CN109514066B - 基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置，包括电子枪，包括垂直方向依次设置的产生电子束的灯丝、阴极、栅极、阳极、聚焦线圈以及偏转线圈，电子枪置于电子枪真空室中；电子枪真空室设置在真空成形室顶部，并通过电子气阀实现与真空成形室相连通以及隔绝，设有温度控制***包括置于真空成形室中工作平台上的隔热炉以及循环冷却装置、可以实现升温的电阻丝、用于导电以及温度测量的热电偶、用于形成密闭空间的盖板和置于真空室外的加热控制装置。本发明的装置实现零件良好的表面成型以及微观组织的均匀性；本发明的装置在增材制造过程中不需要通过等待散热方式实现温度控制，节约时间，提高生产效率。

Description

基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置。
背景技术
金属增材制造技术是基于三维数字模型，利用计算机辅助技术实现平层切片、路径规划，并采用相应的数控技术实现金属粉末或丝材堆积制造得到完整实体零件的技术。该技术涵盖技术领域多，应用范围广，被誉为第三次工业革命中数字化制造的重要标志。现在较为成熟的技术增材制造技术包括激光选区熔化技术(SLM)、电子束选区熔化技术(EBSM)、电子束熔丝沉积技术(EBFF)和激光立体成形技术(LSF)、电弧熔丝增材制造技术(WAAM)等。电子束熔丝沉积技术因其沉积环境处于真空环境中，材料成型美观，不易产生氧化缺陷，且电子束热源集中，热输入量大，熔丝增材速度较快，生产效率高。因此，电子束熔丝沉积技术广泛应用于航空航天领域的钛合金及易氧化金属的整体构件制造。
目前，电子束熔丝沉积技术较为成熟，但成形零件组织均匀性较差，极易出现成分偏析、组织偏析等现象。实质上，电子束熔丝沉积过程是一个微铸造过程，熔池通过“点—线—面”的过程实现零件制造。在电子束熔丝沉积过程中，零件与周围环境的热交换主要是通过辐射传热的方式进行，随着沉积层数增加，零件温度与周围环境温度不断升高，热量不断累计，从而导致基板红热、层间温度过高。这就会导致金属沉积过程流动性增加，靠近边缘区域出现“流淌”现象，零件单层表面凹凸不平，减重的降低了零件表面质量，增加了加工难度。
在沉积过程中，其冷却过程是一个瞬态非平衡过程，极易出现针状脆性组织；随着堆积层数增加，沉积层经过重复加热以及冷却过程，晶粒在该过程中不断长大，成分发生明显偏析。这不仅造成了组织的不均匀性，无法获得想要的组织形貌，且严重降低了零件的力学性能，降低零件服役时间，增加零件失效概率。另一方面，增材制造过程是一个重复焊接过程，零件整体温度分布不均匀会导致材料的出现较大的焊接应力，裂纹极易在这些位置萌生，从而降低了零件整体性能。因此，在电弧增材制造过程中，合理的控制组织演变，消除残余内应力是改善零件力学性能的关键途径之一。
目前，哈尔滨工业大学研究了层间温度变化对于增材成型的影响，层间温度与表面成型在确定的工艺窗口内存在一定的对应关系，当时间间隔过长，则会出现层间温度过低，融入金属流动性太差，单道过于狭窄；当层间温度过高就会出现熔融金属流动性增加，表面出现流淌。公开号为CN107433379A专利公开了一种通过增加层间间隔时间的方法来控制层间温度的变化，采用非接触式红外温度传感器监控温度变化，待温度降低至设定温度时，将信号传递到机器人控制柜中，开始下一层的沉积。该方法考虑到了层间温度对于成形的影响，但是因为没有采用冷却措施，自然冷却，降低生产效率。公开号为CN106956060A专利公开了一种通过进行感应加热以及强制冷却的方式来实现控制层间温度，该方法也通过采用红外线测温的方式来确定热量补偿或者强制冷却。该方法采用的感应加热方式会破坏电子束熔丝增材制造***中的磁场分布，影响后续熔丝增材的进行。公开号为CN105499566A专利公开了一种增材制造零部件原位热处理的办法，通过单层成形后进行成型区域熔化来实现热处理。该方法通过电子束原位加热的方式，温度输入具有随机性，且易出现局部区域熔融，产生晶粒粗大的现象。
