CN113732270B - 一种圆柱形金属铸锭的增材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种圆柱形金属铸锭的增材制造方法及装置，涉及金属铸造技术领域。增材制造方法包括以下步骤：S1、对圆柱形的原始坯料的表面进行加热，直至温度Tx＝原始坯料的液相线温度‑(10～20)℃；S2、往原始坯料的表面喷射相同成分的合金液，同时使原始坯料在喷射合金液的过程中自转，直至合金液铺满原始坯料的表面；S3、停止合金液喷射，对原始坯料进行表面冷却；S4、重复步骤S1～S3，直至形成圆柱形金属铸锭。本申请实施例的圆柱形金属铸锭的增材制造方法及装置的加工效率高，且应用范围广泛。

Description

一种圆柱形金属铸锭的增材制造方法及装置

技术领域

本申请涉及金属铸造技术领域，具体而言，涉及一种圆柱形金属铸锭的增材制造方法及装置。

背景技术

圆柱形金属铸锭，尤其是大规格圆柱形金属铸锭在工业上有着广泛的用途，因此需求量大。圆柱形金属铸锭通常采用传统半连续铸造方法生产，随着金属铸锭规格尺寸的增大，在铸造过程中容易出现一系列严重的质量问题，如拉裂、冷隔等，造成成材率较低，而且合金元素的宏观偏析问题尤为严重，且难以通过后续的热处理工艺消除。

另外，还可以通过增材制造方法生产圆柱形金属铸锭，通过离散-堆积原理形成成分均匀性好的金属材料组织，但是现有的增材制造方法主要是以丝材熔融为代表的电熔增材制造方法和以激光粉末烧结为代表的增材制造方法。由于丝材熔融只能实现点区域给料，因此电熔增材制造方法的效率较低；激光烧结的制粉成本高，且对材料的成分有较高的选择性，尚无法进行广泛的工业应用。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种圆柱形金属铸锭的增材制造方法及装置，加工效率高，且应用范围广泛。

第一方面，本申请实施例提供了一种圆柱形金属铸锭的增材制造方法，其包括以下步骤：

S1、对圆柱形的原始坯料的表面进行加热，直至温度Tx＝原始坯料的液相线温度-(10～20)℃；

S2、往原始坯料的表面喷射相同成分的合金液，同时使原始坯料在喷射合金液的过程中自转，直至合金液铺满原始坯料的表面；

S3、停止合金液喷射，对原始坯料进行表面冷却；

S4、重复步骤S1～S3，直至形成圆柱形金属铸锭。

在上述实现过程中，先直接对原始坯料的表面加热至半熔融状态，再通过喷射合金液并配合原始坯料自转，在预热后的原始坯料表面铺满合金液，最后冷却形成一定厚度增量的合金层，如此重复，就可以得到一定规格尺寸的圆柱体金属铸锭，加工效率高。其中，加热和冷却都是直接对原始坯料的表面进行，保证表面的合金层厚度逐次稳定增加，避免由内而外进行加热和冷却而存在的温度梯度；而且采用基于液态金属离散-堆积的增材制造方法，避免大规格圆柱形铸锭常规生产存在的宏观偏析问题，应用范围广泛，适用于Al、Mg、Fe、Ti、Zn、Cu、Ni等金属及其合金材料的圆柱形铸锭生产。

在一种可能的实现方式中，合金液朝下喷射，且喷射压力为P，P＜10kPa。

在上述实现过程中，利用合金液的重力势能，采用较低的喷射压力，就可以使合金液喷射至原始坯料的表面。

在一种可能的实现方式中，在步骤S3中，原始坯料表面的合金层厚度增量为δ，δ＝1～4mm。

在上述实现过程中，单次合金层厚度增量控制在一定范围内，才能保证合金层厚度逐次增量至形成大尺寸圆柱形金属铸锭，且成分均匀。若单次合金层厚度增量设定过大，则合金液容易聚积甚至滴下，若单次合金层厚度增量设定过小，则生产效率低。

