RU2768633C1 - Устройство для аддитивной технологии изготовления с матричным распылением и способ изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном - Google Patents

Устройство для аддитивной технологии изготовления с матричным распылением и способ изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном Download PDF

Info

Publication number
RU2768633C1
RU2768633C1 RU2021114031A RU2021114031A RU2768633C1 RU 2768633 C1 RU2768633 C1 RU 2768633C1 RU 2021114031 A RU2021114031 A RU 2021114031A RU 2021114031 A RU2021114031 A RU 2021114031A RU 2768633 C1 RU2768633 C1 RU 2768633C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
movement
liquid aluminum
chamber
condensation
nozzles
Prior art date
Application number
RU2021114031A
Other languages
English (en)
Inventor
Цзяо ЧЖАН
Баодэ СУНЬ
Цин Дун
Original Assignee
Шанхай Цзяотун Юниверсити
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Шанхай Цзяотун Юниверсити filed Critical Шанхай Цзяотун Юниверсити
Application granted granted Critical
Publication of RU2768633C1 publication Critical patent/RU2768633C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • B22F10/22Direct deposition of molten metal
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D7/00Casting ingots, e.g. from ferrous metals
    • B22D7/005Casting ingots, e.g. from ferrous metals from non-ferrous metals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/003Moulding by spraying metal on a surface
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00Special casting characterised by the nature of the product
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50Means for feeding of material, e.g. heads
    • B22F12/53Nozzles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50Means for feeding of material, e.g. heads
    • B22F12/55Two or more means for feeding material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00Products made by additive manufacturing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/026Alloys based on aluminium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0408Light metal alloys
    • C22C1/0416Aluminium-based alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123Spraying molten metal
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18After-treatment
    • C23C4/185Separation of the coating from the substrate
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/20Cooling means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/30Platforms or substrates
    • B22F12/33Platforms or substrates translatory in the deposition plane
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области аддитивных технологий, в частности к получению крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном. Устройство для изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном с использованием аддитивной технологии с матричным распылением содержит размещенные в камере атмосферного давления механизм распыления жидкого алюминия и расположенные под ним подвижный конденсационный механизм и механизм управления. Механизм распыления жидкого алюминия содержит впускной механизм, камеру для жидкого алюминия и матрицу сопел, расположенную на дне камеры жидкого алюминия. Подвижный конденсационный механизм содержит конденсационный стол, расположенный напротив матрицы сопел, устройство для двухмерного перемещения конденсационного стола в горизонтальных направлениях и направляющее устройство для перемещения конденсационного стола в вертикальном направлении. Слиток из алюминиевого сплава получают путем нагрева до камеры для жидкого алюминия до температуры жидкого алюминия и ее поддержания, заполнения камеры жидким алюминием, нагрева сопел, вакуумирования камеры и последующего распыления жидкого алюминия и охлаждения слитков на конденсационном столе. Обеспечивается получение слитка со структурой в виде равноосного кристалла без макроскопической сегрегации. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 пр.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технической области металлургии и, в частности, к устройству для аддитивной технологии изготовления с матричным распылением и способу изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном.
Уровень техники
Полунепрерывное литье - это процесс, традиционно используемый в промышленности для изготовления крупногабаритных слитков алюминиевого сплава, в основном включающий в себя два способа: один из них – это литье с прибыльной надставкой, а другой - литьё в кристаллизатор прямым охлаждением. Преимущество литья с прибыльной надставкой состоит в том, что уровень жидкости остается стабильным во время процесса разливки, но в центре слитка образуется относительно глубокая полость для жидкости, а затвердевшая структура содержит большую площадь столбчатой кристаллической зоны. Макроскопическая сегрегация является серьезной от центра к краю слитка, и остается относительно высокое внутреннее напряжение, в результате чего слиток легко раскалывается с низким выходом годных слитков, что не подходит для производства слитков из алюминиевого сплава с высоким содержанием сплава. Преимущество литья в кристаллизатор прямым охлаждением состоит в том, что оно может значительно уменьшить глубину жидкостной полости в центре слитка, тем самым уменьшая макроскопическую сегрегацию и внутреннее напряжение слитка; тем не менее, во время процесса литья уровень жидкости является нестабильным, легко улавливается шлак, и столбчатая кристаллическая зона также становится неизбежной. Поэтому получение крупногабаритных слитков с хорошей однородностью традиционными способами является чрезвычайно затруднительным.
