專利名稱：一種噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置的制作方法
技術領域：
一種噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置技術領域[0001]本發明涉及一種噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，涉及應用超聲霧化技術制備高性能合金及金屬基復合材料零部件的噴射成形裝置。
背景技術：
[0002]噴射成形技術是近30年發展起來的利用快速凝固方法直接制備金屬材料坯料或半成品的一種先進的成形技術，主要由熔融金屬的霧化、霧化熔滴的沉積等連續過程組成。 噴射成形技術屬于快速凝固范疇，從而消除了宏觀偏析并細化了組織，提高了材料的性能， 尤其是高合金化材料的熱加工性能得到了改善；噴射成形是由熔融金屬直接轉變為半成品的過程，簡化了生產工序，使生產成本比粉末冶金降低40%以上；噴射成形技術具有近終形成形的靈活柔性制造特點。此外，噴射坯件也不存在堆焊或熱噴涂等液態表面加工技術中不可避免的表面缺陷。在制造高合金金屬部件例如模具嵌入件、工具頭等方面這些特征尤其顯著。[0003]以Osprey模式為代表的傳統噴射成形工藝均采用高速惰性氣體霧化熔融金屬， 其氣流速度較低(小于音速)，消耗大量惰性氣體，霧化效率較低，并且霧化產生的顆粒尺寸分布不均。為此，美國MIT對霧化裝置進行改進完善，發展了 LDC(Liquid Dynamic Compaction)工藝。其原理是將Hartman振動管的諧振原理應用于霧化器，使霧化氣體在產生2 2. 5倍超音速氣流的同時產生80 IOOkHz的脈沖頻率，粉碎效率大為改善。但是霧化器加工困難，并且由于過分強調冷卻效率，導致沉積組織疏松。[0004]超聲氣霧化的能量利用率仍然很低并且需要消耗大量的惰性氣體，相比之下，超聲波霧化是一種能量利用率高、惰性氣體消耗量小并且所產生的液滴球形度好、粒度可控、 粒度范圍窄的技術，成形部件的晶粒更加細小，微觀組織更為均勻一致。發明內容[0005]要解決的技術問題[0006]為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，用來制備高性能合金或金屬基復合材料零部件或模具。該成形裝置能夠有效地細化霧化顆粒，提高金屬收得率，其技術路線先進可靠、生產成本低、產品質量易于控制。[0007]技術方案[0008]一種噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，其特征在于包括真空罐1、中頻感應熔爐2、高壓氣體閥門5、儲氣罐6、伺服電機機構8、止通棒9、中轉坩堝10、高壓氣體噴嘴 11、接收器12、三維工作臺13、超聲換能器工具頭15、導流管16、控溫電阻17、步進電機19、 固定支架22、支撐板23、超聲換能器M和真空機25 ；中頻感應熔爐2、中轉坩堝10、高壓氣體噴嘴11、接收器12、三維工作臺13和超聲換能器工具頭15設于真空罐1內；真空罐1內部空間被支撐板23分為相互貫通的上下兩部分，罐體通過管路連接真空機25，側壁上開有進出料口 4，罐體內部設有貫通上下的固定支架22 ；中頻感應熔爐2通過熔爐支架27固定在支撐板23上，并連接控制其運動的伺服電機機構8;中轉坩堝10置于真空罐1的中部， 中頻感應熔爐2 —側的下方，且固定于支撐板23上，外圍設有控溫電阻17，并通過其底部的螺紋通孔與導流管16連接，中轉坩堝10中的熔融金屬通過通孔與導流管16組成的通路流下；步進電機19位于中轉坩堝10上端并通過支桿固定于固定支架22上，能夠帶動與之相連的止通棒9的上下運動，使止通棒9的錐形端與中轉坩堝10底部的螺紋通孔分離或貼合從而控制熔融金屬的流下；超聲換能器工具頭15固定于固定支架22上，與真空罐1外部的超聲換能器M連接，工具頭頂端與導流管出口端之間的距離為5 30mm，并保證工具頭15 的軸線與由導流管16流下的液流夾角為90 180° ；高壓氣體噴嘴11位于超聲振動工具頭15斜上方，通過管路連接真空罐1外部的高壓氣體閥門5，然后連接儲氣罐6 ；接收器12 固定在三維工作臺13上，整體置于真空罐1底部，且位于導流管16出口的下端。