CN114845519B - 一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置及方法，增材制造装置，包括具有柔性褶皱导热面或柔性褶皱导热腔体的换热腔体、用于采集增材制造温度分布、光谱信息和熔池流动信息的数据采集装置、用于控制换热腔体内流动液态金属温度的温控装置和控制装置；换热腔体内充满流动的液态金属；控制装置用于接受数据采集装置采集的增材制造数据，并根据采集数据调整温度控制指令，通过温控装置调整增材制造的工件表面温度。本发明通过柔性褶皱导热面或柔性褶皱导热腔体利用液态金属对增材制造进行温度调控，调控温度梯度、冷却速率和晶体生长条件，提升修复区域温度分布均匀性，降低热应力及裂纹萌生概率，有效提升增材结构的使用性能。
Description
技术领域
本发明属于工件修复领域，涉及一种增材制造修复技术，具体涉及一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置及方法。
背景技术
根据国内外统计，航空发动机的维修费用可占到飞机总使用费用的8％，其中50％的发动机维修费用为叶片维修费用。因此，恢复损伤叶片的气动外形、微观组织与力学性能，延长服役寿命，对于降低维护成本和提高装备可靠性具有重要意义。随着金属增材制造技术的发展，基于增材原理的高能束再制造技术成为修复磨损、烧蚀和裂纹等叶片损伤的主要方式。国内在单晶叶片修复领域虽取得了一定的研究成果，但单晶化修复叶片并未进入大规模应用阶段。
目前，相关领域学者也开展了一系列增材修复叶片的研究工作，但仍存在较多问题，公开号为CN 112122617 A的中国专利，提出了一种高性能单晶定向晶涡轮叶片的激光增材修复方法，首先采用连续脉冲激光重熔待修复部位的表面，获得均匀细小取向一致的结晶组织。然后采用激光增材制造工艺，对涡轮叶片进行逐层修复。在增材制造完成后，进行去应力热处理。但也存在着不足，具体表现在：待修复涡轮叶片固定于带冷却装置的基座上，不能高效的冷却叶片，并且没有对修复过程进行实时监测。公开号为CN 110480007 A的中国专利，提出了一种航空发动机无冠定向凝固晶涡轮工作叶片叶尖裂纹的微高强度创修复方法，采用同轴激光增材修复技术修补叶片裂纹，对修复后的叶片作去应力热处理，最后恢复叶片叶型。但也存在着不足，具体表现在：增材修复过程中，叶片温度分布不均匀，容易产生内部裂纹缺陷，导致叶片使用性能下降。公开号为CN 110202158 A的中国专利，提出了一种航空发动机涡轮转子叶片叶冠纵向密集损伤的整体式修复方法，采用激光修复铸造盖板下的裂纹，然后采用整体式激光立体成形技术将叶冠整体成形，并手工加工成形的叶冠面，使其恢复流道型面。采用整体修复的方法，避免逐一修复的过程，减少工作量。同样存在着不足，具体表现在：整体修复过程中，叶片受热不均匀，容易产生内应力，导致叶片使用性能下降。
目前以液态金属作为增材制造过程的辅助热管理材料，并通过一层柔性褶皱金属薄膜将增材结构与液态金属隔断，实时调控修复过程的温度场及应力场分布的研究或应用还尚未报道，本发明将柔性褶皱薄膜和液态金属材料用于增材制造过程中，提出一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置及方法，通过一层柔性褶皱金属薄膜将增材结构与液态金属隔断，利用液态金属与增材结构间的热交换作用，实时调控修复过程的温度场及应力场分布，加大熔池凝固温度梯度，促进单晶形成，同时提升修复区域温度分布均匀性，降低热应力及裂纹萌生概率，提升增材结构的使用性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于，包括：
换热腔体，所述换热腔体设有至少一个与待增材制造工件表面接触的柔性导热面，换热腔体内充满流动的液态金属；
数据采集装置，用于实时采集增材制造数据，至少包括用于采集增材制造温度分布、光谱信息和熔池流动信息；
温控装置，用于控制换热腔体内流动液态金属温度，从而对待增材制造的工件表面温度进行控制；
增材装置，用于对工件表面进行增材制造；
控制装置，用于接受数据采集装置采集的增材制造数据，并根据采集数据调整温度控制指令，通过温控装置调整增材制造的工件表面温度；
