CN112548118A - 采用3d打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法 - Google Patents

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Abstract

采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，包括材料准备、模型数据处理、叠层制造、完成制造及可选的材料封装过程，叠层制造中计算机控制3D打印设备在加工平台上先铺一层第一冶金辅助材料颗粒，控制能量束对第一冶金辅助材料颗粒进行扫描，形成第一冶金辅助材料层，该第一冶金辅助材料层至少具有完全熔化的熔化层，在铺第二冶金辅助材料颗粒形成第二冶金辅助材料层时，不对第二冶金辅助材料颗粒进行熔化，重复叠层制造过程直至完成全部切片层的制造。本发明充分利用3D打印快速成型优势以及可以对各层材料进行规划的优势，在实现球化/孕育冶金辅助预制件快速成型的同时，通过规划层间构成实现对预制件在铁水中的熔化释放过程进行调控。

Description

采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法
技术领域
本发明涉及金属材料3D打印技术领域，特别是涉及一种采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法。
背景技术
球墨铸铁冶炼中需要对铁液进行球化和孕育，球化剂材料或孕育剂材料常常预先安置在铁水包的包底，通过渣剂覆盖或者通过包底的挡坝或凹坑配合与铁水材质相同的盖板限位在包底，通过渣剂覆盖操作简单但很容易被铁水冲刷和上浮，造成铁水沸腾和球化、孕育材料耗量增加，通过包底的挡坝或凹坑配合与铁水材质相同的盖板限位在包底效果优于直接通过渣剂覆盖，但对铁水包的包底结构有要求，材料和盖板的制造、铺设操作也比较耗时。
金属3D打印，业内又称金属增材制造，是以数字模型文件为基础，通过软件与数控***将专用的金属材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法。目前，金属3D打印技术主要用来解决复杂结构件制造问题，在工业生产中应用尚不广泛，这是因为这种制造方式生产批量小，过程控制和产品后处理都比较复杂，特别是在球化/孕育类冶金辅助预制件的制造领域，还没有应用。
发明内容
本发明提供一种采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，利用3D打印的快速成型优势以及可以对各层材料进行规划的优势，在实现球化/孕育冶金辅助预制件快速成型的同时，通过规划层间构成实现对预制件在铁水中的熔化释放过程进行调控。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，包括：
材料准备
准备至少两种不同冶金辅助材料颗粒，分别为第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒，所述第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒选自冶金中的熔化缓冲材料、球化材料、孕育材料或精炼材料，所述第一冶金辅助材料颗粒为高熔点材料，所述第二冶金辅助材料颗粒为低熔点材料，将该第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒分别装入3D打印设备的两个不同落料斗中，即第一落料斗和第二落料斗；
模型数据处理
将要制作的冶金辅助预制件的三维模型导入3D打印设备计算机，采用切片软件根据各层厚度需要对三维模型进行分层切片，并设定每一层的材料类型；
叠层制造
计算机控制3D打印设备的第一落料斗在加工平台上铺一层第一冶金辅助材料颗粒，控制能量束对第一冶金辅助材料颗粒进行扫描，形成第一冶金辅助材料层，通过控制能量束加工参数，使该第一冶金辅助材料层至少具有完全熔化的熔化层，其后，计算机控制3D打印设备的第二落料斗在已形成的第一冶金辅助材料层上铺一层第二冶金辅助材料颗粒形成第二冶金辅助材料层，其中，在形成该第二冶金辅助材料层时，不对所述第二冶金辅助材料颗粒进行熔化，保持其为自然堆积态，或者仅利用成型第一冶金辅助材料层的余热对其进行粘结，或者仅对其进行扫描加热；
完成制造
重复上述第一冶金辅助材料层和第二冶金辅助材料层的制造，直至完成全部切片层的制造，形成包含第一冶金辅助材料层和第二冶金辅助材料层交替分布的冶金辅助预制件。
上述采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，还包括材料封装，其中，所述材料封装在交替形成所述第一冶金辅助材料层和第二冶金辅助材料层的过程中由当前层冶金辅助材料颗粒在当前层的轮廓部位完全熔化形成，或者在交替形成所述第一冶金辅助材料层和第二冶金辅助材料层的过程完成后，在已完成部分的***采用其中一种冶金辅助材料颗粒逐层铺料和扫描熔化形成。
