CN218362100U - 颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，包括喷射系统、送粉装置，工作室、设置在工作室内的基板和能够带动基板按照预设路线运动的运动组件，所述基板上方设置有用于凝固喷射系统喷射出熔体的凝固区和用于向喷射系统喷射出的熔体内添加增强颗粒的送粉装置，所述凝固区的一侧设置有冷却壁、另一侧设置有挡片。本申请采用连续的金属液流直接进行工件打印，既可以得到较好的内部组织，又可以得到较高的制备效率，具有较好的技术发展前景。

Description

颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置

技术领域

本实用新型涉及冶金技术领域，具体而言，涉及颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料通常的制备方法包括粉末冶金法和液相复合法。其中，粉末冶金法的优点是工艺和制品质量易于控制，复合材料中颗粒的体积含量高，且容易加工成各类形状，但制备成本较高。液相复合法的优点是可以规模生产，成本相对较低，但工艺过程较难控制，特别是不易于生产具有一定形状的零件。

增材制造是解决上述问题的重要思路。已公开的增材制造方法中，进行增材的原料可以是粉体、丝材以及液态金属，其中采用液态金属进行增材制造是成本最低、制备效率最高的成型方式。由于液态金属的流动能力较强，不易制备具有一定尺寸精度的工件。大量的相关技术是用来制造高品质铸锭。如申请号为CN201811363977.4的专利公开了一种阵列喷射式大尺寸全等轴晶铝合金锭增材制造装备及方法，申请号为CN201910513420.2的专利公开了一种熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备装置及方法。上述专利技术均采用连续的金属液柱进行打印，所制备的铸锭内部组织致密，晶粒细小且宏观偏析较小。对于金属工件，多采用金属微滴打印实现，如申请号为CN201310713252.4的专利公开了一种金属微滴轨道控向三维打印成形装置及方法。采用金属微滴进行增材制造，其优势是工件的复杂程度可以有较大提升，但是依然存在制备效率较低、工件致密度低的问题。

鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，采用颗粒增强金属薄壁形工件性能的同时，保证生产效率。

本实用新型是这样实现的：

第一方面，本实用新型提供一种颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，包括喷射系统、工作室、设置在工作室内的基板和能够带动基板按照预设路线运动的运动组件，所述基板上方设置有用于凝固喷射系统喷射出熔体的凝固区和用于向喷射系统喷射出的熔体内添加增强颗粒的送粉装置，所述凝固区的一侧设置有冷却壁、另一侧设置有挡片。

在可选的实施方式中，还包括用于加热送粉装置出粉口处熔体的激光加热器。

在可选的实施方式中，所述冷却壁固定在基板上，所述冷却壁的形状与待制造薄壁形件的形状相适配；所述冷却壁内设置有用于换热介质流动的换热通道。

在可选的实施方式中，所述挡片与所在处待制造薄壁形件相切设置。

在可选的实施方式中，所述挡片有两个以上，且两个以上挡片沿待制造薄壁形件运动的反方向依次设置。

在可选的实施方式中，还包括用于对基板的移动路径进行限定的限位组件，所述限位组件和基板之间设置有内衬。

在可选的实施方式中，所述基板为圆盘形，所述限位组件为套设在基板上且与基板同轴设置的套筒；所述挡片设置在套筒上方，且所述挡片与套筒轴线的最小距离小于套筒的内径；所述运动组件为下拉旋转机构。

在可选的实施方式中，所述基板上设置有定位销，所述定位销包括用于对冷却壁进行限位的第一定位销和/或用于对待制造薄壁形件进行限位的第二定位稍。

在可选的实施方式中，所述工作室上连接有抽真空系统和保护气填充系统。

在可选的实施方式中，所述喷射系统包括用于盛装熔融液的坩埚和用于将金属液柱喷射在凝固区的喷嘴，所述喷嘴有两个以上，两个以上所述喷嘴沿待制造薄壁形件厚度方向或径向设置；所述坩埚和喷嘴通过流槽连通，所述流槽上设置有能够断开或导通溜槽内熔体流动的塞杆；所述坩埚上设置有坩埚盖，所述坩埚上设置有进气孔。

本实用新型具有以下有益效果：

本申请采用连续的金属液流直接进行工件打印，既可以得到较好的内部组织，又可以得到较高的制备效率，且采用液态金属直接成型，所制备复合材料薄壁形件的后期加工量少，具有较高的生产效率和较低的生产成本具有较好的技术发展前景。

