CN115026302A - 制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，步骤为：搭建铝熔液的氧化模型以及铝熔液和射流内部的压力波动传导模型，并进行铝微熔滴喷射，在微通道结构无支撑状态下，进行多颗铝微熔滴重熔堆积形成零件，并对成形零件进行表面质量检测。确定微通道成形过程中不均衡热应力对零件制件变形的影响因素并根据影响因素控制制件变形。最后根据内壁波纹微通道的多尺度成形参数，及各参数交互作用，确定微滴沉积形成的零件表面波纹的打印工艺参数，并根据打印工艺参数优化零件成形。本方法可以实现微通道整体形状、微滴沉积形成的波浪状内壁以及沉积振荡引起的单颗微滴表面波纹多尺度波纹微通道零件的低成本、高柔性制备。
Description
技术领域
本发明属于微通道零件的制备技术领域，具体涉及一种制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法。
背景技术
随着航空航天、微电子、微化工的快速发展，对于零部件的定制化、轻量化和功能化的要求越来越高，特别是一些高密度、大功率系统，需要将结构性能和热管理功能集成于一体。在航空航天领域，微通道零件主要应用在低轨卫星中的微通道热沉、高能激光二极管的微通道制冷器以及激光能量武器微通道冷却防护罩等结构-热管理功能件；在微电子领域,伴随晶体管集成度的不断提高,高速电子器件的热密度已达5~10MW/m2,散热已经成为其发展的主要瓶颈,微通道换热器取代传统换热装置已成必然趋势；在微化工领域中，微通道反应器由于其内部的微结构使得微反应器设备具有极大的比表面积，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍。而且微反应器有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效传热。
微通道结构在高性能散热器、微反应器等方面有着广泛的应用，随着微通道性能与结构的不断深入研究，对微通道的结构成型的复杂度要求越来越高，微通道结构的制造技术通常有高速数控铣削、微铸造、粉末冶金和线切割以及复合工艺等。然而，数控铣削加工存在结构极易变形、高深比小等问题；铸造、粉末冶金等工艺受制于模具形状，成形波纹内壁腔体的金属结构十分困难；电花火加工细微结构时存在电极极易损耗，加工也比较耗时的问题。近几年兴起的激光立体成形增材技术虽然可以使用粉体材料快速打印出复杂金属结构，但其应用于微通道成形时尚存在微型腔体排粉困难等问题。
此外，金属零件激光烧结快速成形技术的出现，使得零件成形可以摆脱传统加工技术中诸如刀具尺寸、模具形状等限制条件，从而可直接成形任意复杂金属零件。由于铝合金粉末常因静电或吸潮发生团聚，铺粉性能较差，另一方面，铝暴露在空气中后表面易生成致密而牢固的氧化铝薄膜，导致烧结困难；并且微通道需要粉末支撑，后处理排粉时存在一定的困难。因此，激光烧结技术不是非常适用于微通道的制备。鉴于上述原因，寻求适宜于微通道零件的快速制备技术已迫在眉睫。
均匀金属微滴喷射技术是近年发展起来的一种新型增材制造技术，其基本原理是对熔化后的金属液体施加脉冲压力，使其通过微小喷嘴喷出均匀金属微滴，通过精准控制微滴沉积位置，层层堆叠为复杂微结构。该技术在铝合金复杂薄壁微结构功能件的制备方面具有以下优势：（1）微滴尺寸小，注入基体的热量低，易于实现微小单元结构的直接成形和各种功能元件的嵌入式集成；（2）无需专用高能量源及专用设备。利用普通加热装置使金属熔化，便可借助气压脉冲、机械振动等压力脉冲实现均匀铝熔滴的喷射沉积和复杂微结构的直接打印成形；（3）对铝合金材料无特殊要求，市面供应材料均可使用，避免了其他3D打印方法均需专用材料的弊端；（4）可以实现无支撑成型倾斜结构或者微腔体结构。
发明内容
针对目前高密度大功率系统中微通道散热器以及微通道反应器制备的现存问题，结合发明人在均匀液滴喷射技术研究的前期工作基础，本发明提出利用均匀铝微滴喷射3D打印技术的快速柔性化制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法。