Аддитивная технология изготовления изменила режим разливки для затвердевания жидкого алюминия больших объемов. Крупногабаритные слитки получают путем непрерывного плавления и наложения зон микроэлементов во избежание образования полости для жидкости. В то же время увеличение скорости охлаждения способствует формированию равноосной кристаллической структуры и устраняет диапазон недостатков традиционных способов литья. В настоящее время типичные способы в основном содержат формообразование распылением и селективный лазерный переплав. Формообразование распылением можно использовать для получения слитков без макроскопической сегрегации компонентов, но алюминиевые слитки, полученные этим способом, имеют высокую пористость, некомпактную структуру и сильное окисление. Способ селективного лазерного переплава не имеет вышеперечисленных проблем, а затвердевшая структура идеальна, тем не менее, его трудно применять в крупномасштабном производстве крупногабаритных промышленных слитков из-за низкой эффективности производства, требуемой продолжительности по времени и высокой стоимости. В предшествующем уровне техники существует способ аддитивной технологии изготовления капель металла для их прямого осаждения и формирования с использованием магнитного поля для управления заряженными каплями металла. Но из-за низкой эффективности формования металлических капель его нельзя использовать для производства крупногабаритных слитков. В настоящее время не существует способа формирования крупногабаритных слитков и слитков специальной формы с равноосной кристаллической структурой с отсутствием сегрегации посредством распыления расплавов большого объема путем создания отрицательного давления с образованием стабильного непрерывного столба металлической жидкости и быстрой конденсации.
Раскрытие изобретения
Учитывая вышеупомянутые недостатки предшествующего уровня техники, в настоящем описании предложены устройство для аддитивной технологии изготовления с матричным распылением и способ изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном, которые распыляют расплавы большого объема путем создания отрицательного давления, чтобы сформировать стабильный непрерывный столб металлической жидкости, благодаря конструкции множества сопел, жидкий алюминий большого объема равномерно диспергирован с образованием от десятков до сотен непрерывных потоков жидкости, и позволяет, комбинируя трехмерное перемещение стола быстрой конденсации, расположенного ниже, распыление тонкого слоя жидкого алюминия по большой площади, который затем непрерывно затвердевает с образованием слитков. Этот способ имеет высокую эффективность производства и позволяет получать слитки алюминиевого сплава сверхбольших размеров, затвердевшая структура которых представляет собой равноосный кристалл и не имеет макроскопической сегрегации.
Настоящее раскрытие реализуется посредством следующих технических решений.
Настоящее раскрытие изобретения содержит: механизм распыления жидкого алюминия, имеющий матрицу сопел и расположенный в камере атмосферного давления, а также подвижный конденсационный механизм и механизм управления, которые расположены в камере атмосферного давления и ниже механизма распыления жидкого алюминия, при этом механизм управления посылает команду направления вверх к механизму высвобождения и выдает команду трехмерного перемещения соответственно на подвижный конденсационный механизм, в результате чего жидкий алюминий в механизме распыления жидкого алюминия распыляется на поверхность подвижного конденсационного механизма в форме непрерывной матрицы потоков жидкости по заданному пути и быстро конденсируется, с образованием слитка.
Камера атмосферного давления обеспечивается вакуумным насосом, подключенным к механизму управления, а внутреннее давление воздуха дополнительно регулируется с помощью вакуумного насоса.
Камера атмосферного давления соединена с источником инертного газа для обеспечения защиты инертным газом внутри камеры.
Механизм распыления жидкого алюминия содержит: механизм высвобождения, камеру для жидкого алюминия и матрицу сопел, причем сопла матрицы расположены на дне камеры жидкого алюминия, а механизм высвобождения соединен с механизмом управления для управления запуском и завершением процесса распыления жидкого алюминия.
Механизм высвобождения содержит направляющее устройство для перемещения вверх и пробку штепсельного типа, при этом пробка штепсельного типа совмещена с матричными соплами, а направляющее устройство для перемещения вверх соответственно соединено с пробкой штепсельного типа и механизмом управления для приема команды высвобождения и управления пробкой штепсельного типа для подъема вверх, чтобы освободить матричные сопла.
Внутрикамерные нагреватели, которые связаны с механизмом управления, дополнительно расположены внутри камеры жидкого алюминия.
Измеритель уровня жидкости расположен в камере для жидкого алюминия.
Канал для впуска жидкости с затвором расположен на одной стороне камеры для жидкого алюминия, чтобы позволить ввод жидкого алюминия.
