一種基于電子束與離子束復(fù)合技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控快速成型制造的設(shè)備及利用其制備零件的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于電子束與離子束復(fù)合技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控快速成型制造的設(shè)備及利用其制備零件的方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及快速成型領(lǐng)域，具體涉及一種基于電子束與離子束復(fù)合技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控快速成型制造的設(shè)備及利用其制備零件的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]快速成型技術(shù)是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的一種用材料逐層或逐點(diǎn)堆積出器件的制造方法，主要是通過(guò)綜合機(jī)械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料等科學(xué)技術(shù)，把三維零件轉(zhuǎn)化為由一系列二維零件截面制造的疊加。對(duì)于金屬材料，目前普遍采用的是采用激光在氣體保護(hù)下進(jìn)行金屬粉末的燒結(jié)或熔化，但在燒結(jié)某些特種金屬(如鎢、鈦)及高溫合金特種性能金屬材料關(guān)鍵件時(shí)普通的激光快速成型便會(huì)顯現(xiàn)出強(qiáng)度不高、吹粉、球化、殘余應(yīng)力高及表面粗糙高等缺點(diǎn)。目前在快速成型制造過(guò)程中僅有利用視覺(jué)監(jiān)控外形尺寸，沒(méi)有原位監(jiān)控微觀(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)備，我們無(wú)從知道零部件的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，也就不能對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行更好地控制。
[0004]電子束快速成型技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種快速制造技術(shù)。電子束快速成型制造出的零件材料純度高(在真空中進(jìn)行制造處理)，也許可以使零件達(dá)到?jīng)]有晶界或者只有單晶的情況，可以保證材料成型的靈活性和高能效以及優(yōu)越的高溫蠕變性能。通過(guò)電子束進(jìn)行快速成型制造的材料，微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)均勻完整，顯著減小了材料的晶粒尺寸，可以很大程度上減少或避免強(qiáng)度不高、吹粉、球化、殘余應(yīng)力高及表面粗糙高等缺點(diǎn)。電子束的聚焦直徑可達(dá)到0.1 μ??以?xún)?nèi)，適于對(duì)零件的高精度加工。
[0005]離子束與電子束產(chǎn)生原理類(lèi)似，不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬(wàn)倍，如氬離子的質(zhì)量是電子的7.2萬(wàn)倍，即使最輕的氫原子質(zhì)量也是電子質(zhì)量的1840倍，因而離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能，這是因?yàn)樗强课⒂^(guān)的機(jī)械撞擊能量，而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加工的，不會(huì)引起機(jī)械力和損傷，可以加工出更高精度和質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。此外，離子束的聚焦直徑可以達(dá)到1nm以下，其精細(xì)加工能力明顯優(yōu)于電子束，但其成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)目前快速成型制造方法中存在的強(qiáng)度不高、吹粉、球化、殘余應(yīng)力高及表面粗糙高等缺陷，結(jié)合電子束和離子束技術(shù)以及原位測(cè)量技術(shù)，提供了一種基于電子束與離子束復(fù)合技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控快速成型制造的設(shè)備及利用其制備零件的方法。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
一種基于電子束與離子束復(fù)合技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控快速成型制造的設(shè)備，包括真空室100和控制與顯示系統(tǒng)130，所述真空室100中設(shè)有可三維移動(dòng)的工作臺(tái)101、進(jìn)料和鋪料裝置108、快速成型裝置120和實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置110 ;所述可三維移動(dòng)的工作臺(tái)101中設(shè)有冷卻液流通管道109 ;所述快速成型裝置120為電子束設(shè)備107 ;所述真空室100、可三維移動(dòng)的工作臺(tái)101、進(jìn)料和鋪料裝置108、快速成型裝置120和實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置110均與真空室100外的控制與顯示系統(tǒng)130相連。