本发明提供的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，包括步骤S1~S4。
步骤S1：搭建铝熔液的氧化模型，以及铝熔液和射流内部的压力波动传导模型，根据氧化模型及压力波动传导模型进行铝微熔滴喷射。
步骤S2：在微通道结构无支撑状态下，进行多颗铝微熔滴重熔堆积形成零件，并对成形零件进行表面质量检测。
步骤S3：确定微通道成形过程中不均衡热应力对零件制件变形的影响因素，并根据影响因素控制制件变形。
步骤S4：根据内壁波纹微通道的多尺度成形参数，及各参数交互作用，确定微滴沉积形成的零件表面波纹的打印工艺参数，并根据打印工艺参数优化零件成形。
优选的，在步骤S1中，铝熔液的氧化模型，是在微氧环境中建立。
优选的，在步骤S1中，射流是采用压电陶瓷致动驱动微小喷嘴内部的金属流体，其使用基于压电喷射微驱动器的铝微熔滴喷射装置。
优选的，根据铝微熔滴喷射装置的脉冲背压、频率、喷嘴直径、喷射温度的匹配关系，确定铝微熔滴喷射装置的控制方式。
优选的，在步骤S2中，建立多颗铝微熔滴在偏移量下无支撑沉积的Navier-Stokes方程和能量方程，采用数值方法求解铝微熔滴堆积过程。
优选的，步骤S3还包括，通过建立铝微熔滴打印过程三维非稳态移动热源导热控制模型，分析不均衡热应力对制件变形影响。
优选的，步骤S3还包括，采用上位机生成喷射轨迹代码，生成成形轨迹算法。
优选的，在步骤S3中，采用轮廓实时扫描检测的方法，根据成形频率、温度控制进行参数组合，形成结构功能件。
优选的，在步骤S4中，通过高速图像采集系统，观察铝微熔滴的飞行运动规律和有效沉积，实现精准运动控制。
优选的，步骤S4还包括，采用步距测控和温度测控方式，确定包括喷射温度、环境温度、喷射速度、电脉冲宽度在内的打印工艺参数。
通过本发明提供的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，首先搭建铝熔液的氧化模型，以及铝熔液和射流内部的压力波动传导模型，根据氧化模型及压力波动传导模型进行铝微熔滴喷射。在微通道结构无支撑状态下，进行多颗铝微熔滴重熔堆积形成零件，并对成形零件进行表面质量检测。确定微通道成形过程中不均衡热应力对零件制件变形的影响因素，并根据影响因素控制制件变形。最后根据内壁波纹微通道的多尺度成形参数，及各参数交互作用，确定微滴沉积形成的零件表面波纹的打印工艺参数，并根据打印工艺参数优化零件成形。本方法可以实现微通道整体形状、微滴沉积形成的波浪状内壁以及沉积振荡引起的单颗微滴表面波纹多尺度波纹微通道零件的低成本、高柔性制备。
结合附图阅读本申请实施方式的详细描述后，本申请的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为本发明较佳实施例提供的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法流程图；
图2为本发明较佳实施例提供的金属微滴沉积倾斜立柱的三维数值模拟模型图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，包括步骤S1~S4。
步骤S1：搭建铝熔液的氧化模型，以及铝熔液和射流内部的压力波动传导模型，根据氧化模型及压力波动传导模型进行铝微熔滴喷射。
具体地，本步骤中，出于探索微氧作用下铝合金熔液与喷嘴材料之间的润湿及腐蚀行为的目的，铝熔液的氧化模型是在微氧环境中建立的。采用化学热力学理论分析铝液表面氧化行为，并通过研究氧化皮在铝液表面的形态，确定氧化皮对铝液表面物性的影响规律。
射流是采用压电陶瓷致动驱动微小喷嘴内部的金属流体，其使用基于压电喷射微驱动器的铝微熔滴喷射装置，并确定微克量级铝微滴喷射参数取值范围。喷射过程中，根据铝微熔滴喷射装置的脉冲背压、频率、喷嘴直径、喷射温度的匹配关系，确定铝微熔滴喷射装置的控制方式。
步骤S2：在微通道结构无支撑状态下，进行多颗铝微熔滴重熔堆积形成零件，并对成形零件进行表面质量检测。
