CN114619044A - 一种基于液态金属3d打印的径向复合铝合金板的制备方法和装置 - Google Patents

一种基于液态金属3d打印的径向复合铝合金板的制备方法和装置 Download PDF

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CN114619044A CN202011458201.8A CN202011458201A CN114619044A CN 114619044 A CN114619044 A CN 114619044A CN 202011458201 A CN202011458201 A CN 202011458201A CN 114619044 A CN114619044 A CN 114619044A
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Abstract

本发明的实施例提供了一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法和装置，涉及金属材料技术领域。该制备方法包括：将第一合金熔体和第二合金熔体分别喷至真空环境下的打印室中竖直设置有预热后的芯材板的冷却平台上，以使第一合金熔体和第二合金熔体于芯材板的两侧冷凝成型为复合铝合金板。本申请中高温熔体与冷却平台接触时，发生瞬间冷凝，与预热后的芯材板接触时，形成有冶金结合过渡区的致密沉积层。按照设定路径，循环往复扫描，可以实现将合金熔体与芯材板逐层凝固堆积，从而形成性能优异，结合界面稳定，结合力度强的复合铝合金板。本申请提供的装置可以实现上述制备方法，操作简单。

Description

一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法和 装置
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体而言，涉及一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法和装置。
背景技术
铝合金复合材料是铝合金复合板、复合板、复合带的统称。它是制造汽车空调器、中冷器、油冷器、暖风机及空分设备、电器元件散热器、干手器、飞机散热器等钎焊式散热器的关键原材料。复合铝材是增长速度最快的车用铝材，由于常规铝合金由于性能单一，不能很好满足车用材料要求具有高强度的同时又兼备耐蚀(装饰)、可焊、易成形等综合性能。因此，具有可设计的综合性能的复合铝材成为车用铝合金发展的重要方向。
目前，铝合金材料的生产方法主要有芯材铸锭与皮材板块复合热轧法、冷轧复合法、反向凝固法、复合锭热轧法等四种。其中，热轧复合法仍是全球铝复合板生产中最为成熟、使用最广泛的工艺，该工艺是指将芯材铸锭和双面包覆的皮材以一定的包覆比叠合在一起，并在一定的温度和压力条件下实现二者结合的一种加工方法。但该工艺生产流程复杂，需对芯材锭坯与轧制包覆皮材板分别进行表面处理，通常采用碱、酸浸蚀法彻底清除氧化膜，芯材锭与皮材板配对后选择几个部位将它们用电弧焊焊合在一起，然后进行轧制。该工艺最终获得的铝复合板存在结合强度不高，特别是在界面处往往存在杂质和氧化物，更加严重地影响结合强度，及截面弯曲和加工道次多，成材率低等问题，因此显著影响复合铝合金板带材的质量和效益。
冷轧复合工艺是凭借大压下量将芯材和双面包覆的皮材以一定的包覆比冷轧重叠，使它们产生原子结合或榫扣嵌合，并通过随后的扩散退火，使之强化的一种加工方法。冷轧复合的三个主要工序即表面处理、冷轧复合和扩散退火。冷轧复合虽然省去了热轧复合的多道次轧制工序，可以从冷轧带坯开始生产，能够成卷轧制，并且组元层间的厚度比较均匀，尺寸精确，性能稳定。但是由于制造复合钎焊铝板的包覆材料主要是亚共晶Al-Si系合金，Si含量范围在9％～11％之间，而且呈粗大针状分布在铝基体中，致使该类合金的塑性极差，因而不容易获得冷轧复合所需较薄的包覆带材，从而使复合钎焊铝板的冷轧复合应用受到了一定程度的限制。冷轧复合目前主要应用于钢-铝复合板生产。反向凝固复合法是让一定厚度的基材从反向凝固器内的铝合金熔液中通过，使基材表面附近的铝合金熔液迅速降温，在基材表面凝固形成新生相，并在新生相还处于半凝固状态时进行轧制，得到表面平整和厚度均匀的热轧薄带。反向凝固法具有成本低、能耗低、连续自动化和低污染的优点，但由于在界面处存在合金元素的扩散，因而会造成成品高温抗塌陷性能降低，从而影响成品的综合性能，因此，也没有得到工业化的应用。复合铸锭热轧法主要有电磁控制法、双结晶器法、充芯连铸法等，但都不同程度存在弊端，不能实现工业化的应用。
鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法和装置。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，包括：
将第一合金熔体和第二合金熔体分别喷至打印室中竖直设置有预热后的芯材板的冷却平台上，以使所述第一合金熔体和所述第二合金熔体于所述芯材板的两侧冷凝成型为第一表层和第二表层；所述第一表层、所述芯材板和所述第二表层形成复合铝合金铸锭，经后处理获得复合铝合金板。