Снаружи камеры для жидкого алюминия расположена теплоизоляционная конструкция.
Нагреватели сопел дополнительно расположены за пределами матричных сопел.
Подвижный конденсационный механизм содержит: конденсационный стол, расположенный прямо напротив сопел матрицы, двухмерный подвижный механизм с возможностью перемещаться по вертикали, расположенный под конденсационным столом, и направляющее устройство для перемещения вниз, при этом двухмерный подвижный механизм и направленное вниз направляющее устройство, соответственно, подключены к механизму управления и принимают команду двумерного перемещения и команду вертикального перемещения, чтобы реализовать трехмерное перемещение.
Настройка вертикального перемещения реализуется с помощью направленного вниз направляющего устройства, расположенного под двухмерным подвижным механизмом.
Внутри конденсационного стола расположен канал для потока охлаждающей жидкости.
Механизм управления содержит: блок управления перемещением и общий блок управления, причем блок управления перемещением подключен к общему блоку управления и передает информацию о перемещении подвижного конденсационного механизма, а общий блок управления соединен с механизмом высвобождения и соответственно вакуумным насосом, и передает информацию о перемещении механизма высвобождения и информацию об открытии и закрытии вакуумного насоса; соединен с двухмерным подвижным механизмом и передает информацию о перемещении двухмерного подвижного механизма; а также соединен с направленным вниз направляющим устройством и передает информацию о перемещении направляющего устройства для перемещения вниз.
Настоящее изобретение относится к способу аддитивной технологии изготовления с матричным распылением для изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном на основе вышеуказанных устройств, содержащему следующие этапы:
Этап 1: размещение пробки штепсельного типа в самом нижнем положении, чтобы сопла были в закрытом состоянии; включение внутрикамерных нагревателей для выполнения предварительного нагревания, для достижения температуры жидкого алюминия и поддержания этой температуры, открытие впускного затвора, чтобы позволить жидкому алюминию протекать в камеру жидкого алюминия, и закрытие впускного затвора после того, как жидкий алюминий контролируется с помощью измерителя уровня жидкости с возможностью достижения заданной высоты, включение нагревателей сопел для предварительного нагрева сопел, герметизация воздухонепроницаемой конденсационной камеры и включение вакуумного насоса для вакуумирования воздухонепроницаемой конденсационной камеры; выключение вакуумного насоса, когда степень вакуума удовлетворяет требованиям, и введение инертного газа из источника инертного газа для достижения заданного давления;
Этап 2: включение охлаждающей воды, управление направляющим устройством для перемещения вниз с помощью блока управления перемещением, чтобы расстояние между соплами и конденсационным столом достигло заданного расстояния, затем включение устройства двумерного перемещения, чтобы позволить соплам перемещаться относительно конденсационного стола периодически и многократно; включение направляющего устройства для перемещения вверх, чтобы поднять вверх пробку штепсельного типа, и таким образом позволить жидкому алюминию входить в сопла; включение вакуумного насоса для выполнения откачки, чтобы давление в воздухонепроницаемой конденсационной камере составляло меньше 1 атм, при этом жидкий алюминий распыляется в виде стабильных жидких столбов через сопла под воздействием вышеупомянутого отрицательного давления, создаваемого внутри воздухонепроницаемой конденсационной камеры, и распыляется на конденсационный стол для формирования слитка; и управление, после начала подготовки слитка, направляющим устройством для перемещения вниз, чтобы перемещать конденсационный стол вниз, причем во время процесса подготовки слитка с непрерывным потреблением жидкого алюминия, когда уровень жидкости в камере жидкого алюминия падает до уровня предупреждения, впускной затвор открывается для пополнения жидкого алюминия до тех пор, пока жидкий алюминий не достигнет стабильного уровня, а затем впускной затвор закрывается; и
Этап 3: отключение, после завершения подготовки слитков, пробки штепсельного типа для блокировки вытекания жидкого алюминия из сопел, выключение устройства двухмерного перемещения и направленного вниз направляющего устройства, выключение источника электропитания для нагревания, и отключение охлаждающей воды после охлаждения слитков, таким образом завершая процесс подготовки.