本步骤中，需确定喷射速度、沉积频率以及基板温度等参数。同时建立多颗铝微熔滴在偏移量下无支撑沉积的Navier-Stokes方程和能量方程，采用数值方法求解铝微熔滴堆积过程。用于确定金属液滴沉积、碰撞变形过程中的流变、传热、凝固行为，以消除零件内部缺陷和保证内部质量。结合铝微熔滴堆积高速影像，确定熔滴温度、喷射频率、沉积步距和沉积速度等对成型零件表面粗糙度、尺寸精度的影响，以及零件内部缺陷如孔洞、冷隔、夹杂等，确定最佳工艺参数组合，获得满足工艺要求的熔滴结合状态，保证成形零件表面质量。
步骤S3：确定微通道成形过程中不均衡热应力对零件制件变形的影响因素，并根据影响因素控制制件变形。
具体而言，通过建立铝微熔滴打印过程三维非稳态移动热源导热控制模型，利用热弹塑性理论分析不同工艺条件下，熔滴堆积成形过程中制件温度场、应力场分布及其演化规律。分析不均衡热应力对制件变形影响，即热应力产生行为及残余变形等力学行为。
采用上位机生成喷射轨迹代码，生成成形轨迹算法，以达到有效减小局部应力的目的。采用轮廓实时扫描检测的方法，根据成形频率、温度控制进行参数组合，形成结构功能件。
步骤S4：根据内壁波纹微通道的多尺度成形参数，及各参数交互作用，确定微滴沉积形成的零件表面波纹的打印工艺参数，并根据打印工艺参数优化零件成形。
具体而言，利用开发的实验平台进行样件打印实验，结合建立的理论模型及物理规律，如熔滴的散热凝固机理、重熔结合机理等，通过高速CCD图像采集系统，观察铝微熔滴的飞行运动规律和有效沉积，实现精准运动控制。
此外，还可采用步距测控和温度测控方式，确定包括喷射温度、环境温度、喷射速度、电脉冲宽度在内的打印工艺参数。对微滴尺寸、速度以及微滴堆积过程及制件温度场的影响机制，建立熔滴沉积区域温度测量及反馈控制系统，确定制件成形的工艺参数范围。同时，还采用工具显微镜、扫描电镜、粗糙度分析、电子万能实验机等仪器对制件微观组织的观察，确定沉积参数与微观结构及制件性能的关系。
下面结合实验对本发明方案作进一步阐述。
实验室的硬件条件包括：均匀微滴3D打印实验平台及设备；适用于金属微滴打印成型软件系统；拥有研发场地和3D打印过程监测的微制造实验室；实验室还具备较完备的其它实验设备，包括：工控机2台，高性能计算机若干台，工作站2台；各种型号、功能的加热炉多台；各种测控仪器多台；完备的实验工装设施二套；实验室具有较完备的实验设备及条件，包括：彩色面阵双CCD 摄像及其图像分析处理系统、工具显微镜、激光轮廓仪、激光测振仪、以及各种先进加工设备。
使用本发明提供的均匀金属液滴喷射实验设备及均匀金属微滴喷射装置，喷射得到均匀金属微滴，从而得到均匀液滴喷射沉积的微小金属件。金属微滴的沉积形态首先分为倾斜区域、波浪区域和水平区域。水平区域又分为重叠子区域、簇状子区域和离散子区域。五种沉积形态分别是倾斜形态、波浪形态、重叠形态、簇状形态和离散形态。实验验证了三个可控区域（倾斜、重叠、离散区域）和两个不可控区域（波浪区域、簇状区域）。
结合图2，数值模拟和实验都证明了在均匀金属微滴喷射沉积技术中，能够成型倾斜立柱，为无支撑成型更复杂的结构特征提供了理论和实验支持。证实了均匀金属微滴沉积属于低韦伯数沉积，扩散过程由毛细力驱动，几乎不受冲击速度的影响。因此，低频喷射条件下，倾斜立柱可以保持稳定可控的形态。
此外，变微滴步距的补偿可以有效地填充薄壁轮廓。由于微滴之间的理想步距通常是固定的，所以在薄壁轮廓扫描线的总长度不是微滴步距倍数的情况下，微滴不能充分填充扫描线。当扫描线总长度远大于微滴理想步距时，变微滴步距补偿方法对高度方向的成型质量影响可忽略不计。
基于前述方案实施及实验论证，本发明解决了以下问题。
金属微滴无支撑沉积流道腔体过程中多场耦合行为及调控方法。金属微滴无支撑沉积流道腔体过程中涉及金属流体流动、传热、重熔、凝固等复杂物理过程，而液滴之间的相互熔合直接影响制件内部质量。另外，微滴无支撑沉积还需要考虑塌陷变形、几何波纹等众多因素对最终打印件形状及质量的影响。因此，揭示微滴熔合的多场耦合交互作用机制及调控方法，对于控制成形件质量至关重要。