在可选的实施方式中，成型所述第一表层和所述第二表层包括：
采用连接至所述打印室的第一侧壁和所述第二侧壁以限定所述第一表层和所述第二表层的厚度；所述第一侧壁和所述第二侧壁位于所述芯材板的两侧，所述芯材板的一侧与所述第一侧壁和所述冷却平台围成用于盛接所述第一合金熔体的第一成型区，所述芯材板的另一侧与所述第二侧壁和所述冷却平台围成用于盛接所述第二合金熔体的第二成型区；
所述第一合金熔体和所述第二合金熔体分别喷至所述第一成型区和所述第二成型区内，水平移动所述冷却平台以形成高度为δ的半固态区熔覆层，将所述冷却平台向下移动δ的距离，所述第一合金熔体和所述第二合金熔体再次喷至所述第一成型区和所述第二成型区内，重复多次以形成所述第一表层和所述第二表层；
优选地，所述冷却平台的水平移动速度v≤50mm/s；
优选地，所述冷却平台水平移动的道次间距d≤10mm/道次；
优选地，所述第一侧壁和所述第二侧壁内分别设置有用于对喷出的所述第一合金熔体和所述第二合金熔体进行冷却的冷却器。
在可选的实施方式中，所述芯材板的预热温度为300-450℃；
优选地，在喷入所述第一合金熔体和所述第二合金熔体之前对所述芯材板的高度为δ的待结合区域进行预热；随后喷入所述第一合金熔体和所述第二合金熔体，当所述冷却平台向下移动δ的距离后，再次对所述芯材板的高度为δ的待结合区域进行预热，重复多次以完成对所述芯材板的所有区域进行预热；
优选地，所述第一合金熔体和所述第二合金熔体的加热温度为600-800℃；
优选地，所述冷却平台和冷却器采用冷却水对其表面的熔体进行冷却，所述冷却平台的冷却水的出口温度小于30℃。
在可选的实施方式中，所述第一表层和所述第二表层的厚度比例为1：1～1：2；
优选地，所述第一表层的厚度占所述复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20％；
优选地，所述第二表层的厚度占所述复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20％。
在可选的实施方式中，所述第一合金熔体和所述第二合金熔体在喷出打印之前还包括进行除气净化处理和细化剂细化处理；
优选地，采用Al-Ti-B丝进行晶粒细化，加入量为1.0-3.0kg/t熔体。
在可选的实施方式中，对所述复合铝合金铸锭进行后处理包括：对所述复合铝合金铸锭进行均匀化处理；
优选地，均匀化处理后还包括对所述复合铝合金铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，接着将所述热轧板坯进行冷轧至成品厚度，获得所述复合铝合金板。
第二方面，本发明提供一种基于液态3D打印的径向复合铝合金板的装置，其包括第一熔体储存室、第二熔体储存室和打印室，所述打印室内设置有冷却平台和用于带动所述冷却平台运动的运动平台，所述冷却平台上设置有用于安装芯材板的安装部，所述第一熔体储存设置有第一喷嘴，所述第二熔体储存室设置有第二喷嘴，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴伸入所述打印室且朝向所述冷却平台。
在可选的实施方式中，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴均与其冷却平台之间的高度差为10～50cm；
优选地，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴均为多个且分别沿着所述复合铝合金板的长度方向成排设置；
优选地，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴的个数均为20～40个；
优选地，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴的孔径均为0.2～3.0mm；
优选地，任意两个相邻的所述第一喷嘴之间的间距为5～50mm。
在可选的实施方式中，所述打印室内设置有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁位于所述芯材板的两侧，所述芯材板的一侧与所述第一侧壁和所述冷却平台围成用于盛接第一合金熔体的第一成型区，所述芯材板的另一侧与所述第二侧壁和所述冷却平台围成用于盛接第二合金熔体的第二成型区；
优选地，所述第一侧壁和所述第二侧壁内分别设置有用于对喷出的所述第一合金熔体和所述第二合金熔体进行冷却的冷却器。
在可选的实施方式中，所述第一熔体储存室和所述第二熔体储存室靠近所述芯材板的一侧分别设置有用于对所述芯材板两侧进行预热的预热火枪；
所述第一熔体储存室和所述第二熔体储存室内还分别设置有用于混合第一合金熔体和所述第二合金熔体的旋转喷吹搅拌器；
优选地，所述第一熔体储存室和所述第二熔体储存室内还分别设置有还设置有用于细化熔体的细化剂自动续丝系统。
本发明实施例的有益效果包括，例如：
