CN116372193B - 大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，通过在线加粉真空过渡室系统实现在线加粉，可以极致地缩减真空室尺寸，从而降低热量的损失；利用单层粉末预热系统对粉末进行预热，实现热粉铺粉，减少铺粉导致的粉末床温度下降；利用顶落粉复合铺粉系统的低温刚性刮刀装载粉末，在铺粉过程中，只有单层粉末预热系统预留的单层粉末空隙内会落入粉末，显著了提高粉末利用率，降低用粉总量，进一步缩小粉仓尺寸，同时减少未利用粉末带走的粉末床热量；利用辅助加热保温罩装置对粉末床进行热量补充，使粉末床温度维持在较高的温度范围；综上所述，本发明的粉末床温度能维持在1000℃以上，可以满足大尺寸TiAl合金零件的打印需求。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备。
背景技术
电子束增材制造技术是一种以高能电子束为能量源的粉末床熔融增材制造技术，因其成形过程具备高热的环境温度及无氧的真空环境，使其在典型的硬脆、难熔材料——TiAl合金的成形方面具有不可替代性。
TiAl合金具有高强度、低密度的特点，是目前唯一能够在600℃以上氧化环境下长期使用的轻质金属材料，随着新一代航空发动机的研制，一体化、大尺寸TiAl合金热端部件的需求日益紧迫。由于TiAl合金零件打印需要的粉末床温度≥1000℃，远超钛合金、高温合金等材料的打印温度，而大尺寸电子束增材制造设备热量损失严重，维持不了TiAl合金所需的超高温度，因此，目前市场上的电子束增材制造设备不能满足大尺寸TiAl合金零件的打印需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其粉末床温度能维持在1000℃以上，可以满足大尺寸TiAl合金零件的打印需求。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：
一种大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其包括有真空室和设置于真空室内的真空室粉仓，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备包括有：在线加粉真空过渡室系统，其包括有真空过渡室、过渡粉仓、料斗、用于对真空过渡室抽真空的真空泵、用于测量真空过渡室的真空度的真空计、用于向真空过渡室内充入与真空室相同的气体的保护气通道以及用于将真空过渡室与大气连通的放气阀，所述真空过渡室位于真空室上方并与真空室密封连接，所述过渡粉仓设置于真空过渡室内并位于真空室粉仓正上方，过渡粉仓通过二级阀门与真空室密封连接，所述料斗设置于真空过渡室顶部并位于过渡粉仓正上方，料斗通过一级阀门与真空过渡室密封连接；单层粉末预热系统，其包括有预热缸、用于对单层打印所需的粉末进行加热的加热板、预热缸底板和运动机构，所述加热板和预热缸底板设置于预热缸内，加热板固定于预热缸底板上方，所述运动机构与预热缸底板的底部固定连接，所述预热缸底板随着所述运动机构上下往复运动而带动加热板上下往复运动；顶落粉复合铺粉系统，其包括有落粉开关、低温刚性刮刀和高温柔性钢刮刀，所述落粉开关设置于真空室粉仓的出口处，所述低温刚性刮刀和高温柔性钢刮刀设置于加工成型平台上，所述落粉开关用于控制真空室粉仓的出口的开闭，所述低温刚性刮刀用于装载粉末以及将粉末铺到单层粉末预热系统中，所述高温柔性钢刮刀用于将预热后的粉末铺到成形缸内的粉末床上；辅助加热保温罩装置，其包括有隔热罩和加热带，所述隔热罩罩设于粉末床上方，用于阻隔粉末床热量向外辐射至真空室内其余空间，所述加热带设置于隔热罩内侧，用于对粉末床进行温度补偿。
优选的，所述真空室粉仓内设有低粉量加粉提示触发开关。
优选的，所述真空室粉仓内设有低粉量加粉提示触发开关和粉末余量测量探头，所述过渡粉仓内设有粉末装载量测量探头。
优选的，所述真空过渡室内设有隔板，该隔板将真空泵、真空计与过渡粉仓隔开。
优选的，所述低温刚性刮刀中设置有加粉触发开关，在低温刚性刮刀内的余粉低于设定值时，加粉触发开关触发，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置根据加粉触发开关的触发信号控制所述低温刚性刮刀运动至真空室粉仓下方的装粉位置，并控制落粉开关打开，真空室粉仓中的粉末落入低温刚性刮刀中。
优选的，所述落粉开关每打开一次，落入低温刚性刮刀中的粉末量≥单层打印所需的粉末量。
优选的，所述加工成型平台上还设有一用于限制低温刚性刮刀的极限运动位置的限位块。
优选的，所述加热板上方设置有用于测量粉末温度的测温热电偶，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置根据测温热电偶的实时测试数据控制加热板的功率，以使加热板上的粉末加热至所需温度并保持。