Технические эффекты
По сравнению с предшествующим уровнем техники настоящее раскрытие распыляет большой объем расплавов путем создания отрицательного давления, чтобы сформировать стабильный непрерывный столб металлической жидкости, благодаря конструкции множества сопел жидкий алюминий большого объема равномерно диспергирован для формирования от десятков до сотен непрерывных потоков жидкости, и позволяет, комбинируя трехмерное перемещение стола быстрой конденсации, расположенного ниже, распыление тонкого слоя жидкого алюминия по большой площади, который затем непрерывно затвердевает с образованием слитков.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 схематически показывает блок-схему конструкции настоящего раскрытия;
фиг. 2 схематически показывает блок-схему конструкции сопел;
фиг. 3 схематически показывает схему траектории перемещения столба жидкости в сопле;
фиг. 4 и фиг. 5 - металлографические фотографии Примера 1;
фиг. 6 и фиг. 7 - металлографические фотографии Примера 2.
На фигурах обозначено: впускной затвор 1; отводящий канал 2; жидкий алюминий 3; слой теплоизоляции 4; впускной газовый патрубок 5; инертный газ 6; нагреватель сопла 7; перегородка 8; стол конденсационный 9; устройство двухмерного перемещения 10; направляющий рельс 11; опорный стол 12; направляющее устройство для перемещения вверх 13; пробка штепсельного типа 14; внутрикамерный нагреватель 15; камера жидкого алюминия 16; сопло 17; жидкостный рычажный расходомер 18; слиток 19; трубка охлаждающей воды 20; воздухонепроницаемая конденсационная камера 21; блок управления перемещением 22; направляющее вниз устройство 23; вакуумный насос 24; блок общего управления 25.
Осуществление изобретения
Пример 1
Как показано на фиг. 1, пример относится к устройству для аддитивной технологии изготовления с матричным распылением для изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном, содержащему: впускной затвор 1, отводящий канал 2, жидкий алюминий 3, теплоизоляционный слой 4 , газовый патрубок 5, инертный газ 6, сопловые нагреватели 7, перегородка 8; конденсационный стол 9, устройство 10 двухмерного перемещения, направляющий рельс 11, опорный стол 12, направляющее устройство 13 для перемещения вверх, пробка штепсельного типа 14, внутрикамерные нагреватели 15, камера 16 для жидкого алюминия; сопла 17, жидкостный рычажный расходомер 18; слиток 19, труба 20 для охлаждающей воды, воздухонепроницаемая конденсационная камера 21, блок 22 управления перемещением, направляющее устройство 23 для перемещения вниз, вакуумный насос 24 и общий блок 25 управления.
Давление в камере жидкого алюминия поддерживается на уровне 1 атм, а воздухонепроницаемая конденсационная камера полностью герметична. Давление P можно регулировать с помощью вакуумного насоса 24 и впускной трубы для газа. Во время подготовки слитка давление P меньше 1 атм.
Как показано на фиг. 2, сопла 17 расположены в виде матрицы, причем разнесение между рядами сопел составляет W (W <300 мм), разнесение между столбцами L (L <300 мм) и апертура сопла D (0,2 мм < D <30 мм).
Устройство 10 для двумерного перемещения обеспечивает поступательное перемещение конденсационного стола в горизонтальных направлениях X и Y, где скорость перемещения составляет v (v <1000 мм/с), а максимальные ходы перемещения в двух направлениях составляют X (X < 1 м) и Y (Y < 1 м) соответственно. С помощью перемещения можно позволить столбу жидкости сопла перемещаться относительно конденсационного стола по траектории перемещения, аналогичной показанной на фиг. 3, и в то же время не ограничиваться такой траекторией перемещения. Расстояние между соседними проходами составляет d (d < 30 мм). Как показано на фиг. 2 и 3, длина однопроходного перемещения одиночного сопла равна расстоянию между столбиками сопел L, в то время как общая ширина перемещения одиночного сопла равна разнесению W между рядами сопел.
Направляющее устройство 13 для перемещения вниз позволяет перемещать конденсационный стол в вертикальном направлении, где скорость перемещения составляет v1 (v1 < 50 мм/с), а общий ход перемещения составляет Z (Z < 5 м).
