CN107584118B - 增材制造用锻压热处理一体化装置及进行增材制造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造用锻压热处理一体化装置，包括用于对沉积层进行加热的加热元件、用于对加热区域进行锻打的锻压元件和用于检测加热区域温度的测温元件；还包括控制元件，所述加热元件、锻压元件和测温元件分别与控制元件电联接。本发明可大大提高增材制造金属材料的致密度，消除内部应力，减少缺陷，控制和改善内部晶粒结构，从而提高材料的力学性能；另外，本发明的技术具有更高的可操作性，可以根据工艺需要控制锻打的时间、温度；可以适用于更多的3D打印方式。

Description

增材制造用锻压热处理一体化装置及进行增材制造的方法

技术领域

本发明属于增材制造领域技术领域，具体涉及增材制造用锻压热处理一体化装置，尤其涉及一种金属增材制造过程中用的锻压热处理装置。

背景技术

航空、航天、船舶、电力和石化等现代工业高端装备正在向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠性、长寿命服役的方向快速发展，其钛合金、高强钢和耐热合金等关键金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高。相应的制造技术要求越来越高、挑战日益严峻，采用铸造、锻造和机加工等传统制造技术生产上述大型、整体、高性能金属构件，不仅需要重型铸造、锻造和机加工装备及大型模具，技术难度大，而且，材料切削量大、材料利用率低、周期长、成本高，金属构件高能束“快速制造”技术，也称为“增材制造”技术，俗称“3D打印技术”，是一种采用高能束（激光、电子束、等离子束）等作为热源，通过材料逐层添加堆积、实现构件无模成形的数字化制造技术。高能束快速制造技术将“材料制备/精确成形”有机融为一体、并将三维复杂形状零件制造离散为简单的二维平面形状的逐层叠加，为设计人员奇思妙想的实现特别是高性能或超常性能构件和结构的实现提供了有效的途径。同时该技术更能大幅度缩短生产周期、降低制造成本、节省材料消耗和加工制造费用，在高端装备的研制、生产和使用维护等方面都拥有巨大的市场价值和广阔的市场应用前景。

现有的高能束快速制造技术一般只通过控制熔化原料进行堆垛成型，加工过程对零件无其他处理方式。所以，常规的增材制造零件通常存在诸多不足如：1.没有经过锻造，金属抗疲劳性能严重不足；2.零件内部不可避免的存在气孔、未熔合等缺陷；3.内应力不能及时释放，容易造成应力集中而开裂。而对于如激光和电子束等热源，由于打印过程中，金属熔池的冷却速度非常快，熔池存在时间非常短，无法对其进行进一步的处理。针对以上问题，本发明提供了一种可在高能束快速制造过程中对零件进行锻造和热处理的装置，从而可对金属增材制造过程的组织进行控制和优化，减少缺陷的产生，提高打印零件的性能。

华中科技大学张海鸥教授团队针对电弧增材制造的技术特点，采用“智能微铸锻铣复合制造技术”的方式对金属零件进行加工制造，实现了3D打印锻态等轴细晶化、高均匀致密度、高强韧、形状复杂的金属锻件的制造。其成形原理如图1所示，在等离子熔融热源的后面，添加了一个锻压装置，在熔池冷却到半固态以后，施行连续锻压，将粗大的柱状晶锻造成细小等轴晶，提高材料的力学性能。图1所示的装置只是针对电弧增材制造，对于激光和电子束等熔池冷却速度较快的增材制造技术并不适用，且锻造工艺单一，无法选择锻压温度和锻压时间，对于不同材料，效果可能存在较大差异。

发明内容

本发明针对现有增材制造技术无法对金属零件的显微组织提供过程优化处理的问题，提供一种可在高能束快速制造过程中对零件进行锻造和热处理的增材制造用锻压热处理一体化装置，可对金属增材制造过程的组织进行控制和优化，减少缺陷的产生，提高打印零件的性能。

本发明的技术方案为：增材制造用锻压热处理一体化装置，包括用于对沉积层进行加热的加热元件、用于对加热区域进行锻打的锻压元件和用于检测加热区域温度的测温元件；还包括控制元件，所述加热元件、锻压元件和测温元件分别与控制元件电联接。所述的沉积层是指金属增材制造过程中，金属粉末或者金属丝等原料经高温熔接之后，凝固形成的堆积层。