本申请通过液态金属增材制造方法制备薄壁形件，且在制造过程中，可以同步添加增强颗粒，通过金属液流的搅拌作用将增强颗粒和基体金属混合均匀，最终形成高致密度的复合材料工件。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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为本申请一个实施例中颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置的结构示意图；

图2为本申请一个实施例中挡板安装位置示意图。

图标:100-颗粒增强金属薄壁形件；111-坩埚；112-喷嘴；113-流槽；114-塞杆；115-加热装置；120-工作室；130-基板；131-定位销；140-运动组件；150-冷却壁；151-换热通道；160-挡片；170-限位组件；171-内衬；180-送粉装置；190-激光加热器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“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实用新型中的具体含义。

第一实施例

请参照图1和图2，本实施例提供一种颗粒增强颗粒增强金属薄壁形件100的增材制造装置，包括喷射系统、工作室120、设置在工作室120内的基板130和能够带动基板130按照预设路线运动的运动组件140，所述基板130上方设置有用于凝固喷射系统喷射出熔体的凝固区和用于向喷射系统喷射出的熔体内添加增强颗粒的送粉装置180，所述凝固区的一侧设置有冷却壁150、另一侧设置有挡片160。

本申请中喷射系统的喷嘴112固定，凝固区位置固定，装置初始位置时，凝固区位于基板130上，合金通过喷射系统的喷嘴112将液柱喷射到基板130上的凝固区，同时运动组件140带动基板130按照预设路线运动，颗粒增强金属薄壁形件100的第一层喷射完毕后，基板130向远离凝固区的方向移动，使得喷嘴112将液柱继续喷射到移动至凝固区的颗粒增强金属薄壁形件100表面，通过运动组件140和喷射系统的配合，得到颗粒增强金属薄壁形件100。颗粒增强金属薄壁形件100加工过程中，冷却壁150可以提供一个稳定的冷却条件，加速金属液柱的凝固。

一般液态金属成型过程中，由于液态金属的流动性大，一般需要利用模具才能完成定形。但是在一些颗粒增强金属薄壁形件100液态打印过程中很难设置模具，原因如下：①对于薄壁或较大高度的筒形件，设置模具后，喷嘴112喷出的熔体液柱需经过长距离飞行才能到达模具底面开始充型，这一过程中流态会发生恶性变化，或者在充型过程中由于液柱角度偏转导致提前接触模具壁而凝固，使充型发生阻塞；②即使完成颗粒增强金属薄壁形件100的制备，也很难在不破坏模具的前提下将筒形件取出。本实用新型中挡片160既能起到模具的约束效果，又便于取件，同时配合运动组件140，能够使增材表面始终维持在一个稳定的位置，以使熔体液柱的飞行距离保持不变，确保液柱流态稳定。

进一步地，还包括用于加热送粉装置180出粉口处熔体的激光加热器190，保证与增强颗粒接触的金属处于熔融状态，方便增强颗粒与熔体的混合。本实施例中的加热器采用激光加热器190，加热面积小，速度快，不会影响金属薄壁形件整体的冷却定型。

本实施例中的增强颗粒能够在熔融液柱的冲击作用下与熔融液柱进行混合，从而相对均匀的分散在颗粒增强金属薄壁形件100中，为了使得增强颗粒的分布更加均匀，优选地先将增强颗粒喷至尚未完成的颗粒增强金属薄壁形件100的增材表面，然后再向附着了增强颗粒的颗粒增强金属薄壁形件100喷射熔体，即沿基体运动的方向，所述送粉装置的送粉口位于喷射系统喷射点的后方。

进一步地，所述冷却壁150固定在基板130上，所述冷却壁150的形状与待制造颗粒增强金属薄壁形件100的形状相适配；冷却壁150固定在基板130上且位于凝固区的一侧，即冷却壁150能够覆盖在待制造颗粒增强金属薄壁形件100的一侧，为待制造颗粒增强金属薄壁形件100提供一个稳定的冷却条件，能够起到保冷的作用。

优选地，所述冷却壁150呈柱形，适用于筒形件的制造；

优选地，所述冷却壁150内设置有用于换热介质流动的换热通道151，换热介质将冷却壁150从待制造颗粒增强金属薄壁形件100处吸收的热量带走。

如果将冷却设置于颗粒增强金属薄壁形件100底部，则其各高度位置的冷却条件会有所不同，设置冷却壁150、挡片160以及相应的运动组件140，可以使制备过程(熔融面)始终保持在一个高度，从熔体输入到冷却均保持完全的一致。