[0008]所述快速成型裝置120還包括與電子束設(shè)備107集成的尚子束設(shè)備106，電子束設(shè)備107與尚子束設(shè)備106可同時(shí)運(yùn)動(dòng)。
[0009]所述電子束裝置的工作模式為連續(xù)式、脈沖式或高頻掃描式。
[0010]所述實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)110包括掃描電鏡系統(tǒng)113、X射線(xiàn)衍射儀114、紅外攝像儀115、質(zhì)譜儀116中的一種或幾種。
[0011]所述實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)110包括掃描電鏡系統(tǒng)113、x射線(xiàn)衍射儀114、紅外攝像儀115和質(zhì)譜儀116。
[0012]所述掃描電鏡系統(tǒng)113、X射線(xiàn)衍射儀114、紅外攝像儀115和質(zhì)譜儀116集成在一起。
[0013]所述掃描電鏡系統(tǒng)包括二次電子探頭、能譜儀和背散射探頭。
[0014]所述冷卻液為水或液氮。
[0015]一種利用上述設(shè)備制備零件的方法，包括如下步驟:
(1)利用進(jìn)料和鋪料裝置向工作平臺(tái)上傳送并鋪設(shè)原材料，預(yù)熱；
(2)開(kāi)啟電子束裝置，對(duì)經(jīng)步驟(I)預(yù)熱后的原料進(jìn)行選擇性?huà)呙锜Y(jié)，開(kāi)啟實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品的表面形貌、化學(xué)成分和相結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控，并將測(cè)定結(jié)果反饋給控制與顯示系統(tǒng)，調(diào)整快速成型制造工藝參數(shù)；
(3)將工作平臺(tái)向下移動(dòng)，然后依次反復(fù)重復(fù)步驟(I)和(2)直到完成零件的快速成型制造。
[0016]上述方法的步驟(2)中還包括以下步驟:使用離子束對(duì)已成型的沒(méi)有達(dá)到零件加工精度要求的區(qū)域進(jìn)行精細(xì)加工并選擇性地冷卻零件。
[0017]所述零件為模具、傳感器、金屬零件或陶瓷零件。所述零件為金屬零件、聚合物零件、陶瓷零件或復(fù)合材料零件。
[0018]所述的原材料為金屬材料、聚合物、陶瓷或復(fù)合材料。
[0019]所述金屬材料為金屬線(xiàn)條或金屬粉末，所述陶瓷為陶瓷漿料，所述聚合物為聚合物凝膠。
[0020]可三維移動(dòng)的工作臺(tái)101、進(jìn)料和鋪料裝置108、快速成型裝置120和實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置110都設(shè)置在在真空室內(nèi)，都獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，但都與控制系統(tǒng)連接。
[0021]所述控制與顯示系統(tǒng)130可以實(shí)時(shí)顯示快速成型的加工過(guò)程以及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)所檢測(cè)的零件加工質(zhì)量，同時(shí)可以協(xié)調(diào)控制所有設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。
[0022]該設(shè)備可以加工任何結(jié)構(gòu)復(fù)雜或加工精度要求高的零部件。本發(fā)明所述的基于電子束與離子束復(fù)合技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控快速成型制造設(shè)備和方法，所述的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與快速成型制造設(shè)備主要包括電子束裝置、離子束裝置、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、進(jìn)料和鋪料裝置、工作臺(tái)、真空室、控制與顯示系統(tǒng)，其特征在于:
所述電子束裝置在高壓下產(chǎn)生高強(qiáng)電子束流，然后通過(guò)聚焦系統(tǒng)和成形控制系統(tǒng)由電子槍發(fā)射，電子束裝置可選擇不同的工作模式:連續(xù)式、脈沖式、高頻掃描式等。電子束用于對(duì)原材料進(jìn)行選擇性燒結(jié)熔化及固化，其聚焦直徑可以達(dá)到0.1um以?xún)?nèi)。
[0023]所述離子束裝置是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速聚焦并用離子槍發(fā)射，主要包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等對(duì)電子束快速成型制造的器件進(jìn)行精細(xì)加工，如表面拋光、刻蝕小孔或修改微結(jié)構(gòu)等，其精度可以達(dá)到1nm以下；
