專利名稱：一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬零件的制備方法及設(shè)備，特別是一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法和設(shè)備，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
:金屬噴射沉積技術(shù)最早是由英國(guó)的Singer教授于七十年代提出的，原理是:在惰性氣氛保護(hù)下，將熔融金屬利用特殊設(shè)計(jì)的噴嘴霧化形成顆粒噴射流，直接噴射在水冷的基體上，經(jīng)過(guò)撞擊、聚結(jié)、凝固而形成沉積物。噴射沉積技術(shù)是一種新型的制坯方法，廣泛用于制備各種合金及其復(fù)合材料管坯、板坯、錠坯等。近年來(lái)，噴射沉積技術(shù)雖然獲得了迅猛發(fā)展，但本質(zhì)上都是采用Singer教授提出的原理。然而，目前的噴射沉積方法均為通過(guò)在旋轉(zhuǎn)基面上噴射，來(lái)獲得狀沉積坯料。還有一種材料制備方法是直接噴射熔融金屬液流到高速旋轉(zhuǎn)的急冷銅盤上，制備非晶、納米晶帶材。但是這些方法都無(wú)法直接獲得具有復(fù)雜異型截面的零件。近年來(lái)，增材制造技術(shù)也應(yīng)用于金屬快速成形。目前的金屬快速直接成型主要采用激光、電子束熔覆的方法，即利用數(shù)控方法將金屬粉末預(yù)置鋪成零件形狀，利用高能激光、將電子束金屬粉末熔化，冷卻凝固后再在該層上鋪金屬粉末，再用激光、電子束加熱熔化、冷卻凝固，如此往復(fù)不斷，就制成具有復(fù)雜形狀的零件。該方法的特點(diǎn)是成型精確、力學(xué)性能較高。但是，該方法必須用金屬粉末為原料，由于原料金屬粉末顆粒巨大的總表面積難以避免存在氧化層，對(duì)凝固組織內(nèi)部的影響較大。金屬粉末顆粒之間存在空隙，所獲得的材料組織難以達(dá)到直接鑄造金屬的致密程度，缺陷較多，影響冶金質(zhì)量。特別是在制備金屬功能材料時(shí)，巨大表面的氧化層嚴(yán)重影響金屬功能材料的純度，從而影響功能的實(shí)現(xiàn)。另外，上述直接成形工藝，由于加熱束斑尺寸限制，效率較低，一個(gè)大型零件往往需要幾小時(shí)甚至幾天才能制成。

中國(guó)專利“一種平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)噴射沉積多層復(fù)合材料的制備方法和設(shè)備”(200710010694.7)，該專利沉積基板在水平面上只有一維運(yùn)動(dòng)，因此無(wú)法進(jìn)行三維工件的直接成形。發(fā)明內(nèi)容:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法和設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的設(shè)備，包括爐體基座、真空雙層爐體、爐門、爐門爐體觀察窗、真空計(jì)、惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置、坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置、測(cè)溫裝置、爐體觀察窗、惰性氣體進(jìn)氣閥、大氣交換閥、沉積基板運(yùn)動(dòng)控制器、數(shù)控編程計(jì)算機(jī)、真空泵、熔煉電源、惰性氣體瓶、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架、水平旋轉(zhuǎn)基座、水平面旋轉(zhuǎn)滑軌、水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、冶金射流沉積基板、彎曲沉積工件傾轉(zhuǎn)夾具、熔煉加熱裝置、熔煉坩堝、送料機(jī)構(gòu)、測(cè)溫?zé)犭娕肌⒓t外測(cè)溫裝置、沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、基板循環(huán)冷卻水管道和冷卻水系統(tǒng)。真空雙層爐體固定在爐體基座上，真空雙層爐體上設(shè)有爐門，爐門上設(shè)有爐門爐體觀察窗。真空計(jì)、惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置和測(cè)溫裝置固定在真空雙層爐體上。爐體觀察窗、惰性氣體進(jìn)氣閥、大氣交換閥設(shè)置在真空雙層爐體的爐壁上。真空泵對(duì)真空雙層爐體抽真空。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架、水平旋轉(zhuǎn)基座、水平面旋轉(zhuǎn)滑軌、水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、冶金射流沉積基板、彎曲沉積工件傾轉(zhuǎn)夾具、熔煉加熱裝置、熔煉坩堝、送料機(jī)構(gòu)、測(cè)溫?zé)犭娕肌⒓t外測(cè)溫裝置和沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)都處于真空雙層爐體內(nèi)。坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置穿過(guò)真空雙層爐體并與熔煉坩堝連接。惰性氣體瓶與惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置和坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置連接。熔煉坩堝處于冶金射流沉積基板的上方。冶金射流沉積基板上設(shè)有彎曲沉積工件傾轉(zhuǎn)夾具。沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在冶金射流沉積基板的下端。水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的下端。水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架固定在真空雙層爐體的內(nèi)壁上。水平旋轉(zhuǎn)基座為空心結(jié)構(gòu)并固定在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架上。水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)水平面旋轉(zhuǎn)滑軌固定在水平旋轉(zhuǎn)基座上。沉積基板運(yùn)動(dòng)控制器與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架、水平旋轉(zhuǎn)基座、水平面旋轉(zhuǎn)滑軌、水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、冶金射流沉積基板連接。數(shù)控編程計(jì)算機(jī)與沉積基板運(yùn)動(dòng)控制器連接。熔煉電源與熔煉加熱裝置連接。熔煉加熱裝置固定在熔煉坩堝外。送料機(jī)構(gòu)設(shè)置在熔煉坩堝的上端。測(cè)溫?zé)犭娕疾迦氲饺蹮捽釄鍍?nèi)。紅外測(cè)溫裝置設(shè)置在冶金射流沉積基板的上方。熔煉坩堝的底部開有射流孔。冶金射流沉積基板通過(guò)基板循環(huán)冷卻水管道與冷卻水系統(tǒng)連接，真空雙層爐體也與冷卻水系統(tǒng)相連通。一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法:將金屬材料原料放入熔煉坩堝中,用真空泵對(duì)熔煉爐進(jìn)行真空抽氣，當(dāng)爐內(nèi)大氣壓達(dá)到一定真空度后,充入一定壓力的惰性氣體，以保護(hù)熔煉過(guò)程中的金屬熔液不被氧化。利用垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整熔煉坩堝下部射流孔與沉積基板之間的距離。熔煉加熱裝置加熱金屬材料至熔化，用坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置對(duì)熔煉坩堝進(jìn)行加壓，使得熔煉坩堝內(nèi)的熔融狀態(tài)的金屬材料液體順熔煉坩堝底部的射流孔垂直向下流出，金屬材料熔液射流到冶金射流沉積基板上，冶金射流沉積基板按照預(yù)先編制的運(yùn)動(dòng)控制程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，射流出的熔液在沉積基板上按照計(jì)算機(jī)程序編制的圖形快速凝固。射流金屬熔液在基板循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將射流到上一層已經(jīng)凝固的金屬材料層上凝固，循環(huán)往復(fù)·的射流沉積過(guò)程中，已經(jīng)凝固的金屬工件坯的高度不斷升高。通過(guò)計(jì)算機(jī)編程控制垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使冶金射流沉積基板不斷下降，使熔煉坩堝射流孔與射流沉積點(diǎn)的距離保持不變。冶金射流過(guò)程中，利用送料裝置不斷向熔煉坩堝內(nèi)補(bǔ)充金屬原料，以彌補(bǔ)金屬液面的下降。通過(guò)循環(huán)往復(fù)的冶金射流沉積過(guò)程，就獲得了計(jì)算機(jī)預(yù)先編制基板運(yùn)動(dòng)程序的金屬材料工件。對(duì)于有彎曲的金屬工件，可利用計(jì)算機(jī)編程控制沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)31進(jìn)行一定角度的傾轉(zhuǎn)，以保證射流金屬液與沉積面相互垂直，從而獲得彎曲工件，沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可利用水平面旋轉(zhuǎn)滑軌19變化彎曲走向，從而獲得高復(fù)雜程度的彎曲結(jié)構(gòu)工件。通過(guò)控制冶金射流基板運(yùn)動(dòng)速度和金屬液流噴射量，可以控制凝固速度及金屬液橫向鋪展寬度，獲得復(fù)合設(shè)計(jì)要求厚度的任意復(fù)雜形狀的金屬零件。