第一方面，本申请实施例提供了一种实现第一方面提供的圆柱形金属铸锭的增材制造方法的增材制造装置，其包括：

感应线圈，感应线圈具有用于包围于原始坯料表面并加热的加热腔；

合金液喷射机构，合金液喷射机构具有用于往原始坯料表面喷射合金液的阵列式喷嘴；

驱动机构，驱动机构配置成能够带动原始坯料旋转和移动。

在上述实现过程中，通过感应线圈对原始坯料的表面进行快速感应加热，利用感应电流的趋肤效应，将原始坯料的表面温度迅速加热至较高温度Tx；合金液喷射机构能够实现合金液对原始坯料表面的线覆盖，驱动该机构实现原始坯料的旋转和移动，从而实现合金液对原始坯料表面的全面覆盖。

在一种可能的实现方式中，合金液喷射机构包括压力射流器、与压力射流器连接的阵列式喷嘴和供液室，以及布置于阵列式喷嘴周围的加热器，阵列式喷嘴的喷射口朝下。

在一种可能的实现方式中，阵列式喷嘴的喷射口的直径为1～2mm，间距为3～6mm，喷射口与原始坯料表面的最小距离为5mm。

在上述实现过程中，通过控制阵列式喷嘴的喷射口直径及布置，保证控制阵列式喷嘴喷出的合金液能够形成液幕，从而实现对原始坯料表面的线覆盖；通过控制喷射口与原始坯料表面的最小距离，从而避免合金液溅射现象。

在一种可能的实现方式中，还包括能够平移的挡板，挡板配置成能够挡住阵列式喷嘴的所有喷射口。

在上述实现过程中，通过挡板挡住所有喷射口可停止合金液喷射，移开挡板，则恢复合金液喷射，在整个增材制造过程中，避免多次启停合金液喷射机构。

在一种可能的实现方式中，感应线圈、合金液喷射机构和驱动机构依次设置，且合金液喷射机构和驱动机构之间还设置有冷却区，驱动机构配置为与原始坯料同轴连接，并能够带动原始坯料依次经过冷却区、阵列式喷嘴的喷射区域，并穿入感应线圈的加热腔内。

在上述实现过程中，单次合金层增量过程中，通过驱动机构带动原始坯料穿入感应线圈的加热腔内，实现原始坯料的表面加热，再带动原始坯料移动并停留至阵列式喷嘴的喷射区域并自转，实现合金液喷射铺满表面，最后带动原始坯料移动并停留至冷却区，实现快速冷却形成合金层，可实现整个过程自动化，加工效果高。

在一种可能的实现方式中，驱动机构包括用于与原始坯料同轴连接的连接轴，以及驱动连接轴伸缩移动和自转的驱动电机；

和/或，感应线圈是由加热丝绕设而成的螺旋状圆柱体结构。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种增材制造装置的结构示意图；

图2为图1在工作时的结构示意图；

图3为图1中感应线圈在工作时的结构示意图。

图标：100-增材制造装置；110-感应线圈；111-测温枪；121-压力射流器；122-阵列式喷嘴；123-供液室；124-加热器；125-挡板；130-驱动机构；131-连接轴；001-原始坯料。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请实施例提供了一种圆柱形金属铸锭的增材制造方法，其包括以下步骤：

S1、对圆柱形的原始坯料的表面进行加热，直至表面温度Tx略低于原始坯料的熔点或液相线温度呈现半熔融状态，通常Tx＝原始坯料的熔点或液相线温度-(10～20)℃。

需要说明的是，“原始坯料”为待成型的圆柱形合金材料，作为一种实施方式，原始坯料为实心圆柱体，其直径为φ₁；作为另一种实施方式，原始坯料为空心圆柱体，其直径为φ₁，同时具有同轴的空心柱，空心柱可以为圆柱，也可以为三棱柱，立方柱等形状。无论是上述哪一种原始坯料，本申请实施例中的“原始坯料的表面”是指原始坯料的外圆周表面。

S2、往预热后的原始坯料的表面喷射相同成分的合金液，合金液通常朝下喷射，且喷射压力为P，P＜10kPa，同时使原始坯料在喷射合金液的过程中自转，直至合金液铺满原始坯料的表面，合金液的铺设厚度接近δ，铺设厚度通常为1～4mm。

S3、停止合金液喷射，对原始坯料进行表面冷却，原始坯料表面的合金层厚度增量为δ，δ＝1～4mm。表面冷却的方式可以为自然冷却或风冷，冷却过程中，原始坯料保持自转以加速冷却速率。