进一步地，所述加热元件是指可以将沉积层加热至所需温度的元件，包括但不限于等离子体加热器、电弧加热器、感应加热器、电子束加热器、乙炔火焰加热器、钨极氩弧加热器、激光加热器、红外加热器、微波加热器、介电加热器中的一种。优选地，采用等离子体加热器、电子束加热器、电弧加热器、激光加热器；进一步优选地，采用电弧加热器。

加热元件可用于加热金属到合适的锻打温度，或者通过加热应力集中点，消除加工内应力。

锻压元件可以对特定的区域进行锻打，在加热装置加热到预定温度后，对加热区域实行连续锻打。

进一步地，所述测温元件为非接触式测温元件。

优选地，所述测温元件为红外测温仪。

进一步度，所述的加热元件、锻压元件、测温元件可以集成在一个模块，或者分别设置，比如在具体使用时，分别安装在增材制造装置中的合适位置，使得测温元件可以检测待锻打区域/位置的温度，加热元件对锻打区域/位置进行预热。

在一些情况下，不经过锻造的组织为沿成形方向的柱状晶，而锻造可形成细小的等轴晶。

基于同一个发明构思，一种增材制造设备，安装有如上所述的锻压热处理一体化装置。

一种利用上述的增材制造设备进行增材制造的方法，包括如下步骤：

S1、控制熔化原料进行堆垛成型；

S2、利用锻压热处理一体化装置对已堆积的金属层进行热处理和/或锻打。

进一步地，步骤S1中，堆垛成型通过熔丝或熔粉的方式完成。

进一步地，步骤S1和步骤S2可根据工艺需求同时进行，步骤S2也可根据工艺需求在步骤S1之后进行。

其中，工艺需求主要指锻压时间、锻压温度、热处理时间和热处理温度等条件。

进一步地，步骤S2中，对已堆积的金属层进行锻打的过程，包括如下步骤：

（1）加热元件对待锻打区域进行加热，同时，测温元件对待锻打区域的温度进行检测并将温度信号传递给控制元件，控制元件比较待锻打区域的温度与预设锻打温度值的大小；

（2）当控制元件判断待锻打区域的温度大于或等于预设锻打温度时，控制元件向锻压元件发出锻打信号，锻压元件开始对待锻打区域进行锻打；

（3）持续锻打，控制元件根据工艺需求控制锻压元件停止工作，完成该区域的锻打处理；

（4）重复步骤（1）至步骤（3），完成其他待锻打区域的锻打处理。

优选地，步骤（3）中持续锻打一定时间或次数后，再控制元件根据工艺需求控制锻压元件停止工作，完成该区域的锻打处理。

上述的锻打一定时间或次数是指根据本领域技术人员根据实际生产、加工工艺的需要，选择合适的锻打时间和次数，锻打时间/次数由于增材制造对象、工艺需要、成本等不同的要求而不同，此处的一定时间或次数泛指适合所有增材制造体系、工艺的任何锻打时间或次数。

进一步地，步骤S2中，对已堆积的金属层进行热处理时，包括如下步骤：

（1）加热元件对待热处理区域进行加热，同时，测温元件对待热处理区域的温度进行检测并将温度信号传递给控制元件，控制元件比较待热处理区域的温度与预设热处理温度值的大小；

（2）当控制元件判断待热处理区域的温度达到预设热处理温度时，控制元件控制加热元件实时调整加热功率，将待热处理区域的温度保持在预设热处理温度条件下；

（3）热处理时间达到工艺需求时，控制元件控制加热元件停止工作，完成热处理，或者控制加热元件调整加热功率，进行下一阶段的热处理。

进一步地，所述增材制造设备包括激光近净成形增材制造设备、电子束熔丝沉积增材制造设备、电弧增材制造增材制造设备中的一种。

本发明针对传统高能束增材制造技术仅通过控制熔化原料进行堆垛成型，加工过程对零件无其他处理方式，无法保证材料的综合力学性能的缺点，提出了一种可在增材制造过程中，对金属组织结构进行过程处理的锻压热处理一体化装置。本发明可大大提高增材制造金属材料的致密度，消除内部应力，减少缺陷，控制和改善内部晶粒结构，从而提高材料的力学性能。

