薄層快速凝固成型裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種薄層快速凝固成型裝置及方法。本裝置包括。本發(fā)明通過在工作腔室內(nèi)放置窄縫狀噴嘴，從噴嘴中連續(xù)流出液態(tài)金屬薄層，薄層在一個(gè)連續(xù)移動且強(qiáng)制冷卻的移動臺上快速凝固，直至達(dá)到所需尺寸的零件。本發(fā)明生產(chǎn)效率高、成本相對低廉，適合于大鑄錠的生產(chǎn)。
【專利說明】薄層快速凝固成型裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種薄層快速凝固成型裝置及方法，屬于材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]材料在人類的日常生活及生產(chǎn)實(shí)踐中都是不可或缺的。隨著人類社會文明的日益進(jìn)步，對材料的生產(chǎn)工藝及最終性能的要求也是逐步提高。眾所周知，材料的最終性能是由材料中的各種缺陷、組織形貌、相組成以及溶質(zhì)分布決定的。幾乎在所有的材料，尤其是金屬材料的生產(chǎn)及加工過程中都會經(jīng)歷一個(gè)由液態(tài)到固態(tài)的凝固過程，同時(shí)凝固過程對材料的最終性能具有決定性的影響。因此，通過對材料的凝固過程進(jìn)行控制，進(jìn)而獲得所期望的材料性能的技術(shù)或加工工藝一直以來是材料及冶金科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)。
[0003]制造高質(zhì)量的大鑄錠一直以來是材料加工領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)。通過傳統(tǒng)的模鑄生產(chǎn)的大鑄錠，晶粒組織粗大、宏觀偏析嚴(yán)重，同時(shí)由于縮孔的形成，嚴(yán)重降低材料的利用率。通過在大鑄錠凝固的過程中施加外場，如脈沖電流、電磁攪拌等方法可以明顯的細(xì)化晶粒組織，但是對宏觀偏析改善不明顯，甚至?xí)鸶鼑?yán)重的宏觀偏析。因此，開發(fā)既可以細(xì)化晶粒組織，同時(shí)可以抑制宏觀偏析的技術(shù)是非常必要的。
[0004]快速冷卻成型技術(shù)是一種獲得細(xì)小晶粒組織同時(shí)抑制宏觀偏析的方法，如激光快速成型技術(shù)、液滴快速成型技術(shù)等。通過這些技術(shù)不僅可以制造形狀極為復(fù)雜的試樣，還可以獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，其力學(xué)性能甚至可以和鍛造方法制造的試樣相媲美。但是目前的快速冷卻成型技術(shù)生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，并不適合大鑄錠的生產(chǎn)。因此本發(fā)明提供一種可以高效率生產(chǎn)大型尺寸零件的快速冷卻凝固成型技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是針對已有技術(shù)的不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)薄層逐層快速凝固的薄層快速凝固裝置和方法，生產(chǎn)效率高，成本低并適合大鑄錠的生產(chǎn)。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種薄層逐層快速凝固成型裝置，包括坩堝密封蓋(I)、坩堝測溫元件(2)、坩堝(3)、坩堝加熱器(4)、真空室(5)、噴嘴加熱器(6)、噴嘴(7)、噴嘴測溫元件(8)、強(qiáng)制冷卻臺
(9)、三維移動平臺(10)、微機(jī)控制系統(tǒng)(11)、真空泵(12)，其特征在于:所述坩堝密封蓋
(I)、坩堝測溫元件(2)、坩堝(3)和坩堝加熱器(4)組成的坩堝系統(tǒng)固定在真空室(5)上方；噴嘴(7)上端和坩堝(3)底部聯(lián)通，位于真空室(5)內(nèi)；強(qiáng)制冷卻臺(9)位于噴嘴(7)下端的正下方，并和三維移動平臺(10)的上部相連；三維移動平臺(10)放置于真空室(5)的底部；微機(jī)控制系統(tǒng)(11)位于真空室(5)外，且坩堝測溫元件(2)、坩堝加熱器(4)、噴嘴加熱器(6)、噴嘴測溫元件(8)、三維移動平臺(10)以及真空泵(12)通過導(dǎo)線與之相連。
[0007]所述噴嘴(7)下端為窄縫狀，縫寬為0.1-lOOmm，長度為l_2000mm。從噴嘴中流出的金屬液流速控制在Ο-lOOOm/s。在所述坩堝(3)內(nèi)和噴嘴(7)外壁分別放置與微機(jī)控制系統(tǒng)(11)相連的測溫元件(2、8)，在坩堝(3)和噴嘴(7)內(nèi)壁外圍包裹加熱器(4、6)。所述強(qiáng)制冷卻臺(9)內(nèi)有循環(huán)冷卻水，冷卻水溫度設(shè)定為20°C。在所述微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中設(shè)定溫度后，可通過與之相連的測溫元件以及加熱器對溫度進(jìn)行控制；微機(jī)控制系統(tǒng)(11)儲存有需要加工零件的尺寸數(shù)據(jù)，然后對零件的三維模型進(jìn)行分層，進(jìn)而對三維移動平臺(10)的位移進(jìn)行控制。