本申请提供的基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法通过将芯材板竖直设置，并利用液态3D打印技术实现将合金熔体打印在芯材板的两侧，高温熔体在与冷却平台接触时，发生瞬间冷凝，在与预热后的芯材板接触时，形成有冶金结合过渡区的致密沉积层，按照设定路径，循环往复扫描，可以实现将合金熔体与芯材板逐层凝固堆积，从而形成复合铝合金板。
本发明可以保证复合界面的冶金结合，包覆层较均匀，厚度公差减小，最终可获得成型性、强韧性及耐腐蚀优良的复合材料。该方法可生产以往难以复合的合金，且加工工序大大减少，显著提高成材率和降低生产成本。
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发明的某些实施例，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基于液态3D打印的径向复合铝合金板的装置安装有芯材板时的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的基于液态3D打印的径向复合铝合金板的装置在打印过程中的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的基于液态3D打印的径向复合铝合金板的装置形成复合铝合金板的流程图；
图4为本申请实施例提供的基于液态3D打印的径向复合铝合金板的装置的第一喷嘴的排布示意图；
图5为本申请实施例提供的基于液态3D打印的径向复合铝合金板的微观组织图。
图标：100-基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的装置；110-第一熔体储存室；111-第一喷嘴；112-预热火枪；113-搅拌器；114-细化剂自动续丝系统；120-第二熔体储存室；121-第二喷嘴；130-打印室；131-冷却平台；132-运动平台；133-安装部；134-第一侧壁；135-第二侧壁；136-第一成型区；137-第二成型区；138-冷却器；200-复合铝合金板；201-芯材板；202-第一表层；203-第二表层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1和图2，本实施例提供了一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其包括如下步骤：
S1、将第一合金熔体和第二合金熔体分别喷至真空环境下的打印室130中竖直设置有预热后的芯材板201的冷却平台131上，以使第一合金熔体和第二合金熔体于芯材板201的两侧冷凝成型为第一表层202和第二表层203。
本申请中，在将芯材板201安装于冷却平台131之前，先将芯材板201的四周进行铣面至表面光洁，以保证结合效果。
本申请中第一合金熔体和第二合金熔体在打印之前需完成配置，并且需要进行除气净化处理和细化剂细化处理；优选地，采用Al-Ti-B丝进行晶粒细化，加入量为1.0-3.0kg/t熔体，目的是在熔体冲击的基础上对晶粒进行再细化。
具体来说，本申请中采用连接至打印室130的第一侧壁134和第二侧壁135以限定第一表层202和第二表层203的厚度；第一侧壁134和第二侧壁135位于芯材板201的两侧，芯材板201的一侧与第一侧壁134和冷却平台131围成用于盛接第一合金熔体的第一成型区136，芯材板201的另一侧与第二侧壁135和冷却平台131围成用于盛接第二合金熔体的第二成型区137。
请参阅图3，第一合金熔体和第二合金熔体分别喷至第一成型区136和第二成型区137内，水平移动冷却平台131以形成高度为δ的半固态区熔覆层，将冷却平台131向下移动δ的距离，第一合金熔体和第二合金熔体再次喷至第一成型区136和第二成型区137内，重复多次以形成第一表层202和第二表层203。
本申请中的术语“半固态熔覆层”是指合金温度处于固相线温度与液相线温度之间，即半固体状态，其中应有适当量的固态枝晶网，对接下来扫描的熔体起到一定的支撑作用。
本申请中冷却平台131通过运动实现将其表面负载的合金熔体进行振荡混合，冷却平台131运动的方式有多种，例如水平移动或上下振动，本申请中优选在合金熔体喷入过程中采用将冷却平台131水平移动的方式来实现对喷入第一成型区136和第二成型区137的合金熔体进行振荡混合，值得注意的是，本申请中，冷却平台131的移动范围应限缩在第一成型区136或第二成型区137的区间内，从而保证第一合金熔体和第二合金熔体始终分别喷入其对应的第一成型区136和第二成型区137内。
进一步地，由于第一合金熔体和第二合金熔体分别喷入第一成型区136和第二成型区137后，会在第一成型区136和第二成型区137分别累积一定的高度，为了使合金熔体注入的高度保持一致，本申请中优选采用三维的运动平台132带动冷却平台131进行水平运动，当在冷却平台131上形成半固态区熔覆层后，及时向下移动，可以保持喷嘴和冷却平台131上的熔体的作用距离始终维持在一定范围内，以保证最佳的打印效果。优选地，冷却平台131的水平移动速度v≤50mm/s；冷却平台131水平移动的道次间距d≤10mm/道次；冷却平台131的运动速度及道次间距的选择是为了确保有足够的熔体填充到熔池内，形成一定高度致密的沉积层。