目前电子束熔丝增材***层间温度控制以及后处理装置和方法研究较少，电子束层间温度控制困难，且温度变化对电子束熔丝成形具有较大的影响。
发明内容
针对目前面临的技术难题，本发明公开了一种基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置。
一种基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置，包括电子枪、送丝***、电子枪真空室、真空成形室、工作平台、温度控制***，所述的电子枪包括垂直方向依次设置的产生电子束的灯丝、阴极、栅极、阳极、聚焦线圈以及偏转线圈，电子枪置于电子枪真空室中；电子枪真空室设置在真空成形室顶部，并通过电子气阀实现与真空成形室相连通以及隔绝，电子枪真空室、真空成形室均通过真空***来实现需要的真空度；所述的工作平台置于真空成形室中，包括通过竖直导轨实现竖直Z轴方向运动的承载平台、水平面XY轴方向运动的工作平台以及位移控制***；所述的送丝***包括放置在真空室外的送丝机构；温度控制***包括置于真空成形室中工作平台上的隔热炉以及循环冷却装置、可以实现升温的电阻丝、用于导电以及温度测量的热电偶、用于形成密闭空间的盖板和置于真空室外的加热控制装置。
进一步的，温度控制***中，隔热炉将循环冷却装置包围，加热电阻丝置于隔热炉内壁上，热电偶置于循环冷却装置中间，其中，电阻丝加热通过辐射传热的方式实现温度上升，循环冷却通过接触传热的方式实现降温。
进一步的，温度控制***层间温度调节范围在60-500℃；可依据零件材料和需求组织设定热处理曲线，并输入到温度控制***中进行程序升温。
进一步的，隔热炉和盖板均使用耐火材料，减少电阻丝加热区域，提高加热效率。
进一步的，根据成形材料的物理特性，循环冷却装置选用水、油等其他冷却介质。
进一步的，位移导轨竖直导轨选用奥氏体不锈钢，具体为304或者316L。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点如下：
1.本发明的装置实现零件良好的表面成型以及微观组织的均匀性。
2.本发明的装置能够根据需求对材料内部微观组织进行设计，获得力学性能优异的电子束熔丝增材制造零件。
3.本发明的装置在增材制造过程中不需要通过等待散热方式实现温度控制，节约时间，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明中基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置的示意图。
其中，1-真空成形室，2-工作平台，3-承载平台，4-竖直导轨，5-隔热炉，6-电阻丝加热装置，7-送丝机构，8-加热控制装置，9-真空***，10-电子气阀，11-送丝枪，12-灯丝，13-阴极，14-栅极，15-阳极，16-聚焦线圈，17-偏转线圈，18-电子枪真空室,19-位移控制***，20-盖板，21-热电偶，22-循环冷却装置。
图2为本发明中于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置的温度调节装置工作过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置，该装置包括电子枪、送丝***、电子枪真空室、真空成形室、工作位移平台、温度控制***，所述的电子枪包括产生电子束的灯丝12、灯丝下方的阴极13、阴极下方的栅极14、栅极下方的阳极15、阳极下方的聚焦线圈16以及聚焦线圈下方的偏转线圈17，该电子枪置于电子枪真空室18中；所述的电子枪真空室18置于真空成形室1顶部，并通过电子气阀10实现与真空成形室相连通以及隔绝，电子枪真空室18与真空成形室1均通过真空***9来获得工作的真空度；所述的工作位移平台置于真空成形室1中，包括通过竖直导轨4实现竖直Z轴方向运动的承载平台3、实现水平面XY轴方向运动的工作平台2以及位移控制***19；所述的送丝***包括放置在真空室外的送丝机构7、固定在真空室内壁的送丝枪11；所述的温度控制***包括置于真空室中工作平台上的隔热炉5以及循环冷却装置22、可以实现升温的电阻丝6、用于导电以及温度测量的热电偶21、用于形成密闭空间的盖板20和置于真空室外的加热控制装置8。