三维移动平台，所述换热腔体安装在三维移动平台上，通过所述三维移动平台驱动换热腔体上的柔性导热面跟随增材装置移动，进行实时温度调控。
进一步地，所述换热腔体整体为柔性导热腔体，所述柔性导热腔体两端分别设有用于保持形状的支撑环，同时两个支撑环也是流动液态金属的进出口；柔性导热腔体通过自适应夹持装置安装在三维移动平台上；所述自适应夹持装置包括固定板、设于固定板上下的两排自适应伸缩杆和用于固定两个支撑环的侧板，所述柔性导热腔体位于两排自适应伸缩杆之间，所述侧板设于固定板左右两侧，用于固定相应的支撑环；固定板安装在三维移动平台上作为承力支点。
进一步地，所述柔性导热面和柔性导热腔体的表面设置为能提高柔性的褶皱面。
进一步地，所述温控装置包括：
加热器，设于换热腔体内，用于对其内液态金属加热；
传热装置，设于换热腔体外部，用于对液态金属进行散热降温；
流动装置，用于使得液态金属在换热腔体和传热装置之间流动，以保持换热腔体内液态金属温度维持在设定温度。
进一步地，所述换热腔体的柔性导热面或柔性导热腔体为熔点不低于1000℃的柔性褶皱金属薄膜制成。
进一步地，所述柔性褶皱金属薄膜为金或铜膜，厚度为10～15μm。
进一步地，所述液态金属为为熔点低于800度的金属或者合金，进一步可以优选为金属锡、金属镓、镓铟合金及镓铟锡合金中任意一种或者几种。
本发明还提供一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造方法，采用上述的增材制造装置，其特征在于，增材制造方法包括如下步骤：
S1.清洗工件待修复表面，根据工件表面形状选择相应的柔性褶皱导热面或柔性褶皱导热腔体；
S2.通过三维移动平台驱动将柔性褶皱导热面或柔性褶皱导热腔体紧贴受损工件表面；
S3.开启温控装置的加热器，将盛放于换热腔体中的液态金属加热至目标温度，并保温；
S4.同步开启流动装置，使液态金属在流动装置和传热装置之间流动，通过传热装置和加热器保持流动的液态金属处于设定温度范围内；
S5.开启增材装置，开始增材修复；同步开启数据采集装置，采集增材修复过程中的温度分布、光谱信息和熔池流动信息；通过三维移动平台驱动柔性导热面或柔性导热腔体跟随增材装置移动；
S6.增材修复结束后，保温并关闭加热器，待工件冷却至室温，完成增材制作。
本发明的强化机理如下：
本发明通过一层柔性褶皱金属薄膜制成的柔性褶皱导热面或柔性褶皱导热腔体将工件与液态金属隔断，以隔断的方式保护未受损区域，利用液态金属与叶片间的热交换作用，实时调控修复过程叶片温度场及应力场分布，加大熔池凝固温度梯度，能够显著抑制凝固过程中“柱状晶-等轴晶”转变，进而促进修复区单晶结构的形成。同时提升修复区域温度分布均匀性，降低热应力及裂纹萌生概率，提升叶片的使用性能。
本发明提供的装置结构设计简单、操作方便、在修复过程中同步移动隔断褶皱金属薄膜来适配激光增材单晶化修复过程中逐层堆积的工艺特征，在热管理方面具有高度灵活性，提高了激光修复过程中单晶生长的可行性和稳定性。本发明提供的方法能够提高凝固区温度梯度从而促进单晶生长，同时降低低温段热应力，减小制造缺陷生成概率。提供了一种全新的熔池传热传质行为调控方式和激光单晶化修复的再制造技术。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明柔性褶皱导热面或柔性褶皱导热腔体以隔断的方式充分贴合待修复增材结构表面，可有效的将液态金属和增材结构隔开，不受增材结构尺寸及形状限制，避免增材结构表面和液态金属发生反应。
2、液态金属作为修复过程的辅助热管理材料，具有作业不易飞溅外溢，能够充分贴合增材结构。
3、增材修复过程中可实时调控温度场及应力场分布的均匀性，控制凝固区的温度梯度和冷却速率。
4、本发明创新性地提出了以流动液态金属为熔池传热传质行为控制介质，褶皱金属薄膜为隔断层的浸没隔断式辅助热管理的增材结构增材制造方法，控制晶体生长条件，同时降低低温段热应力，减小制造缺陷生成概率。
附图说明
图1为本发明实施例1采用具有柔性褶皱导热面的换热腔体隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置示意图。
图2为本发明实施例2采用柔性褶皱导热腔体的换热腔体隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置换热腔体结构图。