优选地，本申请中的第一侧壁134和第二侧壁135内分别设置有用于对喷出的第一合金熔体和第二合金熔体进行冷却的冷却器138。冷却平台131和冷却器138均采用冷却水对其表面的熔体进行冷却，冷却平台131和冷却器138的冷却水的出口温度均小于30℃。第一合金熔体在喷入第一成型区136内时，第一合金熔体的底部与冷却平台131接触发生瞬间冷凝，芯材板201的预热温度小于第一合金熔体的加热温度(本申请中，芯材板201的预热温度为300-450℃；第一合金熔体和第二合金熔体的加热温度为600-800℃)，因此，第一合金熔体的两侧分别与第一侧壁134和芯材板201接触，形成有冶金结合过渡区的致密沉积层。同样的，第二合金熔体在喷入第二成型区137时，第二合金熔体的底部与冷却平台131接触发生瞬间冷凝，芯材板201的预热温度小于第二合金熔体的加热温度，因此，第二合金熔体的两侧分别与第二侧壁135和芯材板201接触，也形成有冶金结合过渡区的致密沉积层，按照设定路径，循环往复扫描，可以实现将合金熔体与芯材板逐层凝固堆积，从而形成复合铝合金板。当高温的第一合金熔体和第二合金熔体与芯材板201瞬间接触时，芯材板201会微量回熔，冷却后形成冶金结合层。
芯材板201的预热温度对界面结合力有较大影响。温度太低，高温熔体冲击到较冷固相界面时，瞬间凝固，形成冷隔；芯材板温度过高时，与高温熔体温度接近，无法起到冷却的作用，熔体凝固过程缓慢，枝晶生长，获得的复合材料组织粗大，性能下降。
第一合金熔体和第二合金熔体的加热温度根据各自合金成分而定，应高于液相线50-200℃。温度过低，铝合金熔体粘度过大，喷射困难；温度过高，熔体粘度低，在喷嘴除形成的表面张力较小，喷射过程难以控制，且导致产品成形性差。
对芯材板201进行预热的方式有多种，采用常规的预热方式即可。同时，对芯材板201的预热范围也可以进行选择，可以将芯材板201安装于冷却平台131上后进行整体预热，同时还可以对安装于冷却平台131的芯材板201的局部进行预热。本申请中优选采用对芯材板201的局部进行预热，尤其优选对其待结合的区域进行预热。具体地，在喷入第一合金熔体和第二合金熔体之前对芯材板201的高度为δ的待结合区域进行预热；随后喷入第一合金熔体和第二合金熔体，当冷却平台131向下移动δ的距离后，再次对芯材板201的高度为δ的待结合区域进行预热，重复多次以完成对芯材板201的所有区域进行预热。采用本申请的局部预热的方式可以实现芯材板201在预热后立即与喷入的第一合金熔体和第二合金熔体进行冶金结合，结合效果更佳。而如果采用整体预热，在第一合金熔体和第二合金熔体喷入的后期，尤其针对芯材板201的高度较大的情况，预热后的芯材板201可能会冷却，进而影响冶金结合的效果。
S2、第一表层202、芯材板201和第二表层203形成复合铝合金铸锭，经后处理获得复合铝合金板200。
将所获的复合铝合金铸锭从平台上取出，去除周围不规则边缘，并根据需要裁切成既定形状，然后进行后处理。
后处理包括：对复合铝合金铸锭进行均匀化处理，对复合铝合金铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，接着将热轧板坯进行冷轧至成品厚度，获得复合铝合金板200。
第一表层202或第二表层203的厚度占复合铝合金板200的总厚度的百分率即为包覆率。包覆率按照GB/T 33369-2016标准的定义为：单个包覆层厚度占复合材总厚度的百分率，按式(1)计算。
F＝t/h*100％——式(1)；
其中，F——包覆率，％；t——包覆层厚度，单位为毫米(mm)；h——复合材总厚度，单位为毫米(mm)。
本申请中，第一表层202和第二表层203分别作为单个包覆层，而复合铝合金板200即作为复合材。具体到本实施例中，第一表层202和第二表层203的厚度比例为1：1～1：2；优选地，第一表层202的厚度占复合铝合金板200的总厚度的百分率为10-20％；第二表层203的厚度占复合铝合金板200的总厚度的百分率为10-20％。采用上述比例进行包覆，包覆效果更佳，获得的复合铝合金板200的综合性能更佳。
本申请中，根据需要可以选择相同的合金熔体进行打印以形成芯材板201两侧的表层材料一致的复合铝合金板200，也可以选择不同的合金熔体进行打印以形成芯材板201两侧的表层材料不同的复合铝合金板200。
本申请中通过将所需的芯材板201竖直安装于冷却平台131上，然后在芯材板201的两侧分别逐层堆积第一合金熔体和第二合金熔体，使得高温的第一合金熔体和第二合金熔体与冷却平台131接触时发生瞬间冷凝成型，同时与芯材板201接触时形成有冶金结合过渡区的致密沉积层，按照设定路径，循环往复扫描，可以实现将合金熔体与芯材板逐层凝固堆积，从而形成复合铝合金板。