本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)編程控制金屬射流沉積基板多自由度行走路徑，使基板獲得多自由度的零件成形所要求的各種復(fù)雜形狀的行走路徑，在抽高真空再通入高純惰性氣體保護(hù)下，利用感應(yīng)加熱、電阻加熱等手段將帶有噴嘴的坩堝中的金屬熔化，用惰性氣體等對(duì)坩堝加壓噴射出熔融金屬液流。最初的金屬液被射流到基板上將快速凝固，由于基板的運(yùn)動(dòng)是循環(huán)往復(fù)過(guò)程，其后的金屬液被射流到剛剛凝固的基層上再次凝固，該過(guò)程循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)砌墻式沉積成形。通過(guò)控制基板運(yùn)動(dòng)速度和金屬液流噴射量，控制凝固速度及金屬液橫向鋪展寬度，來(lái)快速直接制備具有任意復(fù)雜形狀的金屬零件。熔融金屬液射流到基層上，熱量通過(guò)基層和惰性氣體對(duì)流迅速帶走，射流金屬液在運(yùn)動(dòng)基板行走的同時(shí)進(jìn)行凝固，由于凝固是分散的過(guò)程，金屬液熱量瞬間被耗散掉，從而實(shí)現(xiàn)具有較大冷速的凝固。不同于傳統(tǒng)的金屬噴射沉積快速凝固技術(shù)，射流出的金屬液為連續(xù)柱狀液流，而非彌散細(xì)小的金屬液滴，柱狀液流內(nèi)部無(wú)氣體。液流在凝固前的瞬間發(fā)生橫向鋪展，可實(shí)現(xiàn)致密的冶金結(jié)合。由于抽高真空除氧并通入高純惰性氣體保護(hù)，金屬沉積層間無(wú)氧化發(fā)生，不生成影響冶金質(zhì)量的氧化膜。(屬于一種無(wú)模具鑄造)

圖1是多自由度數(shù)控冶金射流直接成形設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是真空雙層爐體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是真空雙 層爐體的俯視圖。
具體實(shí)施方式
:如圖1-圖3所示:一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的設(shè)備，包括爐體基座1、真空雙層爐體2、爐門3、爐門爐體觀察窗4、機(jī)械真空計(jì)5、惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置6、坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置7、測(cè)溫裝置8、爐體觀察窗9、惰性氣體進(jìn)氣閥10、大氣交換閥
11、沉積基板運(yùn)動(dòng)控制器12、數(shù)控編程計(jì)算機(jī)13、真空泵14、熔煉電源15、惰性氣體瓶16、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架17、水平旋轉(zhuǎn)基座18、水平面旋轉(zhuǎn)滑軌19、水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)20、水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)21、垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22、冶金射流沉積基板23、彎曲沉積工件傾轉(zhuǎn)夾具24、熔煉加熱裝置25、熔煉坩堝26、送料機(jī)構(gòu)27、測(cè)溫?zé)犭娕?8、紅外測(cè)溫裝置29和沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)31、基板循環(huán)冷卻水管道32和冷卻水系統(tǒng)33。真空雙層爐體2固定在爐體基座I上，真空雙層爐體2上設(shè)有爐門3，爐門3上設(shè)有爐門爐體觀察窗4。機(jī)械真空計(jì)5、惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置6和測(cè)溫裝置8固定在真空雙層爐體2上。爐體觀察窗9、惰性氣體進(jìn)氣閥10、大氣交換閥11設(shè)置在真空雙層爐體2的爐壁上。真空泵14對(duì)真空雙層爐體2抽真空。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架17、水平旋轉(zhuǎn)基座18、水平面旋轉(zhuǎn)滑軌19、水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)20、水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)21、垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22、冶金射流沉積基板23、彎曲沉積工件傾轉(zhuǎn)夾具24、熔煉加熱裝置25、熔煉坩堝26、送料機(jī)構(gòu)27、測(cè)溫?zé)犭娕?8、紅外測(cè)溫裝置29和沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)31都處于真空雙層爐體2內(nèi)。坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置7穿過(guò)真空雙層爐體2并與熔煉坩堝26連接。惰性氣體瓶16與惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置6和坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置7連接。熔煉坩堝26處于冶金射流沉積基板23的上方。冶金射流沉積基板23上設(shè)有彎曲沉積工件傾轉(zhuǎn)夾具24。沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)31和垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22固定在冶金射流沉積基板23的下端。水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)21固定在垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22的下端。水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)21固定在水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)20上。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架17固定在真空雙層爐體2的內(nèi)壁上。水平旋轉(zhuǎn)基座18為空心結(jié)構(gòu)并固定在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架17上。水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)20通過(guò)水平面旋轉(zhuǎn)滑軌19固定在水平旋轉(zhuǎn)基座18上。沉積基板運(yùn)動(dòng)控制器12與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架17、水平旋轉(zhuǎn)基座18、水平面旋轉(zhuǎn)滑軌19、水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)20、水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)21、垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22、冶金射流沉積基板23連接。數(shù)控編程計(jì)算機(jī)13與沉積基板運(yùn)動(dòng)控制器12連接。熔煉電源15與熔煉加熱裝置25連接。熔煉加熱裝置25固定在熔煉坩堝26外。送料機(jī)構(gòu)27設(shè)置在熔煉坩堝26的上端。測(cè)溫?zé)犭娕?8插入到熔煉坩堝26內(nèi)。紅外測(cè)溫裝置29設(shè)置在冶金射流沉積基板23的上方。熔煉坩堝26的底部開有射流孔。冶金射流沉積基板23通過(guò)基板循環(huán)冷卻水管道32與冷卻水系統(tǒng)33連接，真空雙層爐體2也與冷卻水系統(tǒng)33相連通。一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法:將金屬材料原料放入熔煉坩堝26中，用真空泵14對(duì)熔煉爐進(jìn)行真空抽氣，當(dāng)爐內(nèi)大氣壓達(dá)到一定真空度后，充入一定壓力的惰性氣體，以保護(hù)熔煉過(guò)程中的金屬熔液不被氧化。利用垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22調(diào)整熔煉坩堝下部射流孔與冶金射流沉積基板23之間的距離。用感應(yīng)熔煉裝置或電阻加熱熔煉加熱裝置25加熱金屬材料至熔化，用坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置7對(duì)熔煉坩堝26進(jìn)行加壓，使得熔煉坩堝26內(nèi)的熔融狀態(tài)的金屬材料液體順熔煉坩堝26底部的射流孔垂直向下流出，金屬材料熔液射流到冶金射流沉積基板23上，冶金射流沉積基板23按照預(yù)先編制的運(yùn)動(dòng)控制程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，射流出的熔液在冶金射流沉積基板23上按照計(jì)算機(jī)程序編制的圖形快速凝固。射流沉積過(guò)程中可以用惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置6對(duì)射流沉積點(diǎn)吹惰性氣體強(qiáng)制冷卻，以提高冷卻速度。射流金屬熔液在基板循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將射流到上一層已經(jīng)凝固的金屬材料層上凝固，循環(huán)往復(fù)的射流沉積過(guò)程中，已經(jīng)凝固的金屬工件坯的高度不斷升高。通過(guò)計(jì)算機(jī)編程控制垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22使冶金射流沉積基板23不斷下降，使熔煉坩堝26射流孔與射流沉積點(diǎn)的距離保持基本不變。