.根据权利要求8所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述锻造辊（28）为空心结构，所述空心结构的锻造辊（28）通过轴承结构（30）固定在所述连接杆（24）的下端，所述锻造辊（28）通过所述轴承结构（30）旋转，并且两端设有连接轴（32），所述锻造辊（28）通过两端的所述连接轴（32）与冷却液管道连接，以使冷却液能够循环流动通过所述锻造辊（28）。

11.根据权利要求7所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述锻造辊（28）由金属制成，所述金属制成的锻造辊（28）在锻造工作温度下与沉积和轧制的金属相容，制造所述锻造辊（28）的金属材质采用与所沉积金属相同或相似组成的金属，或采用硬度值大于所沉积金属的硬度值的金属。

12.根据权利要求7所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述锻造辊（28）采用具有热导电性的陶瓷材料，所述陶瓷材料采用碳化硅、或碳化钨、或氮化硼。

13.根据权利要求7所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述立柱（20）和安装所述支撑平台（P）的基座（B）形成的整体结构为相对固定或刚性的结构，以能够随着支撑平台（P）上方金属沉积层的总高度的增加，通过调节所述调节臂（22）的高度位置来相应地调整所述锻造头（26）与所述支撑平台（P）之间的距离，所述锻造单元（F）包括驱动系统，所述驱动系统用于驱动所述调节臂（22）在所述立柱（20）上沿Z轴方向移动。

14.根据权利要求13所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，通过所述中央处理器（CPU）对所述锻造单元（F）的驱动系统进行控制。

15.根据权利要求7所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述锻造辊（28）的轴线保持垂直于金属的熔覆移动方向，以使所述锻造辊（28）的轴线和金属的熔覆移动方向成直角。

16.根据权利要求15所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述锻造单元（F）的连接杆（24）设有上端部，所述上端部能够旋转地支承在所述调节臂（22）上，所述中央处理器（CPU）能够经所述上端部驱动所述连接杆（24）绕Z轴旋转。

17.根据权利要求16所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述锻造头（26）的旋转角度范围为[-90°，90°]。

18.根据权利要求1至17中的任一项所述的直接金属沉积增材制造设备，其特征在于，所述中央处理器（CPU）用于驱动送料器把金属原料送至所述熔覆头（H），并为所述熔覆头（H）提供能量，以熔化所述金属原料形成熔池和进行沉积。