液态金属3D打印技术是一种新型的金属成形方法，用其制备铝合金复合材料更是一种全新的方法。与传统物理法不同，该技术将高温熔体冲击作用于液固界面处，其作用机制包含了力学冲击、热冲击、溶质均匀化，且可以将上述机制集中于材料的一点，致使晶体生长前沿的温度场、流场、溶质场会发生根本性的改变。该方法可以极大提高冷却速度，可以制备合金成分分布均匀、晶粒尺寸均匀的全等轴晶组织，且制备效率高、成本低，具有非常明显的技术优势。该方法制备的复合材料具有成形性好、结合界面稳定及结合力度强等特点。
此外，本申请还提供了一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的装置100，其可以实现上述基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法。
具体地，请结合参阅图1和图2，基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的装置100包括第一熔体储存室110、第二熔体储存室120和打印室130。
第一熔体储存室110和第二熔体储存室120是用于对待打印的第一合金熔体和第二合金熔体进行熔炼并储存的。本实施例中，第一熔体储存设置有第一喷嘴111，第二熔体储存室120设置有第二喷嘴121，第一喷嘴111和第二喷嘴121均与冷却平台之间的高度差为10～50cm(具体来说，是第一喷嘴111和第二喷嘴121与冷却平台的上表面的间距，当堆积了第一合金熔体和第二合金熔体时，即与冷却平台上第一合金熔体或第二合金熔体的最上侧的高度差为10～50cm)；优选地，第一喷嘴111和第二喷嘴121均为多个且分别沿着复合铝合金板200的长度方向呈单排设置(请参阅图4)；第一喷嘴111和第二喷嘴121的个数均为20～40个；第一喷嘴111和第二喷嘴121的孔径均为0.2～3.0mm；任意两个相邻的第一喷嘴111之间的间距为5～50mm。
第一熔体储存室110和第二熔体储存室120靠近芯材板201的一侧分别设置有用于对芯材板201两侧进行预热的预热火枪112；预热火枪112是连续性对芯材板进行提前局部加热，每次加热区域为δ厚度，加热时间间隔与运动平台向下运动时间间隔一致。
第一熔体储存室110和第二熔体储存室120内还分别设置有用于混合第一合金熔体和所述第二合金熔体的旋转喷吹搅拌器113，目的是为了除气和对熔体进行搅拌；第一熔体储存室110和第二熔体储存室120内还分别设置有还设置有用于细化熔体的细化剂自动续丝系统114。
打印室130内设置有冷却平台131和用于带动冷却平台131运动的运动平台132，冷却平台131上设置有用于安装芯材板201的安装部133，第一喷嘴111和第二喷嘴121伸入打印室130且朝向冷却平台131。打印室130内设置有第一侧壁134和第二侧壁135，第一侧壁134和所述第二侧壁135位于芯材板201的两侧，芯材板201的一侧与第一侧壁134和冷却平台131围成用于盛接第一合金熔体的第一成型区136，芯材板201的另一侧与第二侧壁135和冷却平台131围成用于盛接第二合金熔体的第二成型区137；第一侧壁134和第二侧壁135内分别设置有用于对喷出的第一合金熔体和第二合金熔体进行冷却的冷却器138。
具体来说，由于在制备过程中，冷却平台131需要不断向下移动，并带动芯材板201向下运动，因此，本申请中，将第一侧壁134和第二侧壁135固定至打印室130的顶部，使得运动平台132在带动冷却平台131在运动时，第一侧壁134和第二侧壁135的位置保持不变，从而使得第一侧壁134和第二侧壁135能够再次作为后续道次的第一合金熔体和第二合金熔体的宽度限定侧壁。
此外，为了保证芯材板201在随着冷却平台131运动时也保持稳步运动，本申请中，通过将芯材板201夹设于第一熔体储存室110和第二熔体储存室120之间，使得第一熔体储存室110和第二熔体储存室120之间形成的通道可以作为芯材板201的限位通道，以保证芯材板201向下运动时其轴心线保持不变。
根据本实施例提供的基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的装置100的工作原理是：
选择作为芯材板201的铝合金铸坯，将四周铣面至表面光洁，将其安装在冷却平台131的安装部133上；按照所需的表层熔体的组分按一定比例配置成第一合金熔体和第二合金熔体，经旋转喷吹搅拌器113除气、混合均匀后，并经细化剂自动续丝系统114对第一合金熔体和第二合金熔体进行细化，储存备用。打印开始前，芯材板201底部会被加热至一定温度，第一合金熔体和第二合金熔体经竖直设置的喷嘴喷向打印室130内的由冷却平台131、芯材板201、第一侧壁134和第二侧壁135分别形成的第一成型区136和第二成型区137内，第一合金熔体在第一成型区136内与预热的芯材板201形成有冶金结合过渡区的致密沉积层，而第二合金熔体在第一成型区136内与预热的芯材板201形成有冶金结合过渡区的致密沉积层。随后利用运动平台132带动冷却平台131向下运动，第一合金熔体和第二合金熔体喷出第二道次，按照设定路径，循环往复扫描，实现将合金熔体与芯材板201逐层凝固堆积，获得第一表层202和第二表层203。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其是采用本申请中基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的装置100进行打印制得。