冶金射流過(guò)程中，利用送料裝置27不斷向熔煉坩堝內(nèi)補(bǔ)充金屬原料，以彌補(bǔ)金屬液面的下降。通過(guò)循環(huán)往復(fù)的冶金射流沉積過(guò)程，就獲得了計(jì)算機(jī)預(yù)先編制基板運(yùn)動(dòng)程序的金屬材料工件。對(duì)于有彎曲的金屬工件，可利用計(jì)算機(jī)編程控制沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)31進(jìn)行一定角度的傾轉(zhuǎn)，以保證射流金屬液與沉積面相互垂直，從而獲得彎曲工件，沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可利用水平面旋轉(zhuǎn)滑軌19變化彎曲走向，從而獲得高復(fù)雜程度的彎曲結(jié)構(gòu)工件。通過(guò)控制基板運(yùn)動(dòng)速度和金屬液流噴射量，可以控制凝固速度及金屬液橫向鋪展寬度，獲得復(fù)合設(shè)計(jì)要求厚度的任意復(fù)雜形狀的金屬零件。關(guān)鍵技術(shù):1.真空雙層爐體:本發(fā)明所涉及的真空爐體為雙層水冷結(jié)構(gòu)，以保證熔煉放出的過(guò)剩熱量的散熱。爐體和爐門上設(shè)有熔煉接口、觀察窗、真空計(jì)、氣體交換閥門、冷卻水管接口和電線接口。為了測(cè)量高真空度，設(shè)有電子真空計(jì)用于測(cè)量高真空度。爐體上設(shè)有運(yùn)動(dòng)控制、電子測(cè)溫、電子真空計(jì)的電線接口盤。2.坩堝:本發(fā)明所涉及的金屬熔煉坩堝可以根據(jù)所熔煉的材料和加熱方法不同，選用高純石英、高純石墨、耐高溫陶瓷、鋼、鈦合金、高溫合金等。坩堝要對(duì)高溫金屬熔液具有好的耐侵蝕能力。

例如，熔煉鋁合金可用石英、石墨、陶瓷作為坩堝材料；熔煉鎂合金可用石墨、陶瓷作為坩堝材料；熔煉鈦合金、銅合金、鋼等高熔點(diǎn)金屬可用石墨、陶瓷作為坩堝材料。坩堝下部開一定尺寸或直徑的噴射金屬溶液的小孔。坩堝上部設(shè)有固定環(huán)，與垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，并與惰性氣體加壓裝置相連接。對(duì)于要求連續(xù)送料熔煉的坩堝，在坩堝頂端或側(cè)壁上部開設(shè)有送料孔。i甘禍米用一端開口的圓管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為5mm 500mm ;壁厚為Imm 200mm ;長(zhǎng)度為 20mm 2000mm。坩堝噴射孔可為圓形、橢圓形、矩形或多邊形。圓形及多邊形直徑為0.1mm 50mm ;矩形短邊為0.1mm 20mm,矩形長(zhǎng)邊為0.1mm 500mm。i甘禍垂直方向行走距離可為IOmm 500mm ; 甘禍上下行走速度范圍:0.01mm/s 1OOmm/s ;坩堝熔煉溫度范圍:100°C 2000°C3.熔煉加熱:采用低頻，或者中頻，或者高頻感應(yīng)加熱熔化金屬材料；也可采用電阻法直接加熱，即將電極直接連接到坩堝內(nèi)被熔煉金屬材料上，利用金屬材料自身的電阻發(fā)熱來(lái)加熱熔化金屬；還可采用電阻爐加熱，將坩堝放置于電阻爐內(nèi)進(jìn)行加熱熔化金屬材料。4.冶金射流金屬沉積基板:沉積基板一般為具有一定厚度的鋼、純銅或銅合金、鋁合金、鈦合金板制成，在基板內(nèi)部開設(shè)冷卻水通道，通入冷卻水進(jìn)行水冷，使基板具有快速散熱的能力，且保護(hù)基板不熔化、不變形，也可采用與沉積金屬材料性質(zhì)相同或相近的材料，也可以采用陶瓷材料。沉積基板為空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通有冷卻水，冷卻水管與熔煉爐外的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相連接。由于真空爐體內(nèi)部的冷卻水管為柔性耐壓水管，抽高真空不能使水管破裂。沉積基板可以為圓形或矩形，圓形直徑為20mm 2000mm ;矩形長(zhǎng)、短邊為20mm 2000mm。基板水平二維運(yùn)動(dòng)速度:0mm/s IOOOmm/s ;垂直運(yùn)動(dòng)速度:0mm/s 200mm/s ;水平圓周旋轉(zhuǎn)速度:0rpm 600rpm ;垂直`軸向傾轉(zhuǎn)速度:0rpm 200rpm,垂直軸向傾轉(zhuǎn)角度以垂直向下方向?yàn)榛鶞?zhǔn):-90° +90°。對(duì)于彎曲的工件，需要傾轉(zhuǎn)基板，為了防止傾轉(zhuǎn)過(guò)程中工件因重力作用而位移，在基板上設(shè)置自動(dòng)控制的夾具。沉積工件到較小高度后，夾具加緊工件下部，從而防止工件移動(dòng)。5.測(cè)溫:由于噴射金屬熔液的溫度決定金屬的凝固速度，因此，金屬熔液的測(cè)量對(duì)于控制金屬熔液的溫度，從而控制冶金質(zhì)量十分重要。可根據(jù)不同加熱方式選擇測(cè)溫手段。