[0008]一種薄層逐層快速凝固成型方法，采用上述裝置進(jìn)行成型操作，其特征在于操作步驟如下:
1).在微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中輸入需要加工的零件的尺寸數(shù)據(jù)；
2).在坩堝(3)中加入需要熔煉的金屬，然后密封坩堝蓋(I)和真空室(5)抽真空；
3).在微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中設(shè)定坩堝溫度，通過坩堝加熱器(4)加熱，熔化坩堝(3)中的金屬；
4).在微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中設(shè)定噴嘴溫度，通過噴嘴加熱器(6 )加熱，使噴嘴(7 )中的溫度高于金屬的熔點(diǎn)，最后坩堝(3)中的金屬液在自身重力作用下從窄縫狀噴嘴下端流出金屬液薄層；
5).啟動強(qiáng)制冷卻臺(9 )和三維移動平臺(10 )，按設(shè)定軌跡和速度進(jìn)行來回移動，進(jìn)而加工出零件。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)
I K
少:
1.本發(fā)明的成型設(shè)備和方法，生產(chǎn)效率高于目前的3D打印技術(shù)，且成本相對低廉。
[0010]2.本發(fā)明的成型設(shè)備和方法，可生產(chǎn)大尺寸的薄板和鑄錠，且可同時(shí)得到晶粒細(xì)化和成分分布均勻的凝固組織。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的薄層快速凝固成型裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]現(xiàn)將本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例敘述于后:
實(shí)施例一:
參見圖1，本薄層快速逐層快速凝固成型裝置，包括坩堝密封蓋(I)、坩堝測溫元件
(2)、坩堝(3)、坩堝加熱器(4)、真空室(5)、噴嘴加熱器(6)、噴嘴(7)、噴嘴測溫元件(8)、強(qiáng)制冷卻臺(9)、三維移動平臺(10)、微機(jī)控制系統(tǒng)(11)、真空泵(12)，其特征在于:所述坩堝密封蓋(I)、坩堝測溫元件(2)、坩堝(3)和坩堝加熱器(4)組成的坩堝系統(tǒng)固定在真空室
(5)上方；噴嘴(7)上端和坩堝(3)底部聯(lián)通，位于真空室(5)內(nèi)；強(qiáng)制冷卻臺(9)位于噴嘴
(7)下端的正下方，并和三維移動平臺(10)的上部相連；三維移動平臺(10)放置于真空室
(5)的底部；微機(jī)控制系統(tǒng)(11)位于真空室(5)外，且坩堝測溫元件(2)、坩堝加熱器(4)、噴嘴加熱器(6)、噴嘴測溫元件(8)、三維移動平臺(10)以及真空泵(12)通過導(dǎo)線與之相連。
[0013]實(shí)施例二:
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特征之處如下:
所述噴嘴(7)下端為窄縫狀，縫寬為0.1-100_，長度為1-2000_。從噴嘴中流出的金屬液流速控制在Ο-lOOOm/s。在所述坩堝(3)內(nèi)和噴嘴(7)外壁分別放置與微機(jī)控制系統(tǒng)(11)相連的測溫元件(2、8)，在坩堝(3)和噴嘴(7)內(nèi)壁外圍包裹加熱器(4、6)。所述強(qiáng)制冷卻臺(9)內(nèi)有循環(huán)冷卻水，冷卻水溫度設(shè)定為20°C。在所述微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中設(shè)定溫度后，可通過與之相連的測溫元件以及加熱器對溫度進(jìn)行控制；微機(jī)控制系統(tǒng)(11)儲存有需要加工零件的尺寸數(shù)據(jù)，然后對零件的三維模型進(jìn)行分層，進(jìn)而對三維移動平臺(10)的位移進(jìn)行控制。
[0014]實(shí)施例三:
本實(shí)施例中采用本發(fā)明的薄層快速凝固成型裝置制備金屬零件的步驟如下:
1).打開坩堝蓋(I)，在坩堝(3)中加入22千克Al-17%wt.Si合金，然后在微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中輸入零件尺寸0.2mX 0.2mX 0.2m，并進(jìn)行分層和軌跡設(shè)定；