本实施例制备的是4045/3003/4045铝合金复合板，在3003合金芯材板201的两侧打印相同成分的4045合金熔体。具体步骤如下：
S1、选择3003合金作为芯材板201的铝合金铸坯，将四周铣面至表面光洁，接着将芯材板201安装于打印室130内的冷却平台131上。
S2、配置上述4045合金熔体并将其转移至第一熔体储存室110和第二熔体储存室120内进行保存，合金熔体的温度为725℃。
S3、利用预热火枪112对芯材板201的高度为δ的待结合区域进行预热，预热温度为400℃。将第一熔体储存室110和第二熔体储存室120内的合金熔体分别通过竖直喷嘴(喷嘴数量为20个，行间距10mm，孔径为0.5mm)喷向腔体真空压力为-45kPa的打印室130内由底部冷却平台131、侧部的第一侧壁134、第二侧壁135以及位于第一侧壁134和第二侧壁135之间的芯材板201围成的第一成型区136和第二成型区137内。合金熔体在第一成型区136和第二成型区137内与预热后的径向芯材板201瞬间冶金结合在一起，形成有冶金结合过渡区的致密沉积层，合金熔体与底部的冷却平台131和侧部的第一侧壁134和第二侧壁135接触时发生瞬间冷凝，以10mm/s的速度水平移动冷却平台131以获得厚度为δ的半固态熔覆层，然后向下移动冷却平台131的距离，合金熔体再次喷入，冷却平台131水平移动的道次间距为10mm/道次，重复上述水平移动以形成新的结晶层，重复多次后可获得由芯材板201以及包覆于芯材板201两侧的第一表层202和第二表层203的组成的双金属复合铸锭。其中，第一表层202和第二表层203的厚度比例为1：1；第一表层202和第二表层203的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率均为20％；第一喷嘴和所述第二喷嘴均与其冷却平台之间的高度差为20cm。
S4、将所获的复合铝合金铸锭从平台上取出，去除周围不规则边缘，并根据需要裁切成既定形状，然后进行均匀化处理。
S5、将复合铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，然后将进行冷轧值成品厚度，获得复合铝合金板200，其微观组织图请参阅图5。
实施例2
本实施例提供了一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其是采用本申请中基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的装置100进行打印制得。
本实施例制备的是4045/3003/7072铝合金复合板，在3003合金芯材板201的两侧打印成分不同的4045合金熔体和7072合金熔体。具体步骤如下：
S1、选择3003合金作为芯材板201的铝合金铸坯，将四周铣面至表面光洁，接着将芯材板201安装于打印室130内的冷却平台131上。
S2、配置上述4045合金熔体并将其转移至第一熔体储存室110内进行保存，合金熔体的温度为725℃。配置上述7072合金熔体并将其转移至第二熔体储存室120内进行保存，合金熔体的温度为747℃。
S3、利用预热火枪112对芯材板201的高度为δ的待结合区域进行预热，预热温度为400℃。将第一熔体储存室110和第二熔体储存室120内的合金熔体分别通过竖直喷嘴(喷嘴数量为20个，行间距10mm，孔径为0.5mm)喷向腔体真空压力为-30kPa的打印室130内由底部冷却平台131、侧部的第一侧壁134、第二侧壁135以及位于第一侧壁134和第二侧壁135之间的芯材板201围成的第一成型区136和第二成型区137内。合金熔体在第一成型区136和第二成型区137内与预热后的径向芯材板201瞬间冶金结合在一起，形成有冶金结合过渡区的致密沉积层，合金熔体与底部的冷却平台131和侧部的第一侧壁134和第二侧壁135接触时发生瞬间冷凝，以20mm/s的速度水平移动冷却平台131以获得厚度为δ的半固态熔覆层，然后向下移动冷却平台131的距离，合金熔体再次喷入，冷却平台131水平移动的道次间距为8mm/道次，重复上述水平移动以形成新的结晶层，重复多次后可获得由芯材板201以及包覆于芯材板201两侧的第一表层202和第二表层203的组成的双金属复合铸锭。其中，第一表层202和第二表层203的厚度比例为1：2；第一表层202占复合铝合金板的总厚度的百分率为10％，第二表层203的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率为20％；第一喷嘴和所述第二喷嘴均与其冷却平台之间的高度差为20cm。
S4、将所获的复合铝合金铸锭从平台上取出，去除周围不规则边缘，并根据需要裁切成既定形状，然后进行均匀化处理。
S5、将复合铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，然后将进行冷轧值成品厚度，获得复合铝合金板200。
