應(yīng)用冷床熔煉的金屬增材制造方法及金屬零件和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬加工領(lǐng)域，具體的說，涉及一種應(yīng)用冷床熔煉的金屬增材制造方法及金屬零件和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]增材制造技術(shù)(Additive manufacturing, AM)是指通過逐層增加材料的方式將數(shù)字模型制造成三維實(shí)體物件的過程，其基本特征是分層制造。在金屬零件的制造方法中，以激光/電子束高能束流為熱源的增材制造技術(shù)得到迅速地發(fā)展。常用的金屬增材技術(shù)主要包括:電子束選區(qū)恪覆成形(Selective electron beam melting-SEBM)、電子束自由成形(Electron Beam Freeform Fabricat1n-EBFF)、激光選區(qū)恪覆成形(Selective lasermelting-SLM)、激光近凈成形(Laser Engineered Net Shaping-LENS)。基于高能束的金屬增材技術(shù)制備的金屬零件，均是通過高能束熔絲、熔粉，然后按照軌跡鋪覆后使其快速凝固，從而制備出金屬結(jié)構(gòu)。
[0003]攪拌摩擦焊接(Frict1n Stir welding，簡(jiǎn)稱FSW)技術(shù)是由英國(guó)焊接研宄所(Thewelding Institute，簡(jiǎn)稱TWI)發(fā)明的一項(xiàng)固相焊接技術(shù)。攪拌摩擦加工(FSP)是由美國(guó)密蘇里大學(xué)的Mishra博士基于攪拌摩擦焊(FSW)原理提出一種用于材料微觀組織改性和制造的方法。其基本思想是，利用攪拌頭所造成加工區(qū)材料的劇烈塑性變形、混合、破碎和熱暴露，實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細(xì)化。目前已經(jīng)采用該技術(shù)制備了晶粒尺寸為納米級(jí)的細(xì)晶鋁合金，其強(qiáng)度和塑性都得到很大提高。
[0004]冷床熔煉(簡(jiǎn)稱CHM)是利用高速運(yùn)動(dòng)的電子束或等離子弧作為熱源，將金屬熔化成鑄錠的一種真空熔煉設(shè)備。它由爐體、真空系統(tǒng)、槍(電子槍或等離子槍)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、坩禍及拉錠機(jī)構(gòu)、供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。冷床爐熔煉法與其它熔煉法最大的不同，就是有一個(gè)冷床，將熔化、精煉和結(jié)晶三個(gè)過程分開，液態(tài)金屬首先滴入熔煉區(qū)進(jìn)行熔化和初步精煉，再流入精煉區(qū)進(jìn)行充分精煉，消除原料中可能混雜的高、低密度夾雜物，確保流入坩禍區(qū)熔液的純凈化，最后在水冷坩禍內(nèi)冷凝成鑄錠，隨著熔化持續(xù)進(jìn)行，凝固的鑄錠在拉錠機(jī)構(gòu)的作用下，不斷從坩禍底部被拉出，最終形成一個(gè)整體鑄錠。CHM技術(shù)最顯著的優(yōu)勢(shì)是，在冷爐床床壁能形成凝殼，它能夠捕捉如W、C、Mo、Ta等高密度夾雜物，同時(shí)，在精練區(qū)，低密度夾雜顆粒在高溫液體中滯留時(shí)間延長(zhǎng)，可以確保低密度夾雜顆粒的完全溶解，從而有效地去除夾雜缺陷。
[0005]現(xiàn)有常用的金屬增材制造方法主要是基于高能束流(電子束或激光束)熔覆金屬絲、金屬粉末來制備零件，該方法得到的金屬結(jié)構(gòu)的組織是快速凝固組織，雖然晶粒得到細(xì)化，但是仍然是鑄態(tài)組織。而金屬鑄態(tài)組織并不能滿足一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件對(duì)組織和性能的綜合需求，既無法滿足對(duì)材料和結(jié)構(gòu)高強(qiáng)韌、高疲勞、高損傷容限的需求。再加上有的方法在制備過程中需要保護(hù)氣，容易在成形零件中造成不完全熔覆、氣孔等缺陷。這些問題使得增材制造技術(shù)還不能應(yīng)用于大部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。