采用石英管作為坩堝的熔煉系統(tǒng)，可以用紅外測(cè)溫裝置對(duì)石英管內(nèi)的金屬熔液進(jìn)行測(cè)溫；采用石墨、陶瓷作為坩堝的熔煉系統(tǒng)，用感應(yīng)加熱源加熱時(shí)，由于無(wú)法使用熱電偶，可以用紅外測(cè)溫裝置對(duì)噴射液流進(jìn)行測(cè)溫；采用電阻絲加熱源的熔煉系統(tǒng)，可以用熱電偶對(duì)坩堝內(nèi)的金屬熔液進(jìn)行測(cè)溫；測(cè)溫溫度范圍:室溫 2500°C。6.運(yùn)動(dòng)控制:為了獲得所需復(fù)雜形狀的直接快速成形零件，沉積基板與噴射坩堝之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系十分關(guān)鍵。相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和金屬熔液噴射溫度決定了凝固速度、壁厚、零件側(cè)壁冶金質(zhì)量等。為了獲得好的冶金質(zhì)量，必須對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行精確控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡上各個(gè)階段的速度。基板位移最高精度為0.01mm。7.真空、惰性氣體保護(hù)、噴射加壓系統(tǒng):
熔煉前將噴射沉積設(shè)備的真空腔體抽真空，極限真空度:0.1Pa 10_5Pa，熔煉前充入高純氬氣、氦氣等惰性氣體，氣體壓力:0.0OlPa I大氣壓。噴射壓力:0.0lPa 10大氣壓。8.電源:對(duì)于感應(yīng)加熱熔煉，電源采用中頻、工頻電源；電阻爐、硅碳棒加熱熔煉，電源采用可控硅電源。功率在0.1 1000KW。實(shí)施例一:冶金射流快速凝固制造Ti金屬及其合金三維金屬工件采用純Ti或設(shè)計(jì)成分為TA系列、TB系列和TC系列合金作為原料，放在熔煉坩堝中。對(duì)熔煉爐抽高真空到約lX10_3Pa，充入0.01 0.5大氣壓的高純氬氣。利用感應(yīng)熔煉裝置將坩堝中的母合金加熱熔化，熔煉溫度約為1450° C 1550° C，通過(guò)惰性氣體加壓裝置將合金熔液射流到基板上。沉積基板按照預(yù)先編制的圖形程序循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，射流出的合金熔液按照?qǐng)D形凝固成形為需要空間形狀的管狀零件。該合金工具可用于醫(yī)療植入材料、航空結(jié)構(gòu)件等用途。實(shí)施例二:冶金射流快速凝固制造TiNi形狀記憶合金三維金屬工件采用設(shè)計(jì)成分為Ti (49-51%)-Ni (49-51%)(原子百分比)的形狀記憶合金母合金作為原料，放在熔煉坩堝中。對(duì)熔煉爐抽高真空到約lX10_3Pa，充入0.01 0.5大氣壓的高純氬氣。利用感應(yīng)熔煉裝置將坩堝中的母合金加熱熔化，熔煉溫度約為1450° C 1550° C，通過(guò)惰性氣體加壓裝置將合金熔液射流到基板上。沉積基板按照預(yù)先編制的圖形程序循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，射流出的合金熔液按照?qǐng)D形凝固成形為需要空間形狀的零件。該合金工具可用于航空、艦船、石油管路連接接頭等。實(shí)施例三:冶金射流快速凝固制造Al合金三維金屬工件采用鋁合金作為母 合金原料，放在熔煉坩堝中。對(duì)熔煉爐抽高真空到約I X 10 ,充入0.01 0.5大氣壓的高純氬氣。利用感應(yīng)熔煉裝置將坩堝中的母合金加熱熔化，熔煉溫度約為680° C 750° C，通過(guò)惰性氣體加壓裝置將合金熔液射流到基板上。沉積基板按照預(yù)先編制的圖形程序循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，射流出的合金熔液按照?qǐng)D形凝固成形為需要空間形狀的零件。該合金工具可用于航空、航天的各種受力結(jié)構(gòu)件。實(shí)施例四:冶金射流快速凝固制造高溫合金三維金屬工件采用Ni基高溫合金作為母合金原料，放在熔煉坩堝中。對(duì)熔煉爐抽高真空到約lX10_3Pa，充入0.01 0.5大氣壓的高純氬氣。利用感應(yīng)熔煉裝置將坩堝中的母合金加熱熔化，熔煉溫度約為1550° C 1750° C，通過(guò)惰性氣體加壓裝置將合金熔液射流到基板上。沉積基板按照預(yù)先編制的圖形程序循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，射流出的合金熔液按照?qǐng)D形凝固成形為需要空間形狀的零件。該合金工具可用于航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的各種受力結(jié)構(gòu)件。
權(quán)利要求