图3为实施例2中柔性褶皱导热腔体结构示意图。
附图标记：1-换热腔体，2-柔性褶皱导热面，3-加热器，4-温度传感器，5-叶片，6-柔性褶皱导热腔体，7-支撑环，8-侧板，9-自适应伸缩杆，10-固定板，11-自适应夹持装置。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：如图1:所示，本发明提供一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，包括：
换热腔体1，所述换热腔体1设有一个与待增材制造工件表面接触的柔性导热面，本实施例中，所述柔性导热面为便于提高柔性的柔性褶皱导热面2，由于柔性导热面实际上采用金属材料或者柔性陶瓷材料制成，相对来说柔性并不好，为了提高柔性，增加贴合度，通过褶皱设计使得柔性导热面的柔性更好，更利于贴紧工件表面进行换热，换热腔体1内充满流动的液态金属，除了柔性褶皱导热面2以外，其他面采用刚性结构，便于支撑安装在三维移动平台上；
数据采集装置，用于实时采集增材制造数据，至少包括用于采集增材制造温度分布、光谱信息和熔池流动信息；
温控装置，用于控制换热腔体1内流动液态金属温度，从而对待增材制造的工件表面温度进行控制；
增材装置，用于对工件表面进行增材制造；
控制装置，用于接受数据采集装置采集的增材制造数据，并根据采集数据调整温度控制指令，通过温控装置调整增材制造的工件表面温度；实施例中优选为计算机。
实施例2：如图2所示，其他结构与实施例1相同，区别在于，换热腔体为与待增材制造工件表面接触的柔性导热腔体，与柔性导热面类似，本实施例中柔性导热腔体也设计为具有褶皱的柔性褶皱导热腔体6，柔性褶皱导热腔体6两端设置用于保持形状的支撑环7，同时两个支撑环7也是流动液态金属的进出口；由于柔性褶皱导热腔体6形状无法保持固定，因此还设有自适应夹持装置11将柔性褶皱导热腔体6安装在三维移动平台上。
如图2所示，所述自适应夹持装置包括固定板10、设于固定板10上下的两排自适应伸缩杆9和用于固定两个支撑环7的侧板8，所述柔性褶皱导热腔体6位于两排自适应伸缩杆9之间，所述侧板8设于固定板左右两侧，用于固定相应的支撑环7，固定板10安装在三维移动平台上作为承力支点，当三维移动平台驱动固定板10靠近待加工的叶片5时，将柔性褶皱导热腔体6压紧在叶片5的表面，上下两排自适应伸缩杆9在靠近作用力下，根据叶片5表面的形状自动伸缩，形成两排自适应挡墙，用于限制柔性褶皱导热腔体6过度变形。而柔性褶皱导热腔体6在两排自适应挡墙之间变形，紧密贴合在工件5表面，进行热量交换。两个支撑环7分别作为流动液态金属的进出口与相应管线相连。
作为一种优选实施例，所述自适应伸缩杆9为弹簧伸缩杆，没有接触力时，自动伸长复原，有正压力接触力时，在挤压作用下，自动缩短，具体结构不限。
作为一种优选实施例，所述换热腔体1安装在三维移动平台上，通过所述三维移动平台驱动换热腔体1上的柔性褶皱导热面2或柔性褶皱导热腔体6跟随增材装置移动，进行实时温度调控。
作为一种优选实施例，所述温控装置包括：
加热器3，设于换热腔体1内，用于对其内液态金属加热；
传热装置，设于换热腔体1外部，用于对液态金属进行散热降温；
流动装置，用于使得液态金属在换热腔体1和传热装置之间流动，以保持换热腔体1内液态金属温度维持在设定温度。
作为一种优选实施例，本发明所述温控装置还包括温度控制器和温度传感器4，所述温度传感器4(比如采用设置于换热腔体1内的热电偶)用于检测换热腔体1内液态金属的温度，所述温控器根据检测到的温度和设定温度设定加热器3的加热速度、流动装置的流动速度以调整散热能力，可以同步调节三个参数，也可以是仅仅调整一个参数，维持换热腔体1内液态金属的温度处于设定范围即可。
流动装置将换热腔体1内液态金属流动到传热装置进行散热，然后从另一侧返回换热腔体1内，不仅实现了对液态金属的降温温控，还能在工件表面随着液态金属流动形成温度梯度场，改变熔池凝固温度梯度和冷却速率，提高增材制造的质量。
作为优选实施例，本发明加热器3可以采用电热棒或者电阻丝，所述流动装置可以采用满足流动金属介质温度要求的电动泵，通过电动泵进行液态金属流动传热同时，电动泵还能保持换热腔体1内具有一定的压力，该压力可以提高柔性褶皱导热面2或柔性褶皱导热腔体6与工件贴合程度，以提高热交换速率。
