[发明专利]一种金属材料增材制造成型方法及装置

说明书

一种金属材料增材制造成型方法，从熔炼炉内获取流动的液态材料引入中间流道；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的流体；将上述流体材料压入开放成型区间，并利用表面张力将其约束在该空间之内；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，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，重复所述过程，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。一种金属材料增材制造成型装置，包括熔炼炉、中间流道、基板/结晶器以及保护气氛装置。

技术领域

本发明涉及材料加工技术，具体涉及一种利用微熔铸制备整体壁板类薄壁金属材料构件的增材制造成型方法及装置。

背景技术

金属增材制造（也称3D打印）技术可以直接成形结构复杂的金属零件，缩短零件的制造周期，对于提升制造业的现代化水平和建立绿色经济发展模式有重大意义，因此，相关研究一直受到科技界和工程界的高度重视。金属增材制造技术是以金属粉末或丝材为原料，通过高功率密度的点热源（如激光、电子束等）熔化，然后通过将其逐点、逐层堆积而得到具有一定形状的零件，之后通过快速冷却以及必要的处理方法对零件的性能进行调整。金属增材制造离不开金属粉末或丝材的制备，这本身是一个比较复杂的过程，并且金属粉末或丝材的性能直接或间接地影响了最终产品的性能金属增材制造用激光、电子束熔化金属粉末或丝材，能耗高。

基于此，一种新的金属增材制造技术即金属直接微熔铸增材制造技术，将金属熔体层层堆积直接成形零件，避免了金属粉末或丝材的制备，不需要二次重熔，简化了金属增材制造技术的工艺流程；能耗低，工艺流程短。但金属熔体系多相且其相成分在不断变化的流体，熔体的粘度对温度变化十分敏感，微熔铸成形技术要求所使用的金属熔体原料流动可控，层间形成良好的结合，这给微熔铸技术的研究带来了很大的困难。金属半固态熔体相比液态金属粘度高，铸件组织致密、气孔少；加工时变形抗力较小，可以在低能耗下生产形状复杂的金属零件；半固态熔体的偏析缺陷少，制品的力学性能可以显著提升；金属半固态初生相颗粒周围富集的低熔点合金相重熔温度低，层间易于形成熔化结合。半固态熔体凝固时间相比液态金属熔体较短，生产效率较高。因此，金属直接微熔铸技术选择金属熔体以半固态形式进行零件成形。

2000年前后，Rice等提出了半固态无模成形方法，该方法把制作半固态熔体的坩埚出口直径变为所需要的小尺度（约1mm），由距出口不远处工作台的三维运动拖动半固态熔体逐层堆积成形。Rice的半固态无模成形方法是将半固态熔体拖出，其晶粒形态和尺度主要取决于搅拌方式，熔体出坩埚后，晶粒无任何破碎。本方法则采用挤出熔体方法，熔体同基板接触面积大，熔体凝固速度快，利于晶粒细化；微熔凝区内通过基板运动速度和基板到喷嘴水口的高度来调节冷却速度，抑制晶粒生长，细化晶粒。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出一种整体壁板类金属构件的增材制造成型方法及装置。可以在很大程度上提高金属产品加工的质量和效率。

本发明采用的技术方案：

一种金属材料增材制造成型方法，步骤如下：

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。