优选的，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置根据预热缸和成形缸的尺寸比例以及单层打印厚度控制所述运动机构的上下往复运动量。
优选的，在打印过程中，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置依据粉末床温度调节加热带的功率。
本发明的有益技术效果在于：上述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，通过在线加粉真空过渡室系统，可以实现在电子束打印过程中在线加粉，改变现有技术粉仓需一次性加载打印全程所需全部粉末的情况，解除了粉仓尺寸需随着打印尺寸增加而增加的限制，可以极致地缩减大尺寸电子束增材制造设备的真空室尺寸，从而降低热量的损失；利用单层粉末预热系统对粉末进行预热，预热体积小能耗低，实现了热粉铺粉，减少铺粉导致的粉末床温度下降；利用顶落粉复合铺粉系统的低温刚性刮刀装载粉末，在铺粉过程中，只有单层粉末预热系统预留的单层粉末空隙内会落入粉末，其余部分均无粉末，极大的降低了粉末的浪费，显著了提高粉末利用率，降低用粉总量，进一步缩小粉仓尺寸，同时减少未利用粉末带走的粉末床热量；利用辅助加热保温罩装置对粉末床进行热量补充，增加热量输入同时降低热量散失，使粉末床温度维持在较高的温度范围；综上所述，本发明的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的粉末床温度能维持在1000℃以上，可以满足大尺寸TiAl合金零件的打印需求。
附图说明
图1为本发明的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的结构示意图。
图2为本发明的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的左视图。
图3为本发明的顶落粉复合铺粉系统和单层粉末预热系统的结构示意图。
图4为本发明的顶落粉复合铺粉系统的运动位置图一。
图5为本发明的顶落粉复合铺粉系统的运动位置图二。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
如图1-3所示，在本发明一个实施例中，大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备包括有真空室130、真空室粉仓111、加工成型平台700、成形缸500、电子枪600、在线加粉真空过渡室系统100、顶落粉复合铺粉系统200、单层粉末预热系统300和辅助加热保温罩装置400。
所述真空室粉仓111用于装载电子束打印用粉末，真空室粉仓111内设置有粉末余量测量探头122，用于测量真空室粉仓111的粉末余量实时值；真空室粉仓111内设置低粉量加粉提示触发开关121，当真空室粉仓111的粉末余量低于低粉量加粉提示触发开关121时，设备发出加粉提示信号；真空室粉仓111还设置有盖板以防止粉末扬起。
在线加粉真空过渡室系统100包括有真空过渡室105、过渡粉仓106、料斗101、真空泵103、真空计108、保护气通道109以及放气阀110。
所述真空过渡室105用于提供真空加粉环境，其位于真空室130上方并与真空室130密封连接。
所述过渡粉仓106设置于真空过渡室105内并位于真空室粉仓111正上方，用于装载在线加粉粉末。过渡粉仓106通过二级阀门107与真空室130密封连接，过渡粉仓106设置有盖板以防止粉末扬起。过渡粉仓106内设置粉末装载量测量探头123，用于测量过渡粉仓106的粉末装载量实时值。
所述料斗101设置于真空过渡室105顶部并位于过渡粉仓106正上方，用于将粉末倾倒入过渡粉仓106。料斗101通过一级阀门102与真空过渡室105密封连接。
所述真空泵103设置于真空过渡室105内，用于对真空过渡室105抽真空；所述真空计108设置于真空过渡室105内，用于测量真空过渡室105的真空度；真空过渡室105内设置有隔板104，隔板104将真空泵103、真空计108与过渡粉仓106隔开，防止金属粉末污染真空泵103和真空计108。所述保护气通道109设置于真空过渡室105侧壁，用于向真空过渡室105内充入与真空室130内相同的保护气体；所述放气阀110设置于真空过渡室105侧壁，将真空过渡室105与大气连通。
本实施例中的在线加粉真空过渡室系统100在电子束打印过程中实现在线加粉过程如下：
1、在电子束打印过程中，当真空室粉仓111余粉达到设定值时开始加粉，当设备发出加粉提示信号时为最迟加粉时刻；
2、打开放气阀110，打开一级阀门102，将所需粉末装入过渡粉仓106；
3、关闭一级阀门102，关闭放气阀110，打开真空泵103，将真空过渡室105抽真空；
4、真空度达到设定值后，打开保护气通道109，向真空过渡室5内充入保护气，使真空过渡室105达到与真空室130相同的保护气氛；
5、打开二级阀门107，过渡粉仓106中的粉末落入真空室粉仓111中，完成电子束打印过程中的在线加粉，加粉过程中设备真空环境保持稳定；