Настоящий пример относится к способу аддитивной технологии изготовления с матричным распылением для изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном, содержащему следующие этапы:
Этап 1: размещение пробки штепсельного типа в самом нижнем положении, чтобы сопла были в закрытом состоянии; включение внутрикамерных нагревателей для выполнения предварительного нагревания, для достижения температуры T1 (T1 > 600°С) жидкого алюминия и поддержание этой температуры, открытие впускного затвора, чтобы позволить жидкому алюминию протекать в камеру жидкого алюминия, и закрытие впускного затвора после того, как жидкий алюминий контролируется с помощью измерителя уровня жидкости с возможностью достижения заданной высоты, включение нагревателей сопел для предварительного нагрева сопел, где температура предварительного нагрева составляет T2 (T2 > 500°С), герметизация воздухонепроницаемой конденсационной камеры и включение вакуумного насоса для вакуумирования воздухонепроницаемой конденсационной камеры; выключение вакуумного насоса, когда степень вакуума удовлетворяет требованиям, и введение инертного газа из газовой инертной трубки для достижения заданного давления для достижения давления P1 (P1 = 1 атм);
Этап 2: включение охлаждающей воды, управление направляющим устройством для перемещения вниз с помощью блока управления перемещением, чтобы расстояние между форсунками и конденсационным столом достигало расстояния H (H < 50 см), затем включение устройства двумерного перемещения, чтобы позволить соплам перемещаться относительно конденсационного стола периодически и многократно, как показано на фиг. 2, включение направляющего устройства для перемещения вверх, чтобы поднять вверх пробку штепсельного типа, и таким образом позволить жидкому алюминию входить в сопла; включение вакуумного насоса для выполнения откачки, чтобы давление в воздухонепроницаемой конденсационной камере составляло P2 (P2 < 1 атм), при этом жидкий алюминий распыляется в виде устойчивых столбов жидкости через сопла под вышеупомянутым отрицательным давлением, создаваемым внутри воздухонепроницаемой конденсационной камеры, распыляется на конденсационный стол для формирования слитка; и управление, после начала подготовки слитка, направляющим устройством для перемещения вниз, чтобы перемещать конденсационный стол вниз со скоростью v1 (v1 < 50 мм/с), в результате чего высота сопел относительно поверхности слитка остается на значении высоты, равном H. Во время процесса подготовки слитка, при непрерывном потреблении жидкого алюминия, когда уровень жидкости в камере жидкого алюминия падает до уровня предупреждения, впускной затвор открывается для пополнения жидкого алюминия до тех пор, пока жидкий алюминий не достигнет стабильного уровня, а затем впускной затвор закрывается;
Этап 3: отключение, после завершения подготовки слитков, пробки штепсельного типа для блокировки вытекания жидкого алюминия из сопел, выключение устройства двухмерного перемещения и направляющего устройства для перемещения вниз, выключение источника электропитания для нагревания, и отключение охлаждающей воды после охлаждения слитков, таким образом завершая процесс подготовки.
При изготовлении слитка алюминиевого сплава 7050 вышеупомянутым способом настройки содержат: температура жидкого алюминия составляет 680°C, диаметр сопла составляет 8 мм, скорость горизонтального перемещения конденсационного стола составляет 300 мм/с, площадь распыления матрицы сопел составляет 2 м * 5 м, а толщина слитка составляет 0,5 м, при этом для приготовления крупногабаритного слитка размером 2 м * 5 м * 0,5 м требуется 40 минут. Затвердевшая структура слитка является плотной, без макроскопической сегрегации, и представляет собой равноосный кристалл со средним размером зерна 60-80 мкм, как показано на фиг. 4. На фиг. 5 показана зернёная структура слитка, полученного способом полунепрерывного литья. Для сравнения, зернистая структура слитка, полученного настоящим способом, значительно улучшена.
Пример 2
В этом примере тот же способ, что и в примере 1, применяется для получения слитка алюминиевого сплава Al-4,5Cu. Настройки содержат: температура жидкого алюминия 700°C, диаметр сопла составляет 6 мм, скорость горизонтального перемещения конденсационного стола составляет 260 мм/с, площадь распыления сопел матрицы составляет 2 м * 5 м, толщина слитка составляет 0,8 м, а изготовление крупногабаритного слитка размером 2 м * 5 м * 0,8 м занимает 60 минут. Затвердевшая структура слитка плотная, без макроскопической сегрегации, представляет собой равноосный кристалл со средним размером зерна 60-90 мкм. Металлографические фотографии на 1/4 и 1/2 по центральной линии поперечного сечения слитка показаны на фиг. 6 и 7 соответственно.
Вышеуказанные конкретные варианты осуществления могут быть частично отрегулированы специалистами в данной области техники различными способами без отклонения от принципа и цели настоящего раскрытия. Объем защиты настоящего раскрытия должен основываться на формуле изобретения и не ограничиваться конкретными вариантами осуществления, приведенными выше. Все решения по реализации в пределах его объема связаны настоящим раскрытием.