[0009]在真空罐1的底部設有收集由于過噴產生的粉末的除粉機構14。[0010]所述伺服電機機構8包括伺服電機四和齒輪減速器30，伺服電機四通過齒輪減速器30控制中頻感應熔爐2的轉動。[0011]中轉坩堝10上設有溫度傳感器18，溫度傳感器18通過支桿固定于固定支架22 上。[0012]所述高壓氣體噴嘴11的下部有一圈集中流向導流管正下方的環縫出氣口，出氣口切線方向與豎直軸線呈10° 50°夾角。[0013]所述高壓氣體噴嘴11的噴嘴內部形狀為Laval型。[0014]所述超聲換能器工具頭15的表面為平面或曲面。[0015]有益效果[0016]本發明提出的一種噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置的有益效果[0017]1、本噴射成形裝置結構簡單，工藝可控性強；[0018]2、直接利用超聲振動霧化熔融金屬，減少氣體消耗，生產成本低；[0019]3、本噴射成形裝置，可直接生產在尺寸、形狀和熱力學條件等方面均一化的金屬顆粒及粉末；[0020]4、本裝置可以將處于合適熱力學狀態的金屬液滴按所需金屬零件的參數沉積于相應位置，直接從液態金屬制備出具有快速凝固組織特征、結構致密、近終形、高質量的金屬部件或模具；[0021]5、本裝置可以制備顆粒增強金屬基復合材料，強化顆粒可以通過兩種方式獲得， 一是對于成形鋁基復合材料，高速氣流為氧氣與惰性氣體的混合氣體，其中氧氣的含量為 5 40vt% (體積分數)。液滴中的鋁與氧氣發生化學反應在液滴的表面形成一層氧化膜， 在沉積過程中金屬熔滴之間或與沉積臺發生碰撞，使得表面的氧化膜破裂并均勻彌散在沉積坯中，得到Al2O3Al復合材料；二是在氣流噴嘴中加入增強顆粒，通過高速惰性氣體使顆粒均勻分布在沉積坯中。


[0022]圖1 本發明提出的噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置結構示意圖；[0023]圖中，1為真空罐，2為中頻感應熔爐，3為中頻感應爐電源箱，4為進出料口，5為高壓氣體閥門，6為儲氣罐，7為控制器，8為齒輪減速器與伺服電機，9為止通棒，10為中轉坩堝，11為高壓氣體噴嘴，12為接收器，13為三維工作臺，14為除粉機構，15為超聲換能器工具頭，16為導流管，17為控溫電阻，18為溫度傳感器，19為步進電機，20為電機控制開關，21 為溫度顯示終端，22為固定支架，23為支撐板，24為超聲換能器，25為真空機；[0024]圖2 噴射成形裝置的中頻感應熔爐示意圖；[0025]圖中，26為中頻感應信號及冷卻水管道，27為熔爐支架，觀為伺服電機電源線，四為伺服電機，30為齒輪減速器；[0026]圖3 噴射成形裝置的氣流噴嘴結構示意圖；[0027]圖中，31為高速氣體入口，32為增強顆粒入口。
具體實施方式
[0028]現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述[0029]本發明實施例為噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，該裝置通過壓電振蕩器產生的振蕩擾動熔融金屬流，使其破裂為均勻的液滴，金屬液滴經高速氣體加速，快速撞擊接收器，通過控制三維工作臺運動軌跡使金屬液滴在不同部位沉積固化以制備高質量的金屬零部件。該裝置由真空裝置、金屬熔煉裝置、霧化裝置、沉積裝置、控制裝置以及除塵裝置組成，分別實現真空環境獲取、金屬熔煉、金屬熔體霧化、金屬液滴的沉積固化成形、三維工作臺行程和電機開關控制以及過噴粉末的收集等功能。[0030]真空裝置如圖1 由真空罐1、真空機M及相應管路組成。真空罐為內徑1. 2m的圓柱體，側壁開有Φ90( πι的進出料口。罐體內部空間被支撐板分為相互貫通的兩部分，上部是金屬熔煉室，下部是霧化沉積室。抽氣孔位于罐體側壁距頂部1/5處，真空機可以對真空灌抽真空至小于50 ，真空罐內部進出料口的對側有一貫通上下的固定支架22 ；[0031]金屬熔煉裝置如圖1，2所示由中頻感應熔爐2、中轉坩堝10、控溫電阻17、溫度傳感器18、止通棒9、導流管16、步進電機19等組成。金屬熔煉裝置位于真空罐的上半部分。中頻感應熔爐2通過支架固定在支撐板上，如圖2所示，感應爐2的兩側各有一軸，軸與支架上的軸座配合，其中一側的軸與齒輪減速器30相連，齒輪減速器30由伺服電機四帶動，各軸通過聯軸器相互連接。