6、关闭二级阀门107，关闭保护气通道109，关闭真空泵103，等待下一次加粉。
本实施例中的在线加粉过程的步骤2中，装入过渡粉仓106的粉末量是根据粉末余量测量探头122的测量数据和当前打印所需剩余粉量计算得到的，装入过程中，利用过渡粉仓106内设置的粉末装载量测量探头123进行实时监控。当然，在其他实施例中，真空室粉仓111内可以只设低粉量加粉提示触发开关121，不设置粉末余量测量探头122，在线加粉过程无需计算装入过渡粉仓106的粉末量，直接装满过渡粉仓106即可。
顶落粉复合铺粉系统200包括有落粉开关201、低温刚性刮刀210、高温柔性钢刮刀220和限位块203。低温刚性刮刀210设置于加工成型平台700上，用于装载一定量的粉末，并铺到单层粉末预热系统300中，低温刚性刮刀210可以精确控制铺粉量，但是只能在200-300℃的温度条件下服役。高温柔性钢刮刀220设置于加工成型平台700上，用于将预热后的粉末铺到成形缸500内的粉末床上，能在1000℃以上温度条件服役。落粉开关201设置于真空室粉仓111的出口处，用于控制真空室粉仓的出口的开闭。低温刚性刮刀210运动到指定位置时，落粉开关201打开，真空室粉仓111中的粉末落入低温刚性刮刀210中，落入的粉末≥单层粉量。低温刚性刮刀210中设置有加粉触发开关202，当低温刚性刮刀内的余粉低于设定值时，触发加粉，以保证低温刚性刮刀210中存有不少于单层粉量的粉末。限位块203用于限制低温刚性刮刀210的极限运动位置。
单层粉末预热系统300包括有预热缸301、用于对单层打印所需的粉末进行加热的加热板302、预热缸底板303和运动机构304，所述加热板302和预热缸底板303设置于预热缸301内，加热板302固定于预热缸底板303上方，所述运动机构304与预热缸底板303的底部固定连接。
所述运动机构304可作上下往复运动，所述预热缸底板303随着所述运动机构304上下往复运动而带动加热板302上下往复运动；在工作过程中，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置根据预热缸301和成形缸500的尺寸比例以及单层打印厚度给所述运动机构304匹配合适的上下往复运动量。
所述加热板302上方设置有用于测量粉末温度的测温热电偶305，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置根据测温热电偶305的实时测试数据控制加热板302的功率，以使加热板302上的粉末加热至所需温度并保持。
如图4、5所示，顶落粉复合铺粉系统200和单层粉末预热系统300相配合实现低损耗热粉铺粉的过程如下：
1、低温刚性刮刀210内的余粉低于设定值时，加粉触发开关202触发，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置根据加粉触发开关的触发信号控制低温刚性刮刀210运动至真空室粉仓111下方的装粉位置801，落粉开关201打开进行装粉，完成装粉后低温刚性刮刀210运动至空闲位置802；
2、单层粉末预热系统300的运动机构304带动预热缸底板303下降一定高度，该高度值与预热缸301和成形缸500的尺寸比例及单层打印厚度相匹配；
3、低温刚性刮刀210将预热缸底板303下降后的空隙填满后回到空闲位置802；
4、将加热板302上的单层粉末加热，加热温度由测温热电偶305测量，在成形缸500开始铺粉前，单层粉末加热至所需温度并保持；
5、高温柔性钢刮刀220运动至等待位置804，运动机构304上升将预热完成的单层粉末顶出；
6、高温柔性钢刮刀220将粉末铺到成形缸500上，完成热粉铺粉后运动至空闲位置803，等待下一次铺粉。
在顶落粉复合铺粉系统中，落粉部分由于粉末装载在低温刚性刮刀210内，在铺粉过程中，只有预热缸301预留的单层粉末空隙内会落入粉末，其余部分均无粉末，极大的降低了粉末的浪费。顶粉部分由于预热缸301的宽度为可以设计为成形缸500宽度的1/10甚至1/20以上，相对常规顶粉缸与成形缸宽度相等的情况，高温柔性钢刮刀220的铺粉行程大大降低，减少了粉末向刮刀两端流动超出铺粉区域造成粉末浪费。
不采用高温柔性钢刮刀220直接到真空室粉仓111下方的装粉位置801处取粉的原因是，随着打印的进行真空室130内温度逐渐提升，真空室粉仓111内粉末的流动性逐渐下降，落粉量逐渐下降，当新粉加入后粉末温度又再次经历从低到高的变化，导致落粉量一直在变动且变动情况无法实时检测，因此取粉量需要有较大的冗余量，多取的粉末造成较大的浪费。顶落粉复合铺粉系统结合了落粉和顶粉的优势，同时又降低了两者的粉末浪费，具有体积小省粉末的双重优势。