Claims (10)

1. Устройство для изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном с использованием аддитивной технологии с матричным распылением, содержащее размещенные в камере атмосферного давления механизм распыления жидкого алюминия и расположенные под ним подвижный конденсационный механизм и механизм управления, при этом
механизм распыления жидкого алюминия содержит впускной механизм, камеру для жидкого алюминия и матрицу сопел, расположенную на дне камеры жидкого алюминия, при этом расстояние между рядами сопел и между столбцами сопел в матрице составляет менее 300 мм, диаметр сопла составляет 0,2-30 мм, длина однопроходного перемещения одиночного сопла равна расстоянию между столбцами сопел, а общая ширина перемещения одиночного сопла равна расстоянию между рядами сопел, причем впускной механизм соединен с механизмом управления для управления скоростью распыления жидкого алюминия;
подвижный конденсационный механизм содержит конденсационный стол, расположенный напротив матрицы сопел, устройство для двухмерного перемещения конденсационного стола в горизонтальных направлениях и направляющее устройство для перемещения вниз, обеспечивающее перемещение конденсационного стола в вертикальном направлении, при этом устройство для двумерного перемещения и направляющее устройство управления размещены под конденсационным столом и подключены к механизму управления с возможностью приема команды двумерного горизонтального перемещения и команды вертикального перемещения, соответственно, для реализации трехмерного перемещения конденсационного стола с обеспечением равномерного диспергирования жидкого алюминия в виде непрерывных потоков жидкости на конденсационный стол для формирования слитка.
2. Устройство по п. 1, в котором камера атмосферного давления снабжена вакуумным насосом, соединенным с механизмом управления, для дополнительного регулирования внутреннего давления воздуха и соединена с источником инертного газа для обеспечения защиты внутри камеры.
3. Устройство по п. 1, в котором впускной механизм содержит направляющее устройство для перемещения вверх и пробку штепсельного типа, при этом пробка штепсельного типа совмещена с матрицей сопел, а направляющее устройство для перемещения вверх соответственно соединено с пробкой штепсельного типа и механизмом управления для приема команды впуска и подъема пробки штепсельного типа вверх для открытия матрицы сопел.
4. Устройство по п. 1, в котором в камере для жидкого алюминия дополнительно расположены внутрикамерные нагреватели, которые соединены с механизмом управления.
5. Устройство по п. 1, в котором за пределами матрицы сопел дополнительно расположены нагреватели сопел.
6. Устройство по п. 1, в котором внутри конденсационного стола расположен канал для потока охлаждающей жидкости.
7. Устройство по п. 2, в котором механизм управления содержит блок управления перемещением и общий блок управления, при этом общий блок управления соединен с впускным механизмом и вакуумным насосом, соответственно, и выполнен с возможностью передачи информации о перемещении впускного механизма и об открытии и закрытии вакуумного насоса, а блок управления перемещением подключен к общему блоку управления, соединен с устройством для двухмерного перемещения и с направляющим устройством для перемещения вниз и выполнен с возможностью передачи информации о перемещении подвижного конденсационного механизма, о перемещении устройства для двухмерного перемещения и о перемещении направляющего устройства для перемещения вниз.
8. Способ изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном с использованием аддитивной технологии с матричным распылением в устройстве по любому из пп.1-7, включающий предварительный нагрев камеры для жидкого алюминия до температуры жидкого алюминия и ее поддержание, заполнение камеры жидким алюминием до достижения заданной высоты, контролируемой измерителем уровня жидкости, нагрев сопел, вакуумирование камеры атмосферного давления до достижения давления менее 1 атм, распыление жидкого алюминия в виде стабильных жидких столбов через сопла под воздействием вышеупомянутого давления на конденсационный стол для формирования слитка, при этом конденсационный стол перемещают вниз при непрерывной подаче жидкого алюминия, и охлаждение слитков на конденсационном столе.
