[发明专利]一种金属材料增材制造成型方法及装置

权利要求书

1.一种金属材料增材制造成型方法，包括如下步骤：

1）从熔炼炉内获取流动的液态材料，引入下方有出料口的中间流道；

2）通过控制液态材料的温度和流动速度，使进入中间流道的液态材料逐渐转变为液固两相共存且其温度呈上高下低梯度分布的流体；

3）将上述流体材料经出料口压入其下方与基板/结晶器或附着在其上的堆积层之间的开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；

4）在与之接触的流体朝来流方向定向凝固的同时，使基板/结晶器以一定的速度和运动轨迹平行于出料口运动，带出凝固组织，为后续熔体腾出位置，并通过凝固组织与熔体之间的摩擦力抑制结晶前沿的金属枝晶的生长，重复步骤3），逐渐形成金属整体壁板特定方向的切向单层组织直至得到具有指定厚度和形状的优异组织的材料构件。

2.根据权利要求1所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：为制备出结构复杂，垂直于切向的厚度大于切向单层组织的厚度的金属构件，依据构件性能与精度的设计要求，设计待制造零部件的三维数字切分图形的切片方向与分切厚度，并设定基板/结晶器的运动轨迹，逐层加工和堆积上述凝固组织并使其层间界面实现良好的结合；基板/结晶器的运动速度控制在不超过0.5～20厘米/秒的范围。

3.根据权利要求1或2所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：控制液态材料的温度和流动速度，使所述液态金属材料为流动性较好的流体，同时该流体有一定的粘度，能够使流体完美的成型；对于非共晶合金，控制其固相比例不超过35%；对于共晶合金，控制其出口处流体有一定的流动性。

4.根据权利要求3所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：所述开放成型空间位于中间流道出料口的下方和基板/结晶器或附着在基板/结晶器表面上的堆积层的上方，其高度即堆积层厚度限制在毫米至微米尺度范围内；对于实现近净或者净成型的陶瓷构件，所述开放空间的高度不超过100微米。

5.根据权利要求1、2或4所述的金属材料增材制造成型方法，其特征在于：为避免金属熔体的表面被氧化，所有过程均在真空或者惰性气体的保护下进行。

6.一种实现权利要求1所述金属材料增材制造成型方法的金属材料增材制造成型装置，其特征在于：包括熔炼炉、中间流道、基板/结晶器以及保护气氛装置，其中熔炼炉用于提供流体材料，所述熔炼炉的出料口与中间流道的进料口连接；所述中间流道的出料口下方设置基板/结晶器；保护气氛提供装置提供保护气氛，用于保护所述液态材料从熔炼炉出口直至在基板/结晶器上冷却成型的整个过程。

7.根据权利要求6所述的金属材料增材制造成型装置，其特征在于：所述基板/结晶器还包括能够使基板/结晶器在x，y，z轴方向移动的运动部件；所述基板/结晶器还包括水循环系统，所述水循环系统用于加快压出出口的金属材料流体的凝固速度，从而在基板/结晶器运动时能有效利用摩擦效应阻滞和破坏枝晶生长，获取细晶效果，以及利用逐点同步微铸轧有效降低应力集中。

8.根据权利要求6或7所述的金属材料增材制造成型装置，其特征在于：所述熔炼炉包括搅拌装置和温度梯度控制系统；所述搅拌装置为电磁搅拌装置或机械搅拌装置；所述中间流道还包括压力控制系统，采用机械压力控制系统或压缩气体压力控制系统控制金属熔体的压力，将金属熔体从出口压入开放成型区间，并作用于熔体凝固的全过程。

9.根据权利要求8所述的金属材料增材制造成型装置，其特征在于：熔炼炉底部出料口的形状和尺寸取决于堆积层的宽度，若其宽度为毫米尺度，出料口设计成相应尺度的圆形；若其宽度大于毫米尺度，则出料口设计为方形，其短边为毫米尺度、其长边对应堆积层的宽度。