S4、重复步骤S1～S3，直至形成直径为φ₂的圆柱形金属铸锭，同样的，该圆柱形金属铸锭可以为实心圆柱体，也可以为空心圆柱体。

请参看图1和图2，本申请实施例还提供一种实现上述圆柱形金属铸锭的增材制造方法的增材制造装置100，其包括感应线圈110、合金液喷射机构和驱动机构130。

其中，结合图3所示，感应线圈110具有用于包围于原始坯料001表面并加热的加热腔。具体地，感应线圈110是由加热丝绕设而成的螺旋状圆柱体结构，圆柱形金属铸锭能够同轴插入该感应线圈110的加热腔内；还包括用于测量原始坯料001表面温度的测温枪111。

其中，合金液喷射机构包括压力射流器121、与压力射流器121连接的阵列式喷嘴122和供液室123，以及布置于阵列式喷嘴122周围的加热器124，阵列式喷嘴122阵用于往原始坯料001表面喷射合金液，为了便于朝原始坯料001表面喷射合金液，且合金液不易于滴落，列式喷嘴的喷射口朝下。阵列式喷嘴122的喷射口的直径为1～2mm，间距为3～6mm，喷射口与原始坯料001表面的最小距离为5mm。合金液喷射机构还包括能够平移的挡板125，挡板125配置成能够挡住阵列式喷嘴122的所有喷射口，从而停止合金液喷射。

其中，驱动机构130配置成能够带动原始坯料001旋转和移动。驱动机构130包括用于与原始坯料001同轴连接的连接轴131，以及驱动连接轴131伸缩移动和自转的驱动电机。

作为一种实施方式，感应线圈110、合金液喷射机构和驱动机构130依次设置，且合金液喷射机构和驱动机构130之间还设置有冷却区，感应线圈110的加热腔水平设置，驱动机构130的连接轴131水平设置，阵列式喷嘴122的喷射口竖直设置，驱动机构130配置为与原始坯料001同轴连接，并能够带动原始坯料001依次经过冷却区、阵列式喷嘴122的喷射区域，并穿入感应线圈110的加热腔内。在其他实施例中，还可以省去冷却区，原始坯料001直接停留在喷射区域冷却。

参见图1所示，本申请实施例还提供一种采用上述增材制造装置100进行的圆柱形金属铸锭的增材制造方法，需要说明的是，虽然图2和图3中示意的是原始坯料001为实心圆柱体的实施情况，在其他实施情况中，原始坯料001还可以为空心圆柱体，但无论原始坯料001无论是实心圆柱体，还是空心圆柱体，增材制造装置100都可以适用。增材制造方法的具体过程如下：

S1、通过驱动组件将原始坯料001移动并掺入感应线圈110的加热腔内，采用高频或中频交流电源，通过感应线圈110对原始坯料001的表面进行快速感应加热，将原始坯料001的表面温度迅速加热至较高温度Tx，通过测温枪111测量原始坯料001表面温度，测量温度达到温度Tx后，感应线圈110停止加热。

S2、通过驱动组件将原始坯料001平移至阵列式喷嘴122下方，通过压力射流器121将供液室123内与原始坯料001具有相同成分的合金液，通过阵列式喷嘴122均匀喷射到预热过的原始坯料001表面，同时通过驱动组件驱动原始坯料001旋转，使合金液均匀的铺满整个原始坯料001的表面。

S3、平移挡板125关闭阵列式喷嘴122的所有喷射口，通过驱动组件将原始坯料001平移至冷却区，原始坯料001自然冷却，原始坯料001表面形成一定的厚度增量δ的合金层。

S4、重复步骤S1～S3，直至形成预设规格直径的圆柱形金属铸锭。

以下通过具体实施例对本申请实施例的技术方案进行进一步说明。

实施例1

参看图1和图2所示，本实施例提供一种直径为500mm的5083铝合金铸锭，其采用直径为150mm的5083铝合金圆柱料作为原始坯料001，并采用本申请实施例的增材制造装置100进行加工，具体过程如下：

将原始坯料001移动至感应线圈110内，采用高频交流电源，通过感应线圈110对原始坯料001的表面进行快速感应加热，利用感应电流的趋肤效应，将原始坯料001的表面温度迅速加热至630℃，达到温度后停止加热。

将预热后的原始坯料001移动至阵列式喷嘴122的下方，通过压力射流器121将5083铝合金液通过阵列式喷嘴122均匀喷射到预热过的原始坯料001表面，并通过原始坯料001旋转，使合金液均匀的铺满整个原始坯料001的表面。