上述采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，所述第一冶金辅助材料颗粒为熔化缓冲材料或孕育材料，所述第二冶金辅助材料颗粒为球化材料。
上述采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，所述第一冶金辅助材料层具有完全熔化的熔化层和未熔化的粘固层。
上述采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，所述第二冶金辅助材料颗粒为高镁合金或镁。
上述采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，在形成该第二冶金辅助材料层时，不对所述第二冶金辅助材料颗粒进行扫描和熔化，优选仅利用成型第一冶金辅助材料层的余热对其进行粘结。
上述采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，所述第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒粒径均大于0.5mm。
上述采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，所述第一冶金辅助材料颗粒粒径大于第二冶金辅助材料颗粒粒径。
上述采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，所述能量束为激光束。
一种冶金辅助预制件，采用如上所述的方法制作。
本发明的有益效果在于：
本发明采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，利用的是3D打印快速成型的优势，由于冶金辅助预制件是安放在铁水包内，只需要具有适合放置或者安装的基本形状，并不需要高的尺寸精度和复杂的形状，因此特别适合采用3D打印方式提高制造效率，在制造中铺料精度和扫描精度都可以以提高效率为主，因此，扫描速度可以很高，扫描功率也可以尽量选大，材料也不需要完全熔化，而最重要的，由于3D打印可以对各层材料进行规划，而冶金中的包内球化孕育过程又需要对辅助材料的熔化进行进行控制，在防止材料被铁水冲刷的同时，更需要控制材料的缓慢释放，以为铁水的浇注提供缓冲时间，尤其是对于含镁的球化材料，镁易气化烧损，特别需要通过控制球化材料的释放来确保后浇入的铁液能够得到充分球化处理，减少镁损，因此在冶金辅助预制件快速成型的同时，通过规划层间构成实现对预制件在铁水中的熔化释放过程进行调控，通过将易烧损材料与高熔点材料的交替，利用高熔点材料熔化时间提供易烧损材料的释放缓冲，现有技术中虽然也有将不同材料层叠放置于包底的，但由于没有预制成含有完全冶金层的缓冲层，其实是无法实现真正有效的缓冲的，本发明的方案中，通过控制能量束加工参数，使该第一冶金辅助材料层至少具有完全熔化的熔化层，这样的熔化层由于提供了更致密的保护，在铁水中需要熔化才能进一步暴露内层的第二冶金辅助材料层，因此，具有更佳的缓冲效果，通过对能量束参数的调控，熔化层的熔化深度也是可控的，优选使第一冶金辅助材料层具有完全熔化的熔化层和未熔化的粘固层，这样就能控制能量束的热冲击避免对相邻层的材料例如含镁球化材料中的有效元素(Mg)造成烧损，而且，通过多层交替叠加制造第一冶金辅助材料层和第二冶金辅助材料层，将熔点低的第二冶金辅助材料的释放变成了多个阶段，实质性地提高了缓冲效果。
附图说明
图1为本发明采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法过程示意图。
图2为本发明采用3D打印方式快速成型的冶金辅助预制件层叠结构示意图。
图3为本发明采用3D打印方式快速成型的冶金辅助预制件带封装结构示意图。
图中各附图标记代表的组件是：
10第一冶金辅助材料层，11粘固层，12熔化层，20第二冶金辅助材料层。
具体实施方式
下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。
实施例1
参见图1，图1为本发明采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法过程示意图，本实施例采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，包括：
材料准备
准备至少两种不同冶金辅助材料颗粒，分别为第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒，这里“至少两种不同冶金辅助材料颗粒”是指接下来要交替制作的材料层至少是两种材料的交替，显然其也包含了三层或三层以上的情况，根据生产中对铁水的处理需要而设定。