实施例3
本实施例提供了一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其是采用本申请中基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的装置100进行打印制得。
本实施例制备的是4343/7A11/4343铝合金复合板，在7A11合金芯材板201的两侧打印成分相同的4343合金熔体。具体步骤如下：
S1、选择7A11合金作为芯材板201的铝合金铸坯，将四周铣面至表面光洁，接着将芯材板201安装于打印室130内的冷却平台131上。
S2、配置上述4343合金熔体并将其转移至第一熔体储存室110和第二熔体储存室120内进行保存，合金熔体的温度为715℃。
S3、利用预热火枪112对芯材板201的高度为δ的待结合区域进行预热，预热温度为450℃。将第一熔体储存室110和第二熔体储存室120内的合金熔体分别通过竖直喷嘴(喷嘴数量为30个，行间距20mm，孔径为1mm)喷向腔体真空压力为-50kPa的打印室130内由底部冷却平台131、侧部的第一侧壁134、第二侧壁135以及位于第一侧壁134和第二侧壁135之间的芯材板201围成的第一成型区136和第二成型区137内。合金熔体在第一成型区136和第二成型区137内与预热后的径向芯材板201瞬间冶金结合在一起，形成有冶金结合过渡区的致密沉积层，合金熔体与底部的冷却平台131和侧部的第一侧壁134和第二侧壁135接触时发生瞬间冷凝，以30mm/s的速度水平移动冷却平台131以获得厚度为δ的半固态熔覆层，然后向下移动冷却平台131的距离，合金熔体再次喷入，冷却平台131水平移动的道次间距为5mm/道次，重复上述水平移动以形成新的结晶层，重复多次后可获得由芯材板201以及包覆于芯材板201两侧的第一表层202和第二表层203的组成的双金属复合铸锭。其中，第一表层202和第二表层203的厚度比例为1：1；第一表层202占复合铝合金板的总厚度的百分率为20％，第二表层203的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率为20％；第一喷嘴和所述第二喷嘴均与其冷却平台之间的高度差为30cm。
S4、将所获的复合铝合金铸锭从平台上取出，去除周围不规则边缘，并根据需要裁切成既定形状，然后进行均匀化处理。
S5、将复合铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，然后将进行冷轧值成品厚度，获得复合铝合金板200。
对比例1：采用常规热轧复合方法制备4045/3003/4045复合铝合金板200。
对比例2：采用常规冷轧复合方法制备4045/3003/4045复合铝合金板200。
对实施例1-3和对比例1-2获得的复合铝合金板进行力学性能测试，测试结果如下表所示：
Figure BDA0002830076120000171
从上表可以看出，本申请获得的复合铝合金板的抗拉强度显著优于对比例1和对比例2的抗拉强度，并且延伸率也显著优于对比例1和对比例2。
综上所述，本申请提供的基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法通过将芯材板竖直设置，并利用液态3D打印技术实现将合金熔体打印在芯材板的两侧，高温熔体在与冷却平台接触时，发生瞬间冷凝，在与预热后的芯材板接触时，发生瞬间冶金结合在一起，可以实现将合金熔体与芯材板进行紧密接触和连接，从而形成复合铝合金板，该复合铝合金板的性能优异，抗拉强度强，且芯材板和表层的结合界面稳定，结合力度强。其广泛适用于航空航天或军工领域。本申请提供的基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的装置100可以实现上述制备方法，操作简单。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其特征在于，包括：
将第一合金熔体和第二合金熔体分别喷至真空环境下的打印室中竖直设置有预热后的芯材板的冷却平台上，以使所述第一合金熔体和所述第二合金熔体于所述芯材板的两侧冷凝成型为第一表层和第二表层；所述第一表层、所述芯材板和所述第二表层形成复合铝合金铸锭，经后处理获得复合铝合金板。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其特征在于，成型所述第一表层和所述第二表层包括：
采用连接至所述打印室的第一侧壁和第二侧壁以限定所述第一表层和所述第二表层的厚度；所述第一侧壁和所述第二侧壁位于所述芯材板的两侧，所述芯材板的一侧与所述第一侧壁和所述冷却平台围成用于盛接所述第一合金熔体的第一成型区，所述芯材板的另一侧与所述第二侧壁和所述冷却平台围成用于盛接所述第二合金熔体的第二成型区；
所述第一合金熔体和所述第二合金熔体分别喷至所述第一成型区和所述第二成型区内，水平移动所述冷却平台以形成高度为δ的半固态区熔覆层，将所述冷却平台向下移动δ的距离，所述第一合金熔体和所述第二合金熔体再次喷至所述第一成型区和所述第二成型区内，重复多次以形成所述第一表层和所述第二表层；
