專利名稱：一種制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，涉及應(yīng)用超聲霧化技術(shù)制備高性能合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
噴射成形技術(shù)是近30年發(fā)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(jìn)的成形技術(shù)，主要由熔融金屬的霧化、霧化熔滴的沉積等連續(xù)過程組成。 噴射成形技術(shù)屬于快速凝固范疇，從而消除了宏觀偏析并細(xì)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(zhuǎn)變?yōu)榘氤善返倪^程，簡化了生產(chǎn)工序，使生產(chǎn)成本比粉末冶金降低40%以上；噴射成形技術(shù)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(tài)表面加工技術(shù)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。以O(shè)sprey模式為代表的傳統(tǒng)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(chǎn)生的顆粒尺寸分布不均。為此，美國MIT對霧化裝置進(jìn)行改進(jìn)完善，發(fā)展了 LDC(Liquid Dynamic Compaction)工藝。其原理是將Hartman振動管的諧振原理應(yīng)用于霧化器，使霧化氣體在產(chǎn)生2 2. 5倍超音速氣流的同時產(chǎn)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(qiáng)調(diào)冷卻效率，導(dǎo)致沉積組織疏松。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(chǎn)生的液滴球形度好、粒度可控、 粒度范圍窄的技術(shù)，成形部件的晶粒更加細(xì)小，微觀組織更為均勻一致。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，用來制備高性能合金或金屬基復(fù)合材料零部件或模具。該成形系統(tǒng)能夠有效地細(xì)化霧化顆粒，提高金屬收得率，其技術(shù)路線先進(jìn)可靠、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量易于控制。技術(shù)方案一種制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，其特征在于包括真空罐 1、中頻感應(yīng)熔爐2、高壓氣體閥門5、儲氣罐6、伺服電機(jī)機(jī)構(gòu)8、止通棒9、中轉(zhuǎn)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(dǎo)流管16、控溫電阻17、步進(jìn)電機(jī)19、固定支架22、支撐板23、超聲換能器M和真空機(jī)25 ；中頻感應(yīng)熔爐2、中轉(zhuǎn)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(shè)于真空罐1內(nèi)； 真空罐1內(nèi)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(jī)25，側(cè)壁上開有進(jìn)出料口 4，罐體內(nèi)部設(shè)有貫通上下的固定支架22 ；中頻感應(yīng)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(jī)機(jī)構(gòu)8 ；中轉(zhuǎn)坩堝10置于真空罐1 的中部，中頻感應(yīng)熔爐2 —側(cè)的下方，且固定于支撐板23上，外圍設(shè)有控溫電阻17，并通過其底部的螺紋通孔與導(dǎo)流管16連接，中轉(zhuǎn)坩堝10中的熔融金屬通過通孔與導(dǎo)流管16組成的通路流下；步進(jìn)電機(jī)19位于中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)流管16出口的下端。在真空罐1的底部設(shè)有收集由于過噴產(chǎn)生的粉末的除粉機(jī)構(gòu)14。所述伺服電機(jī)機(jī)構(gòu)8包括伺服電機(jī)四和齒輪減速器30，伺服電機(jī)四通過齒輪減速器30控制中頻感應(yīng)熔爐2的轉(zhuǎn)動。中轉(zhuǎn)坩堝10上設(shè)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。所述高壓氣體噴嘴11的下部有一圈集中流向?qū)Я鞴苷路降沫h(huán)縫出氣口，出氣口切線方向與豎直軸線呈10° 50°夾角。所述高壓氣體噴嘴11的噴嘴內(nèi)部形狀為Laval型。所述超聲換能器工具頭15的表面為平面或曲面。有益效果本發(fā)明提出的一種制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，具有如下的有益效果1、本噴射成形裝置結(jié)構(gòu)簡單，工藝可控性強(qiáng)；2、直接利用超聲振動霧化熔融金屬，減少氣體消耗，生產(chǎn)成本低；3、本噴射成形裝置，可直接生產(chǎn)在尺寸、形狀和熱力學(xué)條件等方面均一化的金屬顆粒及粉末；4、本裝置可以將處于合適熱力學(xué)狀態(tài)的金屬液滴按所需金屬零件的參數(shù)沉積于相應(yīng)位置，直接從液態(tài)金屬制備出具有快速凝固組織特征、結(jié)構(gòu)致密、近終形、高質(zhì)量的金屬部件或模具；5、本裝置可以制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，強(qiáng)化顆?？梢酝ㄟ^兩種方式獲得， 一是對于成形鋁基復(fù)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?jǐn)?shù))。液滴中的鋁與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(fā)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(fù)合材料；二是在氣流噴嘴中加入增強(qiáng)顆粒，通過高速惰性氣體使顆粒均勻分布在沉積坯中。