所述實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包括掃描電鏡系統(tǒng)、質(zhì)譜儀，紅外攝像儀和X射線(xiàn)衍射儀等組成。掃描電鏡(SEM)配備了二次電子探頭、能譜儀(EDS )和背散射探頭(EBSD )，通過(guò)檢測(cè)掃描電鏡激發(fā)出的二次電子、特征X射線(xiàn)和背散射電子分別用來(lái)分析零件的表面形貌、材料的元素種類(lèi)與含量、進(jìn)行相分析和獲得界面(晶界)參數(shù)及檢測(cè)塑性應(yīng)變；質(zhì)譜儀用來(lái)分離和檢測(cè)同位素，進(jìn)一步分析零件的成分；X射線(xiàn)衍射儀用來(lái)精確測(cè)定零件的晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力，進(jìn)行物相分析；紅外攝像儀用來(lái)獲得熔池及近鄰的溫度場(chǎng)和幾何形貌。電子束、離子束和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，從而可以有效控制加工和檢測(cè)的協(xié)調(diào)性。
[0024]本發(fā)明的設(shè)備中，電子槍、離子槍和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)安裝在真空環(huán)境中，可以實(shí)現(xiàn)在加工和檢測(cè)所需要的運(yùn)動(dòng)，原材料和加工零件由工作臺(tái)承載，工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)內(nèi)部設(shè)有液體管道，裝有內(nèi)冷液體(水，液氮等)，制造過(guò)程是在真空裝置中進(jìn)行，為電子束和離子束快速成型及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了良好的真空加工環(huán)境。
[0025]本發(fā)明的快速成型制造方法，主要工作流程為:
(1)在工作平臺(tái)上，傳送并鋪設(shè)厚度一定(厚度的設(shè)定是根據(jù)零件對(duì)精度的要求而定)的原材料后預(yù)熱(預(yù)熱的溫度和時(shí)間取決于使用的材料的性質(zhì))；
(2)使用電子束進(jìn)行選擇性?huà)呙锜Y(jié)，隨后使用掃描電極和X射線(xiàn)衍射儀檢測(cè)產(chǎn)品的表面形貌、化學(xué)成分和相結(jié)構(gòu)，將結(jié)果反饋給控制中心，調(diào)整相關(guān)的快速成型制造工藝參數(shù)(包括冷卻速度)，如有必要?jiǎng)t使用離子束對(duì)已成型的特定區(qū)域進(jìn)行精細(xì)加工并選擇性地冷卻零件；
工作平臺(tái)向下移動(dòng)一定距離，繼續(xù)供給金屬材料，重復(fù)上述過(guò)程直到完成零件的快速成型制造。
[0026]根據(jù)產(chǎn)品的要求，并非以上所有的檢測(cè)手段和加熱冷卻手段都需要同時(shí)使用，但這些裝備和手段使得本系統(tǒng)具有通用性，對(duì)工件實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)任意尺度形狀成分和微觀(guān)組織的在線(xiàn)控制。
[0027]本發(fā)明提出了一種基于電子束與離子束復(fù)合技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控快速成型制造的設(shè)備及利用其制備零件的方法，所述設(shè)備主要包括電子束裝置、離子束裝置、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，電子束對(duì)金屬材料進(jìn)行掃描燒結(jié)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的加工過(guò)程和零件的形貌、微觀(guān)結(jié)構(gòu)及成分的測(cè)量分析并反饋給控制系統(tǒng)，如有需要?jiǎng)t啟動(dòng)離子束設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步精加工，電子束、離子束和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，從而可以有效控制加工和檢測(cè)的協(xié)調(diào)性。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零件的快速成型和微觀(guān)結(jié)構(gòu)的精密加工，使用實(shí)時(shí)監(jiān)控提高了零件微觀(guān)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的控制能力，為制造高強(qiáng)度、高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件提供一種新的設(shè)備和方法。
[0028]一種基于電子束與離子束復(fù)合技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控快速成型制造設(shè)備，所述的快速成型制造設(shè)備包括電子束裝置、離子束裝置、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、進(jìn)料和鋪料裝置、工作臺(tái)、真空室、控制系統(tǒng)等，其特征在于:
所述的電子束裝置用于對(duì)金屬材料進(jìn)行選擇性燒結(jié)熔化；所述離子束裝置用來(lái)對(duì)電子束快速成型制造的器件進(jìn)行精細(xì)加工；所述實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包括掃描電鏡、X射線(xiàn)衍射儀、