[0006]現(xiàn)有的激光束、電子束增材制造技術(shù)，對(duì)設(shè)備要求高，成本較高，這也是目前增材制造技術(shù)制造零件成本較高的一個(gè)原因。為了克服現(xiàn)有一些金屬增材制造技術(shù)的不足，在提高成形零件性能的同時(shí)降低制造成本，并降低對(duì)增材制造設(shè)備的要求，需要一種新的金屬零件的增材制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種新的金屬增材制造方法，即一種應(yīng)用冷床熔煉的金屬增材制造方法。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供冷床熔煉在增材制造中的應(yīng)用。
[0009]為達(dá)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用冷床熔煉的金屬增材制造方法，所述方法包括將原料金屬通過冷床熔煉得到熔融金屬，再將熔融金屬按照預(yù)設(shè)軌跡鋪覆并同步進(jìn)行熱機(jī)械處理以形成預(yù)制坯，所述同步進(jìn)行熱機(jī)械處理是對(duì)剛剛鋪覆后的處于塑性狀態(tài)的金屬進(jìn)行熱機(jī)械處理，這樣逐層逐行地鋪覆并同步進(jìn)行熱機(jī)械處理，最后得到最終產(chǎn)品O
[0010]其中優(yōu)選在得到最終產(chǎn)品前還包括后處理的步驟；
[0011]其中所述后處理可以為現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的后處理操作，本發(fā)明優(yōu)選所述后處理為數(shù)控加工和/或表面處理。
[0012]本發(fā)明將冷床熔煉應(yīng)用于金屬的增材加工，可以改善金屬的組織形態(tài)。這種方法對(duì)原材料的要求低、效率高、成本低、制備的零件組織是均勻、性能穩(wěn)定的熱機(jī)械處理組織，對(duì)設(shè)備的要求低，可適用于制造各種航空航天用鈦合金、高溫合金、鋁合金、高強(qiáng)鋼零件。
[0013]其中可以理解的是，本發(fā)明可以通過調(diào)整工藝參數(shù)，來調(diào)控零件不同位置的組織，從而獲得雙性能零件。
[0014]也可以采用一種金屬原材料熔煉+熱機(jī)械處理后，繼續(xù)對(duì)另一種原材料進(jìn)行熔煉+熱機(jī)械處理，從而制備出雙材料零件，也可以用來制備層狀復(fù)合材料。
[0015]其中還可以理解的是，為了加工的方便，可以將熔融金屬按照預(yù)設(shè)軌跡鋪覆到基板上，然后立刻對(duì)剛剛鋪覆的尚處于良好塑性狀態(tài)的金屬進(jìn)行熱機(jī)械處理，從而逐層逐行地成形出預(yù)制坯。
[0016]本發(fā)明提出基于冷床熔煉的方法來熔覆金屬，然后對(duì)熔覆的尚未處于良好塑性狀態(tài)的金屬立刻進(jìn)行攪拌摩擦加工等熱機(jī)械處理，使其發(fā)生熱機(jī)械變形，細(xì)化晶粒，改善其組織狀態(tài)，提高其力學(xué)性能，最終制備出高性能的金屬零件。
[0017]其中所述熱機(jī)械處理可以為現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的熱機(jī)械處理，譬如可以為軋制、攪拌摩擦加工或者鍛造；
[0018]其中優(yōu)選的是攪拌摩擦加工；
[0019]本發(fā)明發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦加工可以更好的對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。
[0020]技術(shù)常規(guī)的設(shè)備，其中本發(fā)明優(yōu)選的為所述冷床熔煉的冷床設(shè)置兩只熔煉槍；[0021 ] 其中所述熔煉槍可以為電子束熔煉槍或者等離子熔煉槍。