作为优选实施例，本发明传热装置可以是换热器，也可以是利用空气散热的换热翘片，具体实现形态不限，满足液态金属的温度范围即可。
作为优选实施例，所述数据采集装置包括高速相机、光谱仪和红外热像仪。利用高速相机观测熔池表面流动规律并采集匙孔尺寸和位置相关信息，利用光谱仪采集制造过程中光谱信息，利用红外热像仪采集熔池周边材料的温度分布和热循环规律数据。
作为优选实施例，所述增材装置包括：
材料输送装置，用于输送增材制造的材料至工件表面；
热源发生装置，用于发生高能热源，熔化增材材料进行增材制造。
本实施例中，增材装置的具体形态不限，现有技术中任何满足增材制造的均可，当然作为一种公知常识，为了实现增材制造，一般还应该包括用于扫描的移动机构或者移动平台和实时在线材料处理模块。
所述热源发生装置包括但是不限于氩弧、激光、等离子体或其复合。所述材料输送装置输送的是粉末材料
作为优选实施例，所述换热腔体1的柔性褶皱导热面2或柔性褶皱导热腔体6为熔点不低于1000℃的柔性褶皱金属薄膜，比如所述柔性褶皱金属薄膜为金或铜，厚度为10～15μm。
作为优选实施例，所述液态金属为熔点低于800度的金属或者合金，进一步可以优选为金属锡、金属镓、镓铟合金及镓铟锡合金中任意一种或者几种，具体种类根据增材制造的温度范围选择。
下面以弧形叶片5修复为例对本发明进行举例说明。
本发明还提供一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造方法，采用上述的增材制造装置，增材制造方法包括如下步骤：
S1.清洗叶片5待修复表面，根据叶片5表面形状选择相应的柔性褶皱导热面2或柔性褶皱导热腔体6；
S2.将柔性褶皱导热面2或柔性褶皱导热腔体6紧贴受损叶片5表面；
S3.开启温控装置的加热器3，将盛放于换热腔体1中的液态金属加热至目标温度，并保温；
S4.同步开启流动装置，使液态金属在流动装置和传热装置之间流动，通过传热装置和加热器3保持流动的液态金属处于设定温度范围内；
S5.开启增材装置，开始增材修复；同步开启数据采集装置，采集增材修复过程中的温度分布、光谱信息和熔池流动信息；
S6.增材修复结束后，保温并关闭加热器3，待叶片5自然冷却至室温，完成增材制作。所述保温处理能够实现叶片5的均匀化退火，提升修复区温度分布均匀性，降低热应力及裂纹萌生概率。
作为优选实施例，步骤S2中，通过三维移动平台驱动换热腔体1上的柔性褶皱导热面2或柔性褶皱导热腔体6紧贴叶片5表面，并在步骤S5中跟随增材装置移动，进行实时温度调控。
作为优选实施例，所述步骤S1中，用丙酮清洗待修复表面1～3次。
作为优选实施例，为了提高自动化程度，一般还包括控制装置，
所述控制装置主要由计算机通过数据传输线对增材装置、数据采集装置、温控装置和流动装置进行控制。在增材修复前，将柔性褶皱金属薄膜紧贴待增材结构表面，打开加热装置通过热电偶等方式对液态金属进行加热，利用测温传感器测量液态金属温度变化，当达到目标温度后进行保温，同步开启流动装置的电动泵，液态金属通过管路进行循环流动，进而实现增材结构的调控。在增材修复时，开启修复装置的激光器和送粉机，激光器主要对送粉机送出的粉末进行熔化。在修复过程同步开启数据采集装置的高速相机、光谱仪和红外热像仪，利用高速相机观测熔池表面流动规律并采集匙孔尺寸和位置相关信息，利用光谱仪采集修复过程中光谱信息，利用红外热像仪采集熔池周边材料的温度分布和热循环规律数据。增材修复结束后，保温并关闭加热装置，待增材结构冷却至室温。
本发明提供的装置结构设计简单、操作方便、在修复过程中同步移动隔断柔性褶皱金属或陶瓷薄膜来适配热源增材逐层堆积的工艺特征，在热管理方面具有高度灵活性，提高了增材制造过程中晶体生长的可行性和稳定性。本发明提供的方法能够控制凝固区温度梯度及冷却速率，同时降低低温段热应力，减小制造缺陷生成概率。提供了一种全新的熔池传热传质行为调控的增材制造技术。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本发明所属领域的技术人员可对上述实施方式进行变更和修改，故本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本发明所属领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于，包括：