用挡板125关闭阵列式喷嘴122，将原始坯料001移至冷却区并冷却，原始坯料001经过上述操作后表面形成3mm的厚度增量。

重复上述“表面加热-射流增厚-冷却”过程，直至原始坯料001的直径达到500mm，得到直径为500mm的5083铝合金铸锭。

经检测，该铸锭主要合金元素沿径向的宏观偏析＜10％。

实施例2

参看图1所示，本实施例提供一种直径(外径)为420mm，圆柱形空心柱的直径(内径)为180mm的7050铝合金铸锭，其采用外径为200mm，内径为180mm，的7050铝合金圆筒作为原始坯料，并采用本申请实施例的增材制造装置100进行加工，具体过程如下：

将原始坯料移动至感应线圈110内，采用高频交流电源，通过线圈对原始坯料的表面进行快速感应加热，利用感应电流的趋肤效应，将原始坯料的表面温度迅速加热至600℃，达到温度后停止加热。

将预热后的原始坯料移动至阵列式喷嘴122的下方，通过压力射流器121将7050铝合金液通过阵列式喷嘴122均匀喷射到预热过的原始坯料表面，并通过原始坯料旋转，使合金液均匀的铺满整个原始坯料的表面。

用挡板125关闭射流喷嘴，将原始坯料移至冷却区并冷却，原始坯料经过上述操作后表面形成3mm的厚度增量。

重复上述“表面加热-射流增厚-冷却”过程，直至原始坯料的外径达到420mm，得到外径为420mm，内径为180mm的7050铝合金铸锭。

经检测，该铸锭主要合金元素沿径向的宏观偏析＜8％。

综上所述，本申请实施例的圆柱形金属铸锭的增材制造方法及装置的加工效率高，且应用范围广泛。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种圆柱形金属铸锭的增材制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、对圆柱形的原始坯料的表面进行加热，直至温度Tx=原始坯料的液相线温度-（10~20）℃；

S2、通过阵列式喷嘴往所述原始坯料的表面均匀喷射相同成分的合金液，所述阵列式喷嘴的喷射口的直径为1~2mm，间距为3~6mm，所述喷射口与所述原始坯料表面的最小距离为5mm，所述合金液朝下喷射，且喷射压力为P，P＜10kPa，喷射出的所述合金液能够形成液幕以对所述原始坯料表面线覆盖，同时使所述原始坯料在喷射合金液的过程中自转，直至合金液均匀铺满所述原始坯料的表面，所述阵列式喷嘴与压力射流器连接；

S3、停止合金液喷射，对所述原始坯料进行表面冷却，所述原始坯料表面的合金层厚度增量为δ，δ=1~4mm；

S4、重复步骤S1~S3，直至形成圆柱形金属铸锭。

2.一种实现如权利要求1所述的圆柱形金属铸锭的增材制造方法的增材制造装置，其特征在于，其包括：

感应线圈，所述感应线圈具有用于包围于所述原始坯料表面并加热的加热腔；

合金液喷射机构，所述合金液喷射机构具有用于往所述原始坯料表面喷射合金液的所述阵列式喷嘴；

驱动机构，所述驱动机构配置成能够带动所述原始坯料自转和移动；

所述感应线圈、所述合金液喷射机构和所述驱动机构依次设置，且所述合金液喷射机构和所述驱动机构之间还设置有冷却区，所述驱动机构配置为与所述原始坯料同轴连接，并能够带动所述原始坯料依次经过所述冷却区、所述阵列式喷嘴的喷射区域，并穿入所述感应线圈的加热腔内。

3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述合金液喷射机构包括所述压力射流器、与所述压力射流器连接的所述阵列式喷嘴和供液室，以及布置于所述阵列式喷嘴周围的加热器，所述阵列式喷嘴的喷射口朝下。

4.根据权利要求2或3所述的增材制造装置，其特征在于，还包括能够平移的挡板，所述挡板配置成能够挡住所述阵列式喷嘴的所有喷射口。

5.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述驱动机构包括用于与所述原始坯料同轴连接的连接轴，以及驱动所述连接轴伸缩移动和自转的驱动电机；

和/或，所述感应线圈是由加热丝绕设而成的螺旋状圆柱体结构。