进一步的，其工作模式为：1建立零件实体几何模型模型，将零件模型导入计算机中进行切片和路径规划并导入到工作平台控制***，对需要控制的参数进行设置；2在加工准备阶段，对真空成形室以及电子枪真空室进行抽真空处理，送丝机构将丝材送入到指定位置，将工作平台移动到真空成形室左侧，下降炉门形成密闭空间，利用电阻丝加热***对基板进行预热；3控制***控制工作平台按照待加工零件切片规划路径进行运动并控制电子束将金属丝材熔融过渡到制定区域，其中喷头固定，静止不动，方向垂直向下；4工作平台在Z轴方向降低一层厚度，将工作平台平移至真空成形室左侧，下降盖板，根据设定层间温度进行热量补偿或者冷却；5建工作平台移至真空成形室中心，重复步骤34直至零件整体成型。6将工作平台平移至真空成形室左侧，下降盖板，根据要求热处理温度曲线，对零件进行相应热处理。
进一步的，温度调节装置置于真空室内，控制***置于真空室外。温度调节装置包括隔热炉将循环冷却装置包围，加热电阻丝置于隔热炉内壁上，热电偶置于循环冷却装置中间。其中电阻丝加热主要是通过辐射传热的方式实现温度上升，循环冷却通过接触传热的方式实现降温。
进一步的，层间温度调节范围在60-500℃；可依据零件材料和需求组织设定热处理曲线，并输入到温度控制***中进行程序升温。
进一步的，为减少高温对于电子束增材***的损伤，隔热炉和盖板均使用耐火材料，减少电阻丝加热区域，提高加热效率。
进一步的，根据成形材料的物理特性，冷却装置选用水、油等其他冷却介质。
如图1所示，一种基于电子束熔丝增材制造的金属后处理装置，包括电子枪、送丝***、电子枪真空室、真空成形室、工作位移平台、电阻加热***、控制***，所述的电子枪包括产生电子束的灯丝12、灯丝下方的阴极13、阴极下方的栅极14、栅极下方的阳极15、阳极下方的聚焦线圈16以及聚焦线圈下方的偏转线圈17，该电子枪置于电子枪真空室18中；所述的电子枪真空室18置于真空成形室1顶部，并通过电子气阀10实现与真空成形室相连通以及隔绝，两个真空室均通过真空***9来实现需要的真空度；所述的工作位移平台置于真空成形室中，包括通过竖直导轨4实现竖直Z轴方向运动的承载平台3、实现水平面XY轴方向运动的工作平台2以及位移控制***19；所述的送丝***包括放置在真空室外的送丝机构7、固定在真空室内壁的送丝枪11；所述的温度控制***包括置于真空室中工作平台上的隔热炉5以及循环冷却装置22、可以实现升温的电阻丝6、用于导电以及温度测量的热电偶21、用于形成密闭空间的盖板20和置于真空室外的加热控制装置8。
以采用连续送丝电子束熔丝沉积钛合金板材零件为例：
(1)根据需求，建立零件实体几何模型模型，将零件模型导入计算机中进行切片和路径规划并导入到工作平台控制***，对需要控制的参数进行设置；
(2)在加工准备阶段，对真空成形室以及电子枪真空室进行抽真空处理，送丝机构将丝材送入到指定位置，将工作平台移动到真空成形室左侧，下降炉门形成密闭空间，利用电阻丝加热***对基板进行加热，并采用热电偶对基板温度进行测量，当温度加热至200℃时，停止加热；
(3)控制***控制工作平台按照待加工零件切片规划路径进行运动并控制电子束将金属丝材熔融过渡到制定区域，其中喷头固定，静止不动，方向垂直向下，依照设定路径完成第一层材料沉积；