圖1 本發(fā)明提出的制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1為真空罐，2為中頻感應(yīng)熔爐，3為中頻感應(yīng)爐電源箱，4為進(jìn)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(jī)，9為止通棒，10為中轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)，15為超聲換能器工具頭，16為導(dǎo)流管，17為控溫電阻，18為溫度傳感器，19為步進(jìn)電機(jī)，20為電機(jī)控制開關(guān)，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(jī)；圖2 噴射成形系統(tǒng)的中頻感應(yīng)熔爐示意圖；圖中，26為中頻感應(yīng)信號及冷卻水管道，27為熔爐支架，觀為伺服電機(jī)電源線，四為伺服電機(jī)，30為齒輪減速器；圖3 噴射成形系統(tǒng)的氣流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，31為高速氣體入口，32為增強(qiáng)顆粒入口。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述本發(fā)明實施例為一超聲霧化噴射成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過壓電振蕩器產(chǎn)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(jīng)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(zhì)量的金屬零部件。該系統(tǒng)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(xiàn)真空環(huán)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(jī)開關(guān)控制以及過噴粉末的收集等功能。真空裝置如圖1 由真空罐1、真空機(jī)M及相應(yīng)管路組成。真空罐為內(nèi)徑1. 2m的圓柱體，側(cè)壁開有Φ90( πι的進(jìn)出料口。罐體內(nèi)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(cè)壁距頂部1/5處，真空機(jī)可以對真空灌抽真空至小于50Pa，真空罐內(nèi)部進(jìn)出料口的對側(cè)有一貫通上下的固定支架22 ；金屬熔煉裝置如圖1，2所示由中頻感應(yīng)熔爐2、中轉(zhuǎn)坩堝10、控溫電阻17、溫度傳感器18、止通棒9、導(dǎo)流管16、步進(jìn)電機(jī)19等組成。金屬熔煉裝置位于真空罐的上半部分。中頻感應(yīng)熔爐2通過支架固定在支撐板上，如圖2所示，感應(yīng)爐2的兩側(cè)各有一軸，軸與支架上的軸座配合，其中一側(cè)的軸與齒輪減速器30相連，齒輪減速器30由伺服電機(jī)四帶動，各軸通過聯(lián)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(yīng)爐2發(fā)生翻轉(zhuǎn)，金屬熔體被倒入中轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)坩堝10外部設(shè)有控溫電阻17，起到保溫控溫的作用。中轉(zhuǎn)坩堝10底部有一螺紋通孔，通過螺紋連接將其與導(dǎo)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(dǎo)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(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)19相連，啟動步進(jìn)電機(jī)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(dǎo)流管16流下。步進(jìn)電機(jī)19與溫度傳感器18通過滑塊連桿機(jī)構(gòu)固定在固定支架22上，連接穩(wěn)定且可調(diào)；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(dǎo)流管16下端開口，工具頭15可沿豎直方向調(diào)節(jié)位置以及在軸向調(diào)節(jié)傾斜角度，其與導(dǎo)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(dǎo)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對產(chǎn)生，經(jīng)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(fēng)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(jìn)氣口壓力優(yōu)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(qiáng)顆粒加入口，可以向高速氣流中添加3比，11(，510241203，1182等粉末，下部有一圈集中流向?qū)Я鞴苷路降沫h(huán)縫出氣口，出氣口切線方向與豎直軸線呈10° 50°夾角，噴嘴內(nèi)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(jìn)行加速。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(diào)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?？刂破鞔鎯σ蠹庸ち慵男螤畛叽鐢?shù)據(jù)，根據(jù)液滴飛行規(guī)律、下落距離等參數(shù)，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(tài)液滴的固相分?jǐn)?shù)保持在60% 70%范圍；控制器包括三維工作臺行程控制器7，步進(jìn)電機(jī)以及伺服電機(jī)的開關(guān)20，控制器位于罐體外部，能夠控制工作臺的行程以及步進(jìn)電機(jī)及伺服電機(jī)的開啟與關(guān)閉。所有進(jìn)出罐體的管路通過法蘭盤與罐體連接。下面以噴射成形7075 (Al-5. 6Zn_2. 5Mg_l. 6Cu ；質(zhì)量分?jǐn)?shù)％ )為例對本發(fā)明做進(jìn)