1.一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的設(shè)備，其特征在于:包括爐體基座、真空雙層爐體、真空計(jì)、惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置、坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置、測(cè)溫裝置、爐體觀察窗、惰性氣體進(jìn)氣閥、大氣交換閥、沉積基板運(yùn)動(dòng)控制器、數(shù)控編程計(jì)算機(jī)、真空泵、熔煉電源、惰性氣體瓶、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架、水平旋轉(zhuǎn)基座、水平面旋轉(zhuǎn)滑軌、水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、冶金射流沉積基板、彎曲沉積工件傾轉(zhuǎn)夾具、熔煉加熱裝置、熔煉坩堝、送料機(jī)構(gòu)、測(cè)溫?zé)犭娕肌⒓t外測(cè)溫裝置、沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)基板循環(huán)冷卻水管道和冷卻水系統(tǒng)；真空雙層爐體固定在爐體基座上，真空計(jì)、惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置和測(cè)溫裝置固定在真空雙層爐體上，爐體觀察窗、惰性氣體進(jìn)氣閥、大氣交換閥設(shè)置在真空雙層爐體的爐壁上，真空泵對(duì)真空雙層爐體抽真空，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架、水平旋轉(zhuǎn)基座、水平面旋轉(zhuǎn)滑軌、水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、冶金射流沉積基板、彎曲沉積工件傾轉(zhuǎn)夾具、熔煉加熱裝置、熔煉坩堝、送料機(jī)構(gòu)、測(cè)溫?zé)犭娕肌⒓t外測(cè)溫裝置和沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)都處于真空雙層爐體內(nèi)，坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置穿過(guò)真空雙層爐體并與熔煉坩堝連接，惰性氣體瓶與惰性氣體強(qiáng)制冷卻裝置和坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置連接，熔煉坩堝處于冶金射流沉積基板的上方，冶金射流沉積基板上設(shè)有彎曲沉積工件傾轉(zhuǎn)夾具，沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在冶金射流沉積基板的下端，水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的下端，水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架固定在真空雙層爐體的內(nèi)壁上，水平旋轉(zhuǎn)基座為空心結(jié)構(gòu)并固定在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架上，水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)水平面旋轉(zhuǎn)滑軌固定在水平旋轉(zhuǎn)基座上，沉積基板運(yùn)動(dòng)控制器與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架、水平旋轉(zhuǎn)基座、水平面旋轉(zhuǎn)滑軌、水平二維橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平二維縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、冶金射流沉積基板連接，數(shù)控編程計(jì)算機(jī)與沉積基板運(yùn)動(dòng)控制器連接，熔煉電源與熔煉加熱裝置連接，熔煉加熱裝置固定在熔煉坩堝外，送料機(jī)構(gòu)設(shè)置在熔煉坩堝的上端，測(cè)溫?zé)犭娕疾迦氲饺蹮捽釄鍍?nèi)，紅外測(cè)溫裝置設(shè)置在冶金射流沉積基板的上方，熔煉坩堝的底部開有射流孔，冶金射流沉積基板通過(guò)基板循環(huán)冷卻水管道與冷卻水系統(tǒng)連接，真空雙層爐體也與冷卻水系統(tǒng)相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的設(shè)備，其特征在于:所述的真空雙層爐體上設(shè)有爐門，爐門上設(shè)有爐門爐體觀察窗。
3.—種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:將金屬材料原料放入熔煉坩堝中，用真空泵對(duì)熔煉爐進(jìn)行真空抽氣，當(dāng)爐內(nèi)大氣壓達(dá)到一定真空度后，充入一定壓力的惰性氣體，以保護(hù)熔煉過(guò)程中的金屬熔液不被氧化，利用垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整熔煉坩堝下部射流孔與沉積基板之間的距離，熔煉加熱裝置加熱金屬材料至熔化，用坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置對(duì)熔煉坩堝進(jìn)行加壓，使得熔煉坩堝內(nèi)的熔融狀態(tài)的金屬材料液體順熔