金屬熔煉完成后在齒輪減速器30的帶動下感應爐2發生翻轉，金屬熔體被倒入中轉坩堝10中。過熱度對金屬成形件性能及霧化沉積過程能否順利進行有很大影響，過熱度因金屬種類不同而各異，其范圍約為50 400°C，為保證熔體的過熱度，在中轉坩堝10外部設有控溫電阻17，起到保溫控溫的作用。中轉坩堝10底部有一螺紋通孔，通過螺紋連接將其與導流管16連接在一起。止通棒9的一端為錐形能夠與坩堝底部螺紋孔貼合阻止金屬熔體流下。導流管16、螺紋通孔與止通棒9三者同軸。止通棒9的另外一端通過聯軸器與步進電機19相連，啟動步進電機19帶動止通棒9 一起向上移動，可以使金屬熔體通過螺紋孔及導流管16流下。步進電機19與溫度傳感器18通過滑塊連桿機構固定在固定支架22上，連接穩定且可調；[0032]霧化裝置由超聲換能器M、工具頭15、高速氣流噴嘴11、儲氣罐6等組成。超聲換能器M及儲氣罐6在真空罐外部，工具頭15及高速氣流噴嘴11位于真空罐下半部分。超聲振蕩器工具頭15固定在固定支架22上且對齊導流管16下端開口，工具頭15可沿豎直方向調節位置以及在軸向調節傾斜角度，其與導流管16下端的距離在5 30mm之間，保證工具頭15的軸線與由導流管16流下的液流夾角為90 180°，工具頭15表面可為平面或曲面。振蕩由壓電陶瓷型換能器M產生，經聚能器放大振幅，超聲頻率范圍為10 45Hz， 功率不小于100w。整體采用風冷降溫，使壓電陶瓷片低于居里溫度的一半，以保證其正常工作。高速氣體噴嘴11位于超聲振動工具頭15斜上方，噴嘴進氣口壓力優選0. 2 1. 5Mpa。 如圖3所示，噴嘴包括一個中間有一錐形通孔的高壓氣室，該通孔為增強顆粒加入口，可以向高速氣流中添加SiC，TiC，Si02，Al203，TB2等粉末，下部有一圈集中流向導流管正下方的環縫出氣口，出氣口切線方向與豎直軸線呈10° 50°夾角，噴嘴內部形狀可為Laval型， 以加速氣流。噴嘴方向正對液滴接收器12，使得高速氣流能夠完全掃略工具頭表面上方而又不干擾金屬液流，對飛離工具頭15表面的彌散金屬液滴進行加速。[0033]沉積裝置由接收器12和三維工作臺13組成。接收器12位于工具頭15及高速氣體噴嘴11的下方，三維調整臺13位于真空室1的底部、接收器12的下方，用以夾持模具或接受器12。控制器存儲要求加工零件的形狀尺寸數據，根據液滴飛行規律、下落距離等參數，控制三維工作臺12的移動使接收器承接金屬液滴并固化成形。沉積過程中半固態液滴的固相分數保持在60% 70%范圍；[0034]控制器包括三維工作臺行程控制器7，步進電機以及伺服電機的開關20，控制器位于罐體外部，能夠控制工作臺的行程以及步進電機及伺服電機的開啟與關閉。[0035]所有進出罐體的管路通過法蘭盤與罐體連接。[0036]下面以噴射成形7075 (Al-5. 6Zn_2. 5Mg_l. 6Cu ；質量分數％ )為例對本發明做進一步詳述。[0037]1、打開真空室進出料口 4，在熔煉爐2中加入7075合金，調整超聲換能器工具頭 15與導流管16下端的距離為25mm，其軸線與液流的夾角為135° ；[0038]2、真空機25對真空室1抽真空至10Pa，然后對真空腔室充入惰性保護氣體至 80kpa ；[0039]3、啟動高頻感應設備對金屬進行加熱熔化，使熔融7075的過熱度為100°C，將金屬熔體轉移到坩堝10中。打開超聲換能M，啟動超聲霧化器，超聲頻率范圍30kHz，功率 300w;打開止通棒9，使金屬熔體流到工具頭15表面，在超聲振蕩器的作用下，金屬熔體霧化成均勻的液滴；[0040]4、啟動加速氣流裝置，加速氣體噴嘴11位于超聲振動工具頭15斜上方，噴嘴進氣口壓力為0. 5Mpa，噴嘴方向正對液滴接收器12，液滴在飛行過程中逐漸凝固，通過控制飛行距離，使得沉積前霧化液滴的固相分數為60% ；[0041]5、三維調整臺13在控制器7的控制下按照確定的軌跡運動，半固態金屬液滴在高速氣流帶動下撞擊模具或接收器12凝固成所需形狀的坯件。
