[发明专利]应用冷床熔炼的金属增材制造方法及金属零件和应用

说明书

技术领域

本发明涉及金属加工领域，具体的说，涉及一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法及金属零件和应用。

背景技术

增材制造技术(Additive manufacturing，AM)是指通过逐层增加材料的方式将数字模型制造成三维实体物件的过程，其基本特征是分层制造。在金属零件的制造方法中，以激光/电子束高能束流为热源的增材制造技术得到迅速地发展。常用的金属增材技术主要包括：电子束选区熔覆成形(Selective electron beam melting-SEBM)、电子束自由成形(Electron Beam Freeform Fabrication-EBFF)、激光选区熔覆成形(Selective laser melting-SLM)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping-LENS)。基于高能束的金属增材技术制备的金属零件，均是通过高能束熔丝、熔粉，然后按照轨迹铺覆后使其快速凝固，从而制备出金属结构。

搅拌摩擦焊接(Friction Stir welding，简称FSW)技术是由英国焊接研究所(The welding Institute，简称TWI)发明的一项固相焊接技术。搅拌摩擦加工(FSP)是由美国密苏里大学的Mishra博士基于搅拌摩擦焊(FSW)原理提出一种用于材料微观组织改性和制造的方法。其基本思想是，利用搅拌头所造成加工区材料的剧烈塑性变形、混合、破碎和热暴露，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。目前已经采用该技术制备了晶粒尺寸为纳米级的细晶铝合金，其强度和塑性都得到很大提高。

冷床熔炼(简称CHM)是利用高速运动的电子束或等离子弧作为热源，将金属熔化成铸锭的一种真空熔炼设备。它由炉体、真空系统、枪(电子枪或等离子枪)、进料机构、坩埚及拉锭机构、供电系统、冷却系统、观察系统和控制系统等组成。冷床炉熔炼法与其它熔炼法最大的不同，就是有一个冷床，将熔化、精炼和结晶三个过程分开，液态金属首先滴入熔炼区进行熔化和初步精炼，再流入精炼区进行充分精炼，消除原料中可能混杂的高、低密度夹杂物，确保流入坩埚区熔液的纯净化，最后在水冷坩埚内冷凝成铸锭，随着熔化持续进行，凝固的铸锭在拉锭机构的作用下，不断从坩埚底部被拉出，最终形成一个整体铸锭。CHM技术最显著的优势是，在冷炉床床壁能形成凝壳，它能够捕捉如W、C、Mo、Ta等高密度夹杂物，同时，在精练区，低密度夹杂颗粒在高温液体中滞留时间延长，可以确保低密度夹杂颗粒的完全溶解，从而有效地去除夹杂缺陷。

现有常用的金属增材制造方法主要是基于高能束流(电子束或激光束)熔覆金属丝、金属粉末来制备零件，该方法得到的金属结构的组织是快速凝固组织，虽然晶粒得到细化，但是仍然是铸态组织。而金属铸态组织并不能满足一些关键结构件对组织和性能的综合需求，既无法满足对材料和结构高强韧、高疲劳、高损伤容限的需求。再加上有的方法在制备过程中需要保护气，容易在成形零件中造成不完全熔覆、气孔等缺陷。这些问题使得增材制造技术还不能应用于大部分关键结构件。

现有的激光束、电子束增材制造技术，对设备要求高，成本较高，这也是目前增材制造技术制造零件成本较高的一个原因。为了克服现有一些金属增材制造技术的不足，在提高成形零件性能的同时降低制造成本，并降低对增材制造设备的要求，需要一种新的金属零件的增材制造方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种新的金属增材制造方法，即一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法。

本发明的另一目的在于提供冷床熔炼在增材制造中的应用。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法，所述方法包括将原料金属通过冷床熔炼得到熔融金属，再将熔融金属按照预设轨迹铺覆并同步进行热机械处理以形成预制坯，所述同步进行热机械处理是对刚刚铺覆后的处于塑性状态的金属进行热机械处理，这样逐层逐行地铺覆并同步进行热机械处理，最后得到最终产品。

其中优选在得到最终产品前还包括后处理的步骤；

其中所述后处理可以为现有技术常规的后处理操作，本发明优选所述后处理为数控加工和/或表面处理。

本发明将冷床熔炼应用于金属的增材加工，可以改善金属的组织形态。这种方法对原材料的要求低、效率高、成本低、制备的零件组织是均匀、性能稳定的热机械处理组织，对设备的要求低，可适用于制造各种航空航天用钛合金、高温合金、铝合金、高强钢零件。

其中可以理解的是，本发明可以通过调整工艺参数，来调控零件不同位置的组织，从而获得双性能零件。