煉坩堝底部的射流孔垂直向下流出，金屬材料熔液射流到冶金射流沉積基板上，冶金射流沉積基板按照預(yù)先編制的運(yùn)動(dòng)控制程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，射流出的熔液在沉積基板上按照計(jì)算機(jī)程序編制的圖形快速凝固，射流金屬熔液在基板循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將射流到上一層已經(jīng)凝固的金屬材料層上凝固，循環(huán)往復(fù)的射流沉積過(guò)程中，已經(jīng)凝固的金屬工件坯的高度不斷升高，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程控制垂直一維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使冶金射流沉積基板不斷下降，使熔煉坩堝射流孔與射流沉積點(diǎn)的距離保持不變，冶金射流過(guò)程中，利用送料裝置不斷向熔煉坩堝內(nèi)補(bǔ)充金屬原料，以彌補(bǔ)金屬液面的下降，通過(guò)循環(huán)往復(fù)的冶金射流沉積過(guò)程，就獲得了計(jì)算機(jī)預(yù)先編制基板運(yùn)動(dòng)程序的金屬材料工件。
4.如權(quán)利要求3所述的一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:用感應(yīng)熔煉裝置或電阻加熱熔煉加熱裝置。
5.如權(quán)利要求3所述的一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:所述熔煉坩堝的噴射孔為圓形、橢圓形、矩形或多邊形；圓形及多邊形直徑為0.1mm 50mm ;矩形短邊為0.1mm 20mm,矩形長(zhǎng)邊為0.1mm 500mm。
6.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的設(shè)備，其特征在于:在冶金射流沉積基板內(nèi)設(shè)有冷卻水通道，沉積基板為圓形或矩形，圓形直徑為20mm 2000mm ;矩形長(zhǎng)、短邊為20mm 2000mm。
7.如權(quán)利要求3所述的一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:熔煉前將真空雙層爐體的腔體抽真空，極限真空度:0.1Pa 10_5Pa，熔煉前充入高純氬氣、氦氣等惰性氣體，氣體壓力:0.0OlPa I大氣壓，噴射壓力:0.0lPa 10大氣壓。
8.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的設(shè)備，其特征在于:所述的測(cè)溫裝置為紅外測(cè)溫裝置或熱電偶。
9.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的設(shè)備，其特征在于:所述的熔煉i甘禍采用一端開口的圓管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為5mm 500mm ;壁厚為Imm 200mm ;長(zhǎng)度為 20mm 2000mm。
10.如權(quán)利要求3所述的一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:利用計(jì)算機(jī)編程控制沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行角度的傾轉(zhuǎn)，保證射流金屬液與沉積面相互垂直，從而獲得彎曲工件；沉積基板傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)利用水平面旋轉(zhuǎn)滑軌變化彎曲走向，從而獲得高復(fù)雜程度的彎曲結(jié)構(gòu) 工件。
全文摘要
一種多自由度數(shù)控冶金射流直接成形的制備方法和設(shè)備，將熔融金屬液射流到基層上，熱量通過(guò)基層和惰性氣體對(duì)流迅速帶走，射流金屬液在運(yùn)動(dòng)基板行走的同時(shí)進(jìn)行凝固，由于凝固是分散的過(guò)程，金屬液熱量瞬間被耗散掉，從而實(shí)現(xiàn)具有較大冷速的凝固。不同于傳統(tǒng)的金屬噴射沉積快速凝固技術(shù)，射流出的金屬液為連續(xù)柱狀液流，而非彌散細(xì)小的金屬液滴，柱狀液流內(nèi)部無(wú)氣體。液流在凝固前的瞬間發(fā)生橫向鋪展，可實(shí)現(xiàn)致密的冶金結(jié)合。由于抽高真空除氧并通入高純惰性氣體保護(hù)，金屬沉積層間無(wú)氧化發(fā)生，不生成影響冶金質(zhì)量的氧化膜。
文檔編號(hào)C23C26/02GK103243324SQ20131019654
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月23日
發(fā)明者王繼杰, 劉春忠, 馬宗義, 張洪亮, 王老烏, 盧少微, 劉玉林, 姜妲, 王艷晶, 楊光, 陳振中 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)航空航天大學(xué)