优选地，所述冷却平台的水平移动速度v≤50mm/s；
优选地，所述冷却平台水平移动的道次间距d≤10mm/道次；
优选地，所述第一侧壁和所述第二侧壁内分别设置有用于对喷出的所述第一合金熔体和所述第二合金熔体进行冷却的冷却器。
3.根据权利要求2所述的基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其特征在于，在将所述芯材板安装于真空环境下的所述打印室后再进行预热；
优选地，在安装所述芯材板之前对所述芯材板进行铣面；
优选地，所述芯材板的预热温度为300-450℃；
优选地，在喷入所述第一合金熔体和所述第二合金熔体之前对所述芯材板的高度为δ的待结合区域进行预热；随后喷入所述第一合金熔体和所述第二合金熔体，当所述冷却平台向下移动δ的距离后，再次对所述芯材板的高度为δ的待结合区域进行预热，重复多次以完成对所述芯材板的所有区域进行预热；
优选地，所述第一合金熔体和所述第二合金熔体的加热温度为600-800℃；
优选地，所述冷却平台和所述冷却器均采用冷却水对其表面的熔体进行冷却，所述冷却平台和所述冷却器的冷却水的出口温度均小于30℃；
优选地，所述真空环境中的压力为-30～-90kPa。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述第一表层和所述第二表层的厚度比例为1：1～1：2；
优选地，所述第一表层的厚度占所述复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20％；
优选地，所述第二表层的厚度占所述复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述第一合金熔体和所述第二合金熔体在喷出打印之前还包括进行除气净化处理和细化剂细化处理；
优选地，采用Al-Ti-B丝进行晶粒细化，加入量为1.0-3.0kg/t熔体。
6.根据权利要求1-4任一项所述的基于液态金属3D打印的径向复合铝合金板的制备方法，其特征在于，对所述复合铝合金铸锭进行后处理包括：对所述复合铝合金铸锭进行均匀化处理；
优选地，均匀化处理后还包括对所述复合铝合金铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，接着将所述热轧板坯进行冷轧至成品厚度，获得所述复合铝合金板。
7.一种基于液态3D打印的径向复合铝合金板的装置，其特征在于，其包括第一熔体储存室、第二熔体储存室和打印室，所述打印室内设置有冷却平台和用于带动所述冷却平台运动的运动平台，所述冷却平台上设置有用于安装芯材板的安装部，所述第一熔体储存设置有第一喷嘴，所述第二熔体储存室设置有第二喷嘴，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴伸入所述打印室且朝向所述冷却平台。
8.根据权利要求7所述的基于液态3D打印的径向复合铝合金板的装置，其特征在于，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴均与其冷却平台之间的高度差为10～50cm；
优选地，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴均为多个且分别沿着所述复合铝合金板的长度方向呈单排设置；
优选地，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴的个数均为20～40个；
优选地，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴的孔径均为0.2～3.0mm；
优选地，任意两个相邻的所述第一喷嘴之间的间距为5～50mm。
9.根据权利要求7所述的基于液态3D打印的径向复合铝合金板的装置，其特征在于，所述打印室内设置有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁位于所述芯材板的两侧，所述芯材板的一侧与所述第一侧壁和所述冷却平台围成用于盛接第一合金熔体的第一成型区，所述芯材板的另一侧与所述第二侧壁和所述冷却平台围成用于盛接第二合金熔体的第二成型区；
优选地，所述第一侧壁和所述第二侧壁内分别设置有用于对喷出的所述第一合金熔体和所述第二合金熔体进行冷却的冷却器。
10.根据权利要求7所述的基于液态3D打印的径向复合铝合金板的装置，其特征在于，所述第一熔体储存室和所述第二熔体储存室靠近所述芯材板的一侧分别设置有用于对所述芯材板两侧进行预热的预热火枪；
所述第一熔体储存室和所述第二熔体储存室内还分别设置有用于混合第一合金熔体和第二合金熔体的旋转喷吹搅拌器；
优选地，所述第一熔体储存室和所述第二熔体储存室内还分别设置有还设置有用于细化熔体的细化剂自动续丝系统。
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