另外，相比于现有技术，本发明的技术具有更高的可操作性，可以根据工艺需要控制锻打的时间、温度；可以适用于更多的3D打印方式，即使是熔池温度迅速冷却的3D打印方式，也可以采用本发明的装置进行锻打。而且，相对于纯锻焊3D打印，本发明的制件具有更高的界面粘接强度。

附图说明

图1为现有电弧增材制造过程示意图。

图2为本发明的一种增材制造用锻压热处理一体化装置的结构示意图。

图3为本发明一种电子束增材制造过程示意图。

图4为本发明的锻压热处理一体化装置的控制原理简图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

实施例1

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

增材制造用锻压热处理一体化装置，包括用于对沉积层进行加热的加热元件1、用于对加热区域进行锻打的锻压元件2和用于检测加热区域温度的测温元件3；还包括控制元件4，所述加热元件1、锻压元件2和测温元件3分别与控制元件4电联接（见图2和图4）。

优选地，锻压元件2和加热元件1平行设置。

所述加热元件1包括等离子体加热器、电弧加热器、感应加热器、电子束加热器、乙炔火焰加热器、钨极氩弧加热器、激光加热器、红外加热器、微波加热器、介电加热器中的一种。

所述测温元件3为非接触式测温元件，优选为红外测温仪。

一种增材制造设备，安装有如上所述的锻压热处理一体化装置。优选地，锻压热处理一体化装置紧跟增材制造设备的打印头设置。

本实施例中，增材制造用锻压热处理一体化装置配置在激光近净成形增材制造设备上，激光根据预先指定的路径熔化同轴喷送的粉末形成熔滴并滴入熔池，熔池快速冷却，晶粒由于受到热传导方向的影响，沿熔池进行外延生长，最终形成柱状晶，内部可能存在未能及时溢出的气泡。随后增材制造过程处理装置顺着沉积轨道利用等离子束重新对沉积层进行加热，同时，红外测温仪实时对加热区域温度进行检测并将温度信号传递给控制元件，当到达预设的锻打温度时，控制元件传出指令，锻压元件对该区域进行锻打。经过锻打后的区域晶粒由原有的柱状晶破碎后重新形成等轴晶，暂留气孔在锻打的压力下溢出表面。经过层层堆积，锻压热处理一体化装置根据需要进行层层处理，直至零件彻底完成。电子束熔丝沉积和电弧增材制造技术的实施情况与上述类似。

Claims (3)

1.一种利用增材制造设备进行增材制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、控制熔化原料进行堆垛成型；

S2、利用锻压热处理一体化装置对已堆积的金属层进行热处理和锻打；

其中，顺着沉积轨道利用加热元件（1）重新对沉积层进行加热，同时，测温元件（3）实时对加热区域温度进行检测并将温度信号传递给控制元件（4），当到达预设的锻打温度时，控制元件（4）传出指令，锻压元件（2）对加热区域进行锻打；

所述增材制造设备包括激光近净成形增材制造设备、电子束熔丝沉积增材制造设备中的一种；

所述锻压热处理一体化装置安装于增材制造设备上，所述锻压热处理一体化装置包括用于对沉积层的待锻打区域/位置进行加热的加热元件（1）、用于对加热区域进行锻打的锻压元件（2）和用于检测加热区域温度的测温元件（3），所述的加热元件、锻压元件、测温元件集成在一个模块上；还包括控制元件（4），所述加热元件（1）、锻压元件（2）和测温元件（3）分别与控制元件（4）电联接；所述测温元件（3）为非接触式测温元件；

所述加热元件（1）包括等离子体加热器、电弧加热器、感应加热器、电子束加热器、乙炔火焰加热器、钨极氩弧加热器、激光加热器、红外加热器、微波加热器、介电加热器中的一种。

2.根据权利要求1所述的进行增材制造的方法，其特征在于，步骤S1中，堆垛成型通过熔丝或熔粉的方式完成。

3.根据权利要求1所述的进行增材制造的方法，其特征在于，所述测温元件（3）为红外测温仪。