[0022]兩只熔煉槍的功率可以根據(jù)加工需要來確定，本發(fā)明為了提高加工效率及產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)選的為，兩只熔煉槍的功率從靠近冷床送料端起分別為2kw?1kw和0.5kw?3kw。
[0023]其中還可以優(yōu)選分別為3kw和lkw。
[0024]其中靠近送料端的熔煉槍用于將冷床上的金屬熔化，遠(yuǎn)離送料端的熔煉槍用于在金屬溶液從冷床上滴下時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱，以防止其在鋪覆到預(yù)制坯上之前凝固。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的方法，本發(fā)明的方法可以進(jìn)一步優(yōu)選具體包括如下步驟:
[0026](I)將原料金屬通過冷床的送料裝置傳送到水冷床上；
[0027](2)開啟熔煉槍對(duì)原料金屬進(jìn)行熔煉，形成熔融金屬；
[0028](3)熔融金屬流經(jīng)水冷床，按照預(yù)設(shè)軌跡鋪覆并同步進(jìn)行熱機(jī)械處理以形成到預(yù)制坯上，所述同步進(jìn)行熱機(jī)械處理是并對(duì)剛剛鋪覆后的尚處于良好塑性狀態(tài)的金屬進(jìn)行熱機(jī)械處理，這樣逐層逐行地鋪覆金屬并同步后立刻進(jìn)行熱機(jī)械處理，得到預(yù)設(shè)形狀的預(yù)制坯；
[0029](4)對(duì)步驟(3)得到的預(yù)設(shè)形狀的預(yù)制坯進(jìn)行后處理，得到最終產(chǎn)品。
[0030]其中步驟(4)所述后處理可以為現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的后處理操作，譬如本發(fā)明可以為數(shù)控加工和/或表面處理。
[0031]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述熱機(jī)械處理為軋制、攪拌摩擦加工或者鍛造；
[0032]其中優(yōu)選所述攪拌摩擦加工為有針攪拌摩擦加工或者無針攪拌摩擦加工。
[0033]其中可以理解的是，本發(fā)明所述的預(yù)制坯，可以認(rèn)為是在熔融金屬鋪覆和熱機(jī)械處理過程中所形成的預(yù)制坯，甚至在鋪覆和熱機(jī)械處理結(jié)束后所形成的也可稱為預(yù)制坯；
[0034]其中包括在開始階段將熔融金屬按照預(yù)設(shè)軌跡鋪覆和熱機(jī)械處理在基板上，然后再逐層鋪覆和熱機(jī)械處理得到中間狀態(tài)的預(yù)制坯，直至鋪覆結(jié)束得到與最終產(chǎn)品大致相當(dāng)?shù)淖罱K狀態(tài)的預(yù)制坯；
[0035]當(dāng)嚴(yán)格控制鋪覆和熱機(jī)械處理的精度時(shí)，甚至最終狀態(tài)的預(yù)制坯可與最終產(chǎn)品接近于一致，只需進(jìn)行少量的數(shù)控加工等后續(xù)加工，既可以獲得最終形狀的零件，加工余量一般只有0.5mm?1mm，甚至更少。
[0036]其中本發(fā)明的方法還可以進(jìn)一步具體包括:
[0037](I)將原材料I加入到送料斗2中，原材料可以是塊材、粉末、板材以及各種形式的金屬材料的邊角料；
[0038](2)原材料I經(jīng)由送料斗2被傳送到水冷床3上；
[0039]開啟高能束熔煉槍一 5、高能束熔煉槍二 6，對(duì)原材料I進(jìn)行熔煉，形成熔融金屬7 ；
[0040](3)熔融金屬7流經(jīng)水冷床3，按照軌跡鋪覆到預(yù)制坯9 (即將熔融金屬按照預(yù)設(shè)軌跡鋪覆并同步進(jìn)行熱機(jī)械處理以形成的預(yù)制坯)上，立刻采用熱機(jī)械處理頭8對(duì)剛剛鋪覆的尚處于良好塑性狀態(tài)的金屬進(jìn)行熱機(jī)械處理，改善其組織和性能；
[0041](4)在數(shù)控程序控制下，熔融金屬7和熱機(jī)械處理頭8按照一定的軌跡