RU2021114031A 2018-11-16 2018-12-20 Устройство для аддитивной технологии изготовления с матричным распылением и способ изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном RU2768633C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811363977.4 2018-11-16
CN201811363977.4A CN109202084B (zh) 2018-11-16 2018-11-16 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
PCT/CN2018/122252 WO2020098065A1 (zh) 2018-11-16 2018-12-20 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

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2768633C1 true RU2768633C1 (ru) 2022-03-24

Family

ID=64995018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021114031A RU2768633C1 (ru) 2018-11-16 2018-12-20 Устройство для аддитивной технологии изготовления с матричным распылением и способ изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11524332B2 (ru)
EP (1) EP3862112B1 (ru)
JP (1) JP7014932B2 (ru)
CN (1) CN109202084B (ru)
RU (1) RU2768633C1 (ru)
WO (1) WO2020098065A1 (ru)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110125411B (zh) * 2019-06-14 2020-12-08 上海交通大学 熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备装置及方法
CN110202152B (zh) * 2019-06-14 2020-11-03 上海交通大学 间歇喷射式合金锭增材制造装置及方法
CN110125347B (zh) * 2019-06-14 2021-06-25 上海交通大学 等轴晶铝合金的高动量快速成型制备装置及方法
CN111515397B (zh) * 2020-05-06 2022-06-10 中国航空制造技术研究院 一种增材制造面热源的设计方法及使用方法
CN114226756B (zh) * 2020-09-09 2023-06-16 上海交通大学 增材制造方法
CN114433820B (zh) * 2020-10-30 2023-02-28 上海交通大学 液态组装法制备超细晶金属材料的系统和超细晶金属材料
CN114433819B (zh) * 2020-10-30 2022-12-16 上海交通大学 一种高强韧铝合金及其复合材料、其液态组装制备方法和应用
CN114619033B (zh) * 2020-12-10 2022-12-16 上海交通大学 一种多尺度混晶异构铝合金材料及其制备方法和应用
CN114619032B (zh) * 2020-12-10 2023-04-07 上海交通大学 一种用于无重力环境下的铸锭装置及其使用方法
CN115491555B (zh) * 2021-06-17 2023-09-01 上海交通大学 一种7000系稀土铝合金薄板及其制备方法
CN113458422B (zh) * 2021-07-01 2024-01-19 上海交通大学 一种金属液喷射成型控制方法
CN113523283A (zh) * 2021-07-27 2021-10-22 哈尔滨理工大学 一种用于激光增材制造的水冷式测力仪
CN113579255B (zh) * 2021-07-28 2023-03-28 重庆通用工业(集团)有限责任公司 一种金属熔丝增材制造基板冷却装置和方法
CN113695537B (zh) * 2021-09-08 2023-02-28 昆山晶微新材料研究院有限公司 一种空心铸锭、其制备方法以及空心型材
CN113714512B (zh) * 2021-09-08 2022-11-04 上海交通大学 一种铝合金大规格扁锭及其制备方法和制备装置
CN113732270B (zh) * 2021-09-08 2023-09-01 昆山晶微新材料研究院有限公司 一种圆柱形金属铸锭的增材制造方法及装置
CN113732304B (zh) * 2021-09-08 2022-11-04 上海交通大学 一种液态金属3d打印方法和液态金属3d打印铝合金材料
CN113862534B (zh) * 2021-10-08 2022-07-29 上海交通大学 一种铝合金材料组织遗传性的调控方法及7085铝合金厚板的制备方法
CN113857494A (zh) * 2021-10-08 2021-12-31 上海交通大学 高锌铝合金型材及其铸造设备、铸造方法
CN114425620B (zh) * 2022-02-07 2023-05-09 上海交通大学 制备轧辊的设备、方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105345004A (zh) * 2015-10-15 2016-02-24 江苏豪然喷射成形合金有限公司 一种利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法
RU2642654C1 (ru) * 2015-02-03 2018-01-25 Филипс Лайтинг Холдинг Б.В. Технологические формы, изготовленные на основе моделирования методом наплавления, для формования и тиражирования объектов
CN108405863A (zh) * 2018-05-03 2018-08-17 温州大学激光与光电智能制造研究院 一种基于感应熔炼的并行式金属三维打印成型方法
US20180297269A1 (en) * 2014-01-28 2018-10-18 Palo Alto Research Center Incorporated Polymer spray deposition methods and systems
CN108788102A (zh) * 2017-06-07 2018-11-13 上海交通大学 增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭的制备方法及装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003103355A (ja) * 2001-09-26 2003-04-08 Hitachi Metals Ltd 鍛造用鋼塊の製造方法