换热腔体，所述换热腔体设有至少一个与待增材制造工件表面接触的柔性导热面，换热腔体内充满流动的液态金属；
数据采集装置，用于实时采集增材制造数据，至少包括用于采集增材制造温度分布、光谱信息和熔池流动信息；
温控装置，用于控制换热腔体内流动液态金属温度，从而对待增材制造的工件表面温度进行控制；
增材装置，用于对工件表面进行增材制造；
控制装置，用于接受数据采集装置采集的增材制造数据，并根据采集数据调整温度控制指令，通过温控装置调整增材制造的工件表面温度；
三维移动平台，所述换热腔体安装在三维移动平台上，通过所述三维移动平台驱动换热腔体上的柔性导热面跟随增材装置移动，进行实时温度调控。
2.根据权利要求1所述隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于：所述换热腔体整体为柔性导热腔体，所述柔性导热腔体两端分别设有用于保持形状的支撑环，同时两个支撑环也是流动液态金属的进出口；柔性导热腔体通过自适应夹持装置安装在三维移动平台上；所述自适应夹持装置包括固定板、设于固定板上下的两排自适应伸缩杆和用于固定两个支撑环的侧板，所述柔性导热腔体位于两排自适应伸缩杆之间，所述侧板设于固定板左右两侧，用于固定相应的支撑环；固定板安装在三维移动平台上作为承力支点。
3.根据权利要求1所述隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于：所述柔性导热面和柔性导热腔体的表面设置为能提高柔性的褶皱面。
4.根据权利要求1-3任意一项所述隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于：所述温控装置包括：
加热器，设于换热腔体内，用于对其内液态金属加热；
传热装置，设于换热腔体外部，用于对液态金属进行散热降温；
流动装置，用于使得液态金属在换热腔体和传热装置之间流动，以保持换热腔体内液态金属温度维持在设定温度。
5.根据权利要求4所述隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于：
所述数据采集装置包括高速相机、光谱仪和红外热像仪。
6.根据权利要求4所述隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于：所述增材装置包括：
材料输送装置，用于输送增材制造的材料至工件表面；
热源发生装置，用于发生高能热源，熔化增材材料进行增材制造。
7.根据权利要求4所述隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于：
所述换热腔体的柔性导热面或柔性导热腔体为熔点不低于1000℃的柔性褶皱金属薄膜制成。
8.根据权利要求7所述隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于：所述柔性褶皱金属薄膜为金或铜膜，厚度为10～15μm。
9.根据权利要求4所述隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造装置，其特征在于：所述液态金属为熔点低于800度的金属或者合金。
10.一种隔断浸没式流动液体温度调控的增材制造方法，采用权利要求4-9任意一项所述的增材制造装置，其特征在于，增材制造方法包括如下步骤：
S1.清洗工件待修复表面，根据工件表面形状选择相应的柔性导热面或柔性导热腔体；
S2.通过三维移动平台驱动将柔性导热面或柔性导热腔体紧贴受损工件表面；
S3.开启温控装置的加热器，将盛放于换热腔体中的液态金属加热至目标温度，并保温；
S4.同步开启流动装置，使液态金属在流动装置和传热装置之间流动，通过传热装置和加热器保持流动的液态金属处于设定温度范围内；
S5.开启增材装置，开始增材修复；同步开启数据采集装置，采集增材修复过程中的温度分布、光谱信息和熔池流动信息；通过三维移动平台驱动柔性导热面或柔性导热腔体跟随增材装置移动；
S6.增材修复结束后，保温并关闭加热器，待工件冷却至室温，完成增材制作。
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