进一步地，所述挡片160与所在处待制造颗粒增强金属薄壁形件100相切设置；

优选地，所述挡片160有两个以上，且两个以上挡片160沿待制造颗粒增强金属薄壁形件100运动的反方向依次设置。

挡片160设计可以减少约束结构与颗粒增强金属薄壁形件100的接触面积，当所述挡片160与所在处待制造颗粒增强金属薄壁形件100相切设置时，挡片160与铸坯之间是点接触，这可以极大减小铸坯转动时与挡片160的摩擦力，使工件能够顺利移动或转动。

当待制造颗粒增强金属薄壁形件100具有一定弧度时，挡片160可以沿所在处待制造颗粒增强金属薄壁形件100的切向设置；当待制造颗粒增强金属薄壁形件100为板状结构时，挡片160可以设置一定的弧度。

本实施例中的挡片160的数量、相邻挡片160之间的距离以及挡片160的高度可以根据需要进行调整，例如金属熔体冷却较慢，流动性较强，则挡片160会设置的相对密集，挡片160的高度也会相对较高，此时也可以对应降低冷却壁150的温度。

进一步地，所述运动组件140包括带动基板130在水平面上运动的平动组件和带动基板130在竖直方向上移动的推拉组件；

优选的，所述运动组件140包括下拉旋转机构。

通过运动组件140带动基板130在水平方向和竖直方向上运动，从而可以加工不同形状的颗粒增强金属薄壁形件100：当加工板形颗粒增强金属薄壁形件100时，平动组件可以为能够带动基板130往复移动的伸缩杆；当加工筒形颗粒增强金属薄壁形件100时，平动组件可以为能够带动基板130旋转的电机；当加工不规则形颗粒增强金属薄壁形件100时，就需要根据实际情况利用数控技术对基板130的移动路径进行规划。运动组件140的具体实现形式，本领域技术人员可以根据需要设置。

进一步地，还包括用于对基板130的移动路径进行限定的限位组件170，限位组件170一方面对基板130进行限位，避免基板130脱离预设路径，另一方面可以起到对基板130上半成品的颗粒增强金属薄壁形件100的保护作用；

优选地，所述限位组件170和基板130之间设置有内衬171，基板130和限位组件170之间可能产生摩擦，内衬171一方面可以减小摩擦，另一方面选择耐磨性能好的内衬171可以提高基板130和限位组件170的使用寿命；

优选地，所述基板为圆盘形，所述限位组件170为套设在基板130上且与基板130同轴设置的套筒，当加工筒形件时，圆盘形基板可以在套筒内转动并上下移动，套筒可以起到限位的作用；

优选地，所述挡片160设置在套筒上方，且所述挡片160与套筒轴线的最小距离小于套筒的内径。

挡片160可以限制筒形件的半径，使筒形件外径不超出下方固定套筒的内径，两者之间始终存在间隙，便于旋转。

进一步地，所述基板130上设置有定位销131；

优选地，所述定位销131包括用于对冷却壁150进行限位的第一定位销131和/或用于对待制造颗粒增强金属薄壁形件100进行限位的第二定位稍。

所述基板130上设置有定位销131，可以分别对冷却壁150或待制造颗粒增强金属薄壁形件100进行定位，待制造颗粒增强金属薄壁形件100进行定位一方面有助于待制造颗粒增强金属薄壁形件100尺寸的控制，另一方面可以避免运动过程中颗粒增强金属薄壁形件100脱离基板130。

进一步地，所述工作室120上连接有抽真空系统和保护气填充系统，方便抽取工作室120内的空气并充入保护气。

进一步地，所述喷射系统包括用于盛装熔融液的坩埚111和用于将金属液柱喷射在凝固区的喷嘴112；

优选地，所述喷嘴112有两个以上，两个以上所述喷嘴112沿待制造颗粒增强金属薄壁形件100厚度方向或径向设置，喷嘴112的数量和设置宽度可以根据待加工颗粒增强金属薄壁形件100的厚度进行调整；

优选地，所述坩埚111和喷嘴112通过流槽113连通，所述流槽113上设置有能够断开或导通溜槽内熔体流动的塞杆114，方便控制喷射系统的开关；

优选地，所述坩埚111上设置有坩埚111盖，所述坩埚111上设置有进气孔，方便抽取工作室120内的空气并充入保护气；

优选地，还包括用于为坩埚111内物料加热或保温的加热装置115，可以将原料加热至熔融状态并保温。

第二实施例

本实施例提供一种颗粒增强金属薄壁形件100的增材制造方法，调整前述颗粒增强金属薄壁形件100的增材制造装置中的所述基板130的位置使得凝固区位于所述基板130上，在保护气保护的条件下，开启喷射系统、运动组件140、送粉装置180和激光加热器190，得到颗粒增强金属薄壁形件100。