辅助加热保温罩装置400包括有隔热罩401和加热带402，所述隔热罩401罩设于粉末床上方，用于阻隔粉末床热量向外辐射至真空室内其余空间，所述加热带402设置于隔热罩401内侧，用于对粉末床进行温度补偿。在打印过程中，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置依据粉末床温度调节加热带402的功率，补偿热量损失，将粉末床温度维持在较高的温度范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其包括有真空室和设置于真空室内的真空室粉仓，其特征在于，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备包括有：
在线加粉真空过渡室系统，其包括有真空过渡室、过渡粉仓、料斗、用于对真空过渡室抽真空的真空泵、用于测量真空过渡室的真空度的真空计、用于向真空过渡室内充入与真空室相同的气体的保护气通道以及用于将真空过渡室与大气连通的放气阀，所述真空过渡室位于真空室上方并与真空室密封连接，所述过渡粉仓设置于真空过渡室内并位于真空室粉仓正上方，过渡粉仓通过二级阀门与真空室密封连接，所述料斗设置于真空过渡室顶部并位于过渡粉仓正上方，料斗通过一级阀门与真空过渡室密封连接；
单层粉末预热系统，其包括有预热缸、用于对单层打印所需的粉末进行加热的加热板、预热缸底板和运动机构，所述加热板和预热缸底板设置于预热缸内，加热板固定于预热缸底板上方，所述运动机构与预热缸底板的底部固定连接，所述预热缸底板随着所述运动机构上下往复运动而带动加热板上下往复运动；
顶落粉复合铺粉系统，其包括有落粉开关、低温刚性刮刀和高温柔性钢刮刀，所述落粉开关设置于真空室粉仓的出口处，所述低温刚性刮刀和高温柔性钢刮刀设置于加工成型平台上，所述落粉开关用于控制真空室粉仓的出口的开闭，所述低温刚性刮刀用于装载粉末以及将粉末铺到单层粉末预热系统中，所述高温柔性钢刮刀用于将预热后的粉末铺到成形缸内的粉末床上；
辅助加热保温罩装置，其包括有隔热罩和加热带，所述隔热罩罩设于粉末床上方，用于阻隔粉末床热量向外辐射，所述加热带设置于隔热罩内侧，用于对粉末床进行温度补偿。
2.如权利要求1所述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其特征在于，所述真空室粉仓内设有低粉量加粉提示触发开关。
3.如权利要求1所述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其特征在于，所述真空室粉仓内设有低粉量加粉提示触发开关和粉末余量测量探头，所述过渡粉仓内设有粉末装载量测量探头。
4.如权利要求1所述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其特征在于，所述真空过渡室内设有隔板，该隔板将真空泵、真空计与过渡粉仓隔开。
5.如权利要求1所述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其特征在于，所述低温刚性刮刀中设置有加粉触发开关，在低温刚性刮刀内的余粉低于设定值时，加粉触发开关触发，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置根据加粉触发开关的触发信号控制所述低温刚性刮刀运动至真空室粉仓下方的装粉位置，并控制落粉开关打开，真空室粉仓中的粉末落入低温刚性刮刀中。
6.如权利要求5所述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其特征在于，所述落粉开关每打开一次，落入低温刚性刮刀中的粉末量≥单层打印所需的粉末量。
7.如权利要求1所述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其特征在于，所述加工成型平台上还设有一个用于限制低温刚性刮刀的极限运动位置的限位块。
8.如权利要求1所述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其特征在于，所述加热板上方设置有用于测量粉末温度的测温热电偶，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置根据测温热电偶的实时测试数据控制加热板的功率，以使加热板上的粉末加热至所需温度并保持。
9.如权利要求1所述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其特征在于，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置根据预热缸和成形缸的尺寸比例以及单层打印厚度控制所述运动机构的上下往复运动量。
10.如权利要求1所述的大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备，其特征在于，在打印过程中，所述大尺寸TiAl合金电子束增材制造设备的控制装置依据粉末床温度调节加热带的功率。
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