US8828311B2 (en) * 2009-05-15 2014-09-09 Board Of Regents, The University Of Texas System Reticulated mesh arrays and dissimilar array monoliths by additive layered manufacturing using electron and laser beam melting
CN104001906B (zh) * 2014-05-26 2016-03-30 上海大学 薄层快速凝固成型装置及方法
JP6249940B2 (ja) * 2014-12-26 2017-12-20 株式会社神戸製鋼所 3基の鋳型と2基の鋳型とを非対称に配置した下注造塊装置における下注造塊方法
CN106111985A (zh) * 2015-05-07 2016-11-16 吴小平 群扫描激光选择性烧结或固化方法及其3d成型机
CN204644435U (zh) * 2015-05-13 2015-09-16 上海交通大学 带有龙门架的精铝提纯装置
US20170100772A1 (en) 2015-10-07 2017-04-13 Caterpillar Inc. Manufacturing article from metal alloy
CN105499578B (zh) 2016-01-15 2017-09-12 渭南鼎信创新智造科技有限公司 一种压力铸造极坐标3d打印设备与方法
CN106702237A (zh) * 2016-12-20 2017-05-24 江苏豪然喷射成形合金有限公司 一种铝锂合金的喷射成形方法
CN106493942B (zh) * 2016-12-21 2018-09-18 吉林大学 全息超声场面自成型增材制造方法及装置
CN108788155A (zh) * 2017-06-07 2018-11-13 上海交通大学 无偏析全等轴晶金属铸锭的制备方法及装置
CN108788034A (zh) * 2017-06-07 2018-11-13 上海交通大学 纯铝微晶及非晶材料的制备方法及装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180297269A1 (en) * 2014-01-28 2018-10-18 Palo Alto Research Center Incorporated Polymer spray deposition methods and systems
RU2642654C1 (ru) * 2015-02-03 2018-01-25 Филипс Лайтинг Холдинг Б.В. Технологические формы, изготовленные на основе моделирования методом наплавления, для формования и тиражирования объектов
CN105345004A (zh) * 2015-10-15 2016-02-24 江苏豪然喷射成形合金有限公司 一种利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法
CN108788102A (zh) * 2017-06-07 2018-11-13 上海交通大学 增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭的制备方法及装置
CN108405863A (zh) * 2018-05-03 2018-08-17 温州大学激光与光电智能制造研究院 一种基于感应熔炼的并行式金属三维打印成型方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20210362217A1 (en) 2021-11-25
CN109202084B (zh) 2020-09-22
WO2020098065A1 (zh) 2020-05-22
EP3862112A4 (en) 2021-12-01
EP3862112B1 (en) 2022-08-31
JP2021525654A (ja) 2021-09-27
US11524332B2 (en) 2022-12-13
JP7014932B2 (ja) 2022-02-01
CN109202084A (zh) 2019-01-15
EP3862112A1 (en) 2021-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2768633C1 (ru) Устройство для аддитивной технологии изготовления с матричным распылением и способ изготовления крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава с равноосным кристаллическим зерном
CN110202152B (zh) 间歇喷射式合金锭增材制造装置及方法
CN110125411B (zh) 熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备装置及方法
CN103056367B (zh) 一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法及装置
CN108788102A (zh) 增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭的制备方法及装置
CN108788155A (zh) 无偏析全等轴晶金属铸锭的制备方法及装置
CN106925783B (zh) 一种金属3d打印设备和方法
WO2022048591A1 (zh) 铝棒浇铸成型设备及其加工工艺
CN102319898B (zh) 一种制备合金及金属基复合材料零部件的喷射成形系统
WO2020063623A1 (zh) 基于均匀液滴逐一雾化法制备球形金属粉末的装置及方法
US7744808B2 (en) System and method for producing shot from molten material
CN104550990A (zh) 一种制备3d打印用超细球形高熔点金属粉末的方法与装置
CN106925786B (zh) 基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置与方法
JP7215698B2 (ja) 付加製造及び急速凝固で等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する方法及び装置
CN1067307C (zh) 制备大型沉积坯的多层喷射沉积方法和设备
CN206273433U (zh) 一种喷射成形制备产品用钢液恒温装置
CN110153428A (zh) 用于形成稳定金属熔体液柱的喷嘴装置
CN102534453B (zh) 一种用于模拟颗粒沉积成型的试验装置及方法
CN113263181A (zh) 一种高效制备粒径均一可控的球形金属微粒子的方法及其制备装置
CN1115217C (zh) 移动坩埚自动化控制喷射沉积制坯方法及其装置
CN108018520B (zh) 一种能提高喷射成形复合管坯结合强度的装置及方法
CN114226756B (zh) 增材制造方法
CN203373414U (zh) 一种多自由度数控冶金射流直接成形设备
CN117505885A (zh) 一种基于悬浮熔炼的高端金属坯料喷射成型制备装置及方法
RU2151663C1 (ru) Способ получения непрерывнолитых деформированных заготовок и устройство для его осуществления