多尺度波纹微通道沉积过程中热应力变形机制及抑制方法。对于多尺度波纹微通道零件往往具有细长腔体和内壁波纹特征，均匀金属微滴在逐点、逐行打印过程中，会引起腔体结构的温度场和应力场变化，从而造成制件在成形过程中产生塌陷变形。因此，明确金属微滴打印过程中制件热应力变形参数影响机制和调控方法，实现瞬时集中热源的扫描轨迹及成形参数的有效匹配，是抑制和减小成形件变形的关键。
综上所述，通过本发明较佳实施例提供的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，基于均匀金属微滴喷射技术，通过微滴直接打印制造微通道结构，实现轻质金属结构的力学性能、热管理或者微反应功能的柔性集成，无需专用大功率设备和特殊材料，即可解决大功率电子器件散射结构和微化工领域微反应器的制造难题，推动了铝合金结构件及其功能器件的增材制造技术发展，同时开辟了轻质金属结构力学性能与热管理、微反应功能柔性集成与制造的新途径，具有重要的军事应用前景和科学探索价值。
以上仅是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、搭建铝熔液的氧化模型，以及铝熔液和射流内部的压力波动传导模型，根据所述氧化模型及压力波动传导模型进行铝微熔滴喷射；
步骤S2、在微通道结构无支撑状态下，进行多颗铝微熔滴重熔堆积形成零件，并对成形零件进行表面质量检测；
步骤S3、确定微通道成形过程中不均衡热应力对零件制件变形的影响因素，并根据所述影响因素控制制件变形；
步骤S4、根据内壁波纹微通道的多尺度成形参数，及各参数交互作用，确定微滴沉积形成的零件表面波纹的打印工艺参数，并根据所述打印工艺参数优化零件成形。
2.根据权利要求1所述的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述铝熔液的氧化模型，是在微氧环境中建立。
3.根据权利要求1所述的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，在步骤S1中，射流是采用压电陶瓷致动驱动微小喷嘴内部的金属流体，其使用基于压电喷射微驱动器的铝微熔滴喷射装置。
4.根据权利要求3所述的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，根据铝微熔滴喷射装置的脉冲背压、频率、喷嘴直径、喷射温度的匹配关系，确定铝微熔滴喷射装置的控制方式。
5.根据权利要求1所述的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，在步骤S2中，建立多颗铝微熔滴在偏移量下无支撑沉积的Navier-Stokes方程和能量方程，采用数值方法求解铝微熔滴堆积过程。
6.根据权利要求1所述的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，步骤S3还包括，通过建立铝微熔滴打印过程三维非稳态移动热源导热控制模型，分析不均衡热应力对制件变形影响。
7.根据权利要求1所述的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，步骤S3还包括，采用上位机生成喷射轨迹代码，生成成形轨迹算法。
8.根据权利要求1所述的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，在步骤S3中，采用轮廓实时扫描检测的方法，根据成形频率、温度控制进行参数组合，形成结构功能件。
9.根据权利要求1所述的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，在步骤S4中，通过高速图像采集系统，观察铝微熔滴的飞行运动规律和有效沉积，实现精准运动控制。
10.根据权利要求1所述的制备内壁具有波纹形状的铝合金微通道零件的方法，其特征在于，步骤S4还包括，采用步距测控和温度测控方式，确定包括喷射温度、环境温度、喷射速度、电脉冲宽度在内的打印工艺参数。
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