本实施例仅以两种材料为例，所述第一冶金辅助材料颗粒为熔化缓冲材料，这里熔化缓冲材料是指不进行特殊的功能成分设计，选择与要处理的铁水成分相同或基本相同的材料，所述第二冶金辅助材料颗粒为含镁量在25％以上的合金球化剂，所述第一冶金辅助材料颗粒的熔点高于第二冶金辅助材料颗粒的熔点。
将该第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒分别装入3D打印设备的两个不同落料斗中，即第一落料斗和第二落料斗；
模型数据处理
将要制作的冶金辅助预制件的三维模型导入3D打印设备计算机，采用切片软件根据各层厚度需要对三维模型进行分层切片，并设定每一层的材料类型；
叠层制造
该过程结合图2介绍，参见图2，计算机控制3D打印设备的第一落料斗在加工平台上铺一层第一冶金辅助材料颗粒，控制能量束(激光)对第一冶金辅助材料颗粒进行扫描，形成第一冶金辅助材料层10，即熔化缓冲材料层，通过控制能量束加工参数，使该第一冶金辅助材料层10至少具有完全熔化的熔化层12。
这里至少具有完全熔化的熔化层12包含完全熔化的情况，但对于本实施例而言，接下来要制造高镁含量的球化剂材料层，优选像图2中所示的那样，使该第一冶金辅助材料层10具有完全熔化的熔化层12和未熔化的粘固层11，这样除了提高加工效率(以较大功率快速扫描)，也能控制能量束的热冲击避免对接下来要制作的功能层中有效球化元素(Mg)造成烧损，该过程中，第一冶金辅助材料颗粒的粒径越大，越容易控制激光熔化的深度，传统的金属3D打印通常使用昂贵的微纳米“粉末”材料来获得高的致密度和性能，而本发明的方案由于以造型为主，可以使用“颗粒”材料，甚至是大颗粒乃至块状材料，这也是实现快速制造和节约成本的一个优势，优选的，本实施例中第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒都为毫米级材料，第一冶金辅助材料颗粒粒径大于第二冶金辅助材料颗粒粒径。
接下来，切换加工层高，计算机控制3D打印设备的第二落料斗在已形成的第一冶金辅助材料层10上铺一层第二冶金辅助材料颗粒形成第二冶金辅助材料层20，即合金球化剂层，由于合金球化剂含有较多的镁元素，在形成该第二冶金辅助材料层20时，不对所述第二冶金辅助材料颗粒进行熔化，保持其为自然堆积态，或者仅利用成型第一冶金辅助材料层10的余热对其进行粘结，优选的控制两层间的加工时序使得能够充分利用成型第一冶金辅助材料层10凝固的余热对其进行粘结，另外，采用能量束对该层材料进行非熔化的扫描加热也可以辅助进行粘结，但这时候需要切换能量束扫描参数，因此一般可以不必采用扫描手段。
完成制造
重复上述第一冶金辅助材料层10和第二冶金辅助材料层20的制造，直至完成全部切片层的制造，形成包含第一冶金辅助材料层10和第二冶金辅助材料层20交替分布的冶金辅助预制件。
由于冶金辅助预制件是安放在铁水包内，只需要具有适合放置或者安装的基本形状，并不需要苛刻的尺寸精度和复杂的形状，因此本实施例采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，利用的是3D打印快速成型的优势，因此特别适合采用3D打印方式提高制造效率，在制造中铺料精度和扫描精度都可以以提高效率为主，因此，扫描速度可以很高，扫描功率也可以尽量选大。
本实施例通过规划层间构成实现对预制件在铁水中的熔化释放过程进行调控，通过将易烧损材料与高熔点材料的交替，利用高熔点材料熔化时间提供易烧损材料的释放缓冲，现有技术中虽然也有将不同材料层叠放置于包底的，但由于没有预制成含有完全冶金层的缓冲层，其实是无法实现真正有效的缓冲的，本实施例的方案中，通过控制能量束加工参数，使熔化缓冲材料层至少具有完全熔化的熔化层，这样的熔化层由于提供了更致密的保护，在铁水中需要熔化才能进一步暴露内层的合金球化剂层，因此，具有更佳的缓冲效果，通过对能量束参数的调控，熔化层的熔化深度也是可控的，通过多层交替叠加制造熔化缓冲材料层和合金球化剂层，将球化剂在忒水中的释放变成了被打断的多个阶段，为灌包和球化剂的充分分散赢得了时间，球化效果得到了保障。
实施例2
本实施例其实是在实施例1基础上的进一步完善，参见图3，图3为本发明采用3D打印方式快速成型的冶金辅助预制件带封装结构示意图，也即实施例1中的方法还包括材料封装的操作，本实施例中封装的意思其实就是对轮廓材料进行完全熔化，这样除了在预制件接触铁水时可以在整个轮廓***形成熔化缓冲外，也确保预制件未使用前，尤其是储运或包装时，物理状态和化学性质的基本稳定，一般来说，所述材料封装在交替形成所述第一冶金辅助材料层10和第二冶金辅助材料层20的过程中由当前层冶金辅助材料颗粒在当前层的轮廓部位完全熔化形成，一般来说，仅在轮廓部位的熔化对于含镁的球化剂材料不会造成大的影响，而且也可以通过控制扫描参数尽量减少这种影响。