權利要求1.一種噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，其特征在于包括真空罐(1)、中頻感應熔爐O)、高壓氣體閥門(5)、儲氣罐(6)、伺服電機機構(8)、止通棒(9)、中轉坩堝(10)、高壓氣體噴嘴(11)、接收器(12)、三維工作臺(13)、超聲換能器工具頭(15)、導流管(16)、控溫電阻(17)、步進電機(19)、固定支架(22)、支撐板(23)、超聲換能器(24)和真空機05)；中頻感應熔爐O)、中轉坩堝(10)、高壓氣體噴嘴(11)、接收器(12)、三維工作臺(13)和超聲換能器工具頭(15)設于真空罐(1)內；真空罐(1)內部空間被支撐板03)分為相互貫通的上下兩部分，罐體通過管路連接真空機(25)，側壁上開有進出料口 ，罐體內部設有貫通上下的固定支架02)；中頻感應熔爐(2)通過熔爐支架(XT)固定在支撐板(23)上，并連接控制其運動的伺服電機機構⑶；中轉坩堝(10)置于真空罐⑴的中部，中頻感應熔爐(2) —側的下方，且固定于支撐板03)上，外圍設有控溫電阻(17)，并通過其底部的螺紋通孔與導流管(16)連接，中轉坩堝(10)中的熔融金屬通過通孔與導流管(16)組成的通路流下；步進電機(19)位于中轉坩堝(10)上端并通過支桿固定于固定支架02)上，能夠帶動與之相連的止通棒(9)的上下運動，使止通棒(9)的錐形端與中轉坩堝(10)底部的螺紋通孔分離或貼合從而控制熔融金屬的流下；超聲換能器工具頭(1 固定于固定支架0 上，與真空罐(1)外部的超聲換能器04)連接，工具頭頂端與導流管出口端之間的距離為5 30mm，并保證工具頭(15)的軸線與由導流管(16)流下的液流夾角為90 180° ；高壓氣體噴嘴(11)位于超聲振動工具頭(1 斜上方，通過管路連接真空罐(1)外部的高壓氣體閥門(5)，然后連接儲氣罐(6)；接收器(1 固定在三維工作臺(1 上，整體置于真空罐(1)底部，且位于導流管(16)出口的下端。
2.根據權利要求1所述的噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，其特征在于在真空罐(1)的底部設有收集由于過噴產生的粉末的除粉機構(14)。
3.根據權利要求1所述的噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，其特征在于所述伺服電機機構8包括伺服電機09)和齒輪減速器(30)，伺服電機09)通過齒輪減速器(30)控制中頻感應熔爐O)的轉動。
4.根據權利要求1所述的噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，其特征在于中轉坩堝(10)上設有溫度傳感器(18)，溫度傳感器(18)通過支桿固定于固定支架0 上。
5.根據權利要求1所述的噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，其特征在于所述高壓氣體噴嘴(11)的下部有一圈集中流向導流管正下方的環縫出氣口，出氣口切線方向與豎直軸線呈10° 50°夾角。
6.根據權利要求1或5所述的噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，其特征在于所述高壓氣體噴嘴(11)的噴嘴內部形狀為Laval型。
7.根據權利要求1所述的噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，其特征在于所述超聲換能器工具頭(1 的表面為平面或曲面。
專利摘要本實用新型涉及一種噴射成形制備合金及金屬基零部件的裝置，其特征在于中頻感應熔爐、中轉坩堝、高壓氣體噴嘴、接收器、三維工作臺和超聲換能器工具頭設于真空罐內；真空罐體通過管路連接真空機，側壁上開有進出料口，中頻感應熔爐通過熔爐支架固定在支撐板上，并連接控制其運動的伺服電機機構；中轉坩堝置于中頻感應熔爐一側的下方，并通過其底部的螺紋通孔與導流管連接，超聲換能器工具頭固定于固定支架上。本實用新型能夠有效地細化霧化顆粒，提高金屬收得率，其技術路線先進可靠、生產成本低、產品質量易于控制。
文檔編號B22F3/115GK202317021SQ20112039005
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月13日 優先權日2011年10月13日
發明者司朝潤, 張賢杰, 曹小寶, 李玉軍, 王俊彪 申請人:西北工業大學