一步詳述。1、打開真空室進(jìn)出料口 4，在熔煉爐2中加入7075合金，調(diào)整超聲換能器工具頭 15與導(dǎo)流管16下端的距離為25mm，其軸線與液流的夾角為135° ；2、真空機(jī)25對真空室1抽真空至10Pa，然后對真空腔室充入惰性保護(hù)氣體至 80kpa ；3、啟動高頻感應(yīng)設(shè)備對金屬進(jìn)行加熱熔化，使熔融7075的過熱度為100°C，將金屬熔體轉(zhuǎn)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；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(jìn)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?jǐn)?shù)為60% ；5、三維調(diào)整臺13在控制器7的控制下按照確定的軌跡運動，半固態(tài)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(quán)利要求
1.一種制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，其特征在于包括真空罐 (1)、中頻感應(yīng)熔爐(2)、高壓氣體閥門(5)、儲氣罐(6)、伺服電機(jī)機(jī)構(gòu)(8)、止通棒(9)、中轉(zhuǎn)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(dǎo)流管(16)、控溫電阻(17)、步進(jìn)電機(jī)(19)、固定支架(22)、支撐板(23)、超聲換能器(24) 和真空機(jī)05)；中頻感應(yīng)熔爐O)、中轉(zhuǎn)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(shè)于真空罐⑴內(nèi)；真空罐⑴內(nèi)部空間被支撐板分為相互貫通的上下兩部分，罐體通過管路連接真空機(jī)(25)，側(cè)壁上開有進(jìn)出料口 G)，罐體內(nèi)部設(shè)有貫通上下的固定支架02)；中頻感應(yīng)熔爐(2)通過熔爐支架(XT)固定在支撐板03)上，并連接控制其運動的伺服電機(jī)機(jī)構(gòu)(8)；中轉(zhuǎn)坩堝(10)置于真空罐(1) 的中部，中頻感應(yīng)熔爐(2) —側(cè)的下方，且固定于支撐板03)上，外圍設(shè)有控溫電阻(17)， 并通過其底部的螺紋通孔與導(dǎo)流管(16)連接，中轉(zhuǎn)坩堝(10)中的熔融金屬通過通孔與導(dǎo)流管(16)組成的通路流下；步進(jìn)電機(jī)(19)位于中轉(zhuǎn)坩堝(10)上端并通過支桿固定于固定支架0 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(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)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 (13)上，整體置于真空罐(1)底部，且位于導(dǎo)流管(16)出口的下端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，其特征在于在真空罐(1)的底部設(shè)有收集由于過噴產(chǎn)生的粉末的除粉機(jī)構(gòu)(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，其特征在于所述伺服電機(jī)機(jī)構(gòu)8包括伺服電機(jī)09)和齒輪減速器(30)，伺服電機(jī)09)通過齒輪減速器(30)控制中頻感應(yīng)熔爐O)的轉(zhuǎn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，其特征在于中轉(zhuǎn)坩堝(10)上設(shè)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，其特征在于所述高壓氣體噴嘴(11)的下部有一圈集中流向?qū)Я鞴苷路降沫h(huán)縫出氣口，出氣口切線方向與豎直軸線10° 50°夾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，其特征在于所述高壓氣體噴嘴(11)的噴嘴內(nèi)部形狀為Laval型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，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。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備合金及金屬基復(fù)合材料零部件的噴射成形系統(tǒng)，其特征在于中頻感應(yīng)熔爐、中轉(zhuǎn)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(shè)于真空罐內(nèi)；真空罐體通過管路連接真空機(jī)，側(cè)壁上開有進(jìn)出料口，中頻感應(yīng)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(jī)機(jī)構(gòu)；中轉(zhuǎn)坩堝置于中頻感應(yīng)熔爐一側(cè)的下方，并通過其底部的螺紋通孔與導(dǎo)流管連接，超聲換能器工具頭固定于固定支架上。本發(fā)明能夠有效地細(xì)化霧化顆粒，提高金屬收得率，其技術(shù)路線先進(jìn)可靠、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量易于控制。
文檔編號B22F3/115GK102319898SQ201110311028
公開日2012年1月18日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者司朝潤, 張賢杰, 曹小寶, 李玉軍, 王俊彪 申請人:西北工業(yè)大學(xué)