利用图1和图2所述装置生产筒形件时，按照如下步骤操作：

①用塞杆114将流槽113封闭，开启加热装置115对流槽113和坩埚111进行预热，打开坩埚111盖，将待打印的合金熔体倒入坩埚111中，密闭坩埚111盖进行静置保温；

②工作室120抽真空后，充入保护气体至一定压力P；

③在冷芯中通入冷却介质，调整旋转支架上表面与固定套筒的上表面平齐。开启旋转运动，使基板130带动冷芯旋转；

④打开塞杆114，同时向坩埚111中通入气体，使坩埚111中的金属液在压力作用下通过流槽113和喷嘴112射出至射流点处，射流点位于凝固区；

⑤当第一层金属回转运动到初始射流点时，开启激光器和送粉装置；

⑥当坯料高度接近挡片160高度时，使旋转支架以速度v向下运动，下拉速度与坯料高度增加速度相一致；

⑦当坯料高度达到筒形件长度要求时，推动塞杆114，使熔体射流停止，同时停止向坩埚111内通入气体，关闭加热装置115、激光加热器190、送粉装置180和下拉旋转机构，使筒形件坯料停止运动，待样品冷却后，关闭冷却介质，打开下腔体，将筒形件取下。

进一步地，所述颗粒增强金属薄壁形件100包括片形件、筒形件；

优选地，所述颗粒增强金属薄壁形件100的材质为铝合金、镁合金、钛合金、锌合金钢铁材料材质。

具体地，利用图1和图2所述装置、采用铝合金及SiC颗粒制备筒形件时，材料牌号为A356，SiC颗粒增强材料粒子平均直径25微米，设定铝液温度为660℃，喷嘴112数量为7个，相邻喷嘴112间距6mm，挡片160设置3个，挡片160高度为10mm，每隔50度放置一个挡片160；旋转下拉机构带动基板130转动的转速为5r/min、下拉速度为30mm/min；冷芯外径为350mm，工作室120压力为95kPa。打印完成后，得到筒形件坯料内径为350mm，外径为434mm，长度为600mm，铸坯凝固组织致密，成分均匀一致。

本实施例中，合金通过数个喷嘴112形成多个液柱喷射到环形筒状坯料表面，下拉速度为30mm/min，也就是每分钟可以实现30mm高度筒形件的制备，制备速度高。

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

Claims (10)

1.一种颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，包括喷射系统、送粉装置，工作室、设置在工作室内的基板和能够带动基板按照预设路线运动的运动组件，所述基板上方设置有用于凝固喷射系统喷射出熔体的凝固区和用于向喷射系统喷射出的熔体内添加增强颗粒的送粉装置，所述凝固区的一侧设置有冷却壁、另一侧设置有挡片。

2.根据权利要求1所述的颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，还包括用于加热送粉装置出粉口处熔体的激光加热器。

3.根据权利要求1所述的颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，所述冷却壁固定在基板上，所述冷却壁的形状与待制造薄壁形件的形状相适配；所述冷却壁内设置有用于换热介质流动的换热通道。

4.根据权利要求1所述的颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，所述挡片与所在处待制造薄壁形件相切设置。

5.根据权利要求1所述的颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，所述挡片有两个以上，且两个以上挡片沿待制造薄壁形件运动的反方向依次设置。

6.根据权利要求1所述的颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，还包括用于对基板的移动路径进行限定的限位组件，所述限位组件和基板之间设置有内衬。

7.根据权利要求6所述的颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，所述基板为圆盘形，所述限位组件为套设在基板上且与基板同轴设置的套筒；所述挡片设置在套筒上方，且所述挡片与套筒轴线的最小距离小于套筒的内径；所述运动组件为下拉旋转机构。

8.根据权利要求1所述的颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，所述基板上设置有定位销，所述定位销包括用于对冷却壁进行限位的第一定位销和/或用于对待制造薄壁形件进行限位的第二定位稍。

9.根据权利要求1所述的颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，所述工作室上连接有抽真空系统和保护气填充系统。

10.根据权利要求1所述的颗粒增强金属薄壁形件的增材制造装置，其特征在于，所述喷射系统包括用于盛装熔融液的坩埚和用于将金属液柱喷射在凝固区的喷嘴，所述喷嘴有两个以上，两个以上所述喷嘴沿待制造薄壁形件厚度方向或径向设置；所述坩埚和喷嘴通过流槽连通，所述流槽上设置有能够断开或导通溜槽内熔体流动的塞杆；所述坩埚上设置有坩埚盖，所述坩埚上设置有进气孔。

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