2).密封坩堝蓋(I)和真空室(5)，抽真空；
3).在微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中設(shè)定坩堝加熱溫度為750°e，然后啟動坩堝加熱器(4)對Al-Si合金進(jìn)行熔煉。
[0015]4).在微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中設(shè)定噴嘴加熱溫度為700°e，然后啟動噴嘴加熱器(6)對噴嘴進(jìn)行加熱；
5).啟動強(qiáng)制冷卻臺(9)和三維移動平臺(10)，使從窄縫狀噴嘴中流出的金屬薄層不斷的沉積在強(qiáng)制冷卻臺(9)上，直至達(dá)到所需尺寸的零件；
6).待零件冷卻后取出。
[0016]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些實(shí)施例。依據(jù)本發(fā)明構(gòu)思和基本原理的前提下，做出若干簡單替換和改變，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種薄層逐層快速凝固成型裝置，包括坩堝密封蓋(I)、坩堝測溫元件(2)、坩堝(3)、坩堝加熱器(4)、真空室(5)、噴嘴加熱器(6)、噴嘴(7)、噴嘴測溫元件(8)、強(qiáng)制冷卻臺(9)、三維移動平臺(10)、微機(jī)控制系統(tǒng)(11)、真空泵(12)，其特征在于:所述坩堝密封蓋(I)、坩堝測溫元件(2)、坩堝(3)和坩堝加熱器(4)組成的坩堝系統(tǒng)固定在真空室(5)上方；噴嘴(7)上端和坩堝(3)底部聯(lián)通，位于真空室(5)內(nèi)；強(qiáng)制冷卻臺(9)位于噴嘴(7)下端的正下方，并和三維移動平臺(10)的上部相連；三維移動平臺(10)放置于真空室(5)的底部；微機(jī)控制系統(tǒng)(11)位于真空室(5)外，且坩堝測溫元件(2)、坩堝加熱器(4)、噴嘴加熱器(6)、噴嘴測溫元件(8)、三維移動平臺(10)以及真空泵(12)通過導(dǎo)線與之相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種薄層逐層快速凝固成型裝置，其特征在于噴嘴(7)下端為窄縫狀，縫寬為0.1-lOOmm，長度為l_2000mm ;從噴嘴中流出的金屬液流速控制在O-1OOOm/S。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種薄層逐層快速凝固成型裝置，其特征在于在坩堝(3)內(nèi)和噴嘴(7)外壁分別放置與微機(jī)控制系統(tǒng)(11)相連的測溫元件(2、8)，在坩堝(3)和噴嘴(7)內(nèi)壁外圍包裹加熱器(4、6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種薄層逐層快速凝固成型裝置，其特征在于強(qiáng)制冷卻臺(9)內(nèi)有循環(huán)冷卻水，冷卻水溫度設(shè)定為20°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種薄層逐層快速凝固成型裝置，其特征在于在微機(jī)控制系統(tǒng)(II)中設(shè)定控制溫度后，可通過與之相連的測溫元件以及加熱器對溫度進(jìn)行控制；微機(jī)控制系統(tǒng)(11)儲存有需要加工零件的尺寸數(shù)據(jù)，然后對零件的三維模型進(jìn)行分層，進(jìn)而對三維移動平臺(10)的位移進(jìn)行控制。
6.一種薄層逐層快速凝固成型方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄層逐層快速凝固成型裝置進(jìn)行成型操作，操作步驟如下: 1).在微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中輸入需要加工的零件的尺寸數(shù)據(jù)； 2).在坩堝(3)中加入需要熔煉的金屬，然后密封坩堝蓋(I)和真空室(5)抽真空； 3).在微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中設(shè)定坩堝溫度，通過坩堝加熱器(4)加熱，熔化坩堝(3)中的金屬； 4).在微機(jī)控制系統(tǒng)(11)中設(shè)定噴嘴溫度，通過噴嘴加熱器(6 )加熱，使噴嘴(7 )中的溫度高于金屬的熔點(diǎn)，最后坩堝(3)中的金屬液在自身重力作用下從窄縫狀噴嘴下端流出金屬液薄層； 5).啟動強(qiáng)制冷卻臺(9 )和三維移動平臺(10 )，按設(shè)定軌跡和速度進(jìn)行來回移動，進(jìn)而加工出零件。
【文檔編號】B22D23/00GK104001906SQ201410223932
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】張?jiān)苹? 申正焱, 苗信成, 宋長江, 翟啟杰 申請人:上海大學(xué)