(4)工作平台在Z轴方向降低0.5mm，将工作平台平移至真空成形室左侧，下降盖板，通过热电偶测量零件温度，当温度反馈低于200℃时，电阻丝加热进行温度补偿；当温度高于200℃时，通过下方冷却水循环***实现降温；控制层间温度的装置的温度调节装置工作过程如图2所示。
(5)建工作平台移至真空成形室中心，重复步骤(3)(4)直至零件整体成型。
(6)将工作平台平移至真空成形室左侧，下降盖板，根据要求将零件加热至670℃，保温1小时，炉冷，对零件进行退火处理。

Claims (6)

1.一种基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置，其特征在于：包括电子枪、送丝***、电子枪真空室、真空成形室、工作平台、温度控制***，所述的电子枪包括垂直方向依次设置的产生电子束的灯丝(12)、阴极(13)、栅极(14)、阳极(15)、聚焦线圈(16)以及偏转线圈(17)，所述的电子枪置于电子枪真空室(18)中；所述的电子枪真空室(18)设置在真空成形室(1)顶部，并通过电子气阀(10)实现与真空成形室（1）相连通以及隔绝，电子枪真空室(18)、真空成形室(1)均通过真空***(9)来实现需要的真空度；所述的工作平台(2)置于真空成形室(1)中，工作平台(2)能够沿着水平面XY轴方向运动，还包括通过竖直导轨(4)实现竖直Z轴方向运动的承载平台(3)、以及位移控制***(19)；所述的送丝***包括放置在真空室外的送丝机构(7)；所述的温度控制***包括置于真空成形室（1）中工作平台(2)上的隔热炉(5)、循环冷却装置(22)、实现升温的电阻丝(6)、用于导电以及温度测量的热电偶(21)、用于形成密闭空间的盖板(20)和置于真空成形室（1）外的加热控制装置(8)；
该装置工作过程如下：步骤1、在加工准备阶段，对真空成形室以及电子枪真空室进行抽真空处理，送丝机构将丝材送入到指定位置，将工作平台移动到真空成形室左侧，下降炉门形成密闭空间，利用电阻丝对基板进行预热；步骤2、控制***控制工作平台按照待加工零件切片规划路径进行运动并控制电子束将金属丝材熔融过渡到制定区域，其中喷头固定，静止不动，方向垂直向下；步骤3、工作平台在Z轴方向降低一层厚度，将工作平台平移至真空成形室左侧，下降盖板，根据设定层间温度进行热量补偿或者冷却；步骤4、工作平台移至真空成形室中心，重复步骤2、3直至零件整体成型；步骤5、将工作平台平移至真空成形室左侧，下降盖板，根据热处理温度曲线，对零件进行相应热处理。
2.根据权利要求1所述的基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置，其特征在于：温度控制***中，隔热炉(5)将循环冷却装置(22)包围，电阻丝(6)置于隔热炉内壁上，热电偶(21)置于循环冷却装置(22)中间，其中，电阻丝加热通过辐射传热的方式实现温度上升，循环冷却通过接触传热的方式实现降温。
3.根据权利要求1所述的基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置，其特征在于：温度控制***层间温度调节范围在60-500℃；依据零件材料和组织需求设定热处理曲线，并输入到温度控制***中进行程序升温。
4.根据权利要求1所述的基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置，其特征在于：隔热炉(5)和盖板(20)均使用耐火材料，减少电阻丝加热区域，提高加热效率。
5.根据权利要求1所述的基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置，其特征在于：根据成形材料的物理特性，循环冷却装置(22)选用水或油。
6.根据权利要求1所述的基于电子束熔丝增材制造的控制层间温度的装置，其特征在于，竖直导轨(4)选用奥氏体不锈钢，具体为304或者316L。
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