另一种可替代的方案是，在交替形成所述第一冶金辅助材料层10和第二冶金辅助材料层20的过程完成后，在已完成部分的***采用其中一种冶金辅助材料颗粒逐层铺料和扫描熔化形成，这里显然是有熔化缓冲作用的第一冶金辅助材料颗粒为佳。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，第一冶金辅助材料颗粒由熔化缓冲材料换为孕育材料，第二冶金辅助材料仍然为球化材料不变。
对于球墨铸铁的熔炼而言，孕育材料的例子如硅铁系孕育合金或者含有碳化物的铁基合金，其熔点高于球化材料且不含易气化烧损的材料，因此可以直接替代熔化缓冲材料，从而使得制造的冶金辅助预制件同时具有孕育和球化作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，其特征在于，包括：
材料准备
准备至少两种不同冶金辅助材料颗粒，分别为第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒，所述第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒选自冶金中的熔化缓冲材料、球化材料、孕育材料或精炼材料，所述第一冶金辅助材料颗粒为高熔点材料，所述第二冶金辅助材料颗粒为低熔点材料，将该第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒分别装入3D打印设备的两个不同落料斗中，即第一落料斗和第二落料斗；
模型数据处理
将要制作的冶金辅助预制件的三维模型导入3D打印设备计算机，采用切片软件根据各层厚度需要对三维模型进行分层切片，并设定每一层的材料类型；
叠层制造
计算机控制3D打印设备的第一落料斗在加工平台上铺一层第一冶金辅助材料颗粒，控制能量束对第一冶金辅助材料颗粒进行扫描，形成第一冶金辅助材料层(10)，通过控制能量束加工参数，使该第一冶金辅助材料层(10)至少具有完全熔化的熔化层(12)，其后，计算机控制3D打印设备的第二落料斗在已形成的第一冶金辅助材料层(10)上铺一层第二冶金辅助材料颗粒形成第二冶金辅助材料层(20)，其中，在形成该第二冶金辅助材料层(20)时，不对所述第二冶金辅助材料颗粒进行熔化，保持其为自然堆积态，或者仅利用成型第一冶金辅助材料层(10)的余热对其进行粘结，或者仅对其进行扫描加热；
完成制造
重复上述第一冶金辅助材料层(10)和第二冶金辅助材料层(20)的制造，直至完成全部切片层的制造，形成包含第一冶金辅助材料层(10)和第二冶金辅助材料层(20)交替分布的冶金辅助预制件。
2.根据权利要求1所述的采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，其特征在于，还包括材料封装，其中，所述材料封装在交替形成所述第一冶金辅助材料层(10)和第二冶金辅助材料层(20)的过程中由当前层冶金辅助材料颗粒在当前层的轮廓部位完全熔化形成，或者在交替形成所述第一冶金辅助材料层(10)和第二冶金辅助材料层(20)的过程完成后，在已完成部分的***采用其中一种冶金辅助材料颗粒逐层铺料和扫描熔化形成。
3.根据权利要求1所述的采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，其特征在于，所述第一冶金辅助材料颗粒为熔化缓冲材料或孕育材料，所述第二冶金辅助材料颗粒为球化材料。
4.根据权利要求3所述的一种采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，其特征在于，所述第一冶金辅助材料层(10)具有完全熔化的熔化层(12)和未熔化的粘固层(11)。
5.根据权利要求4所述的一种采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，其特征在于，所述第二冶金辅助材料颗粒为高镁合金或镁。
6.根据权利要求5所述的一种采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，其特征在于，在形成该第二冶金辅助材料层(20)时，不对所述第二冶金辅助材料颗粒进行扫描和熔化，优选仅利用成型第一冶金辅助材料层(10)的余热对其进行粘结。
7.根据权利要求1所述的一种采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，其特征在于，所述第一冶金辅助材料颗粒和第二冶金辅助材料颗粒粒径均大于0.5mm。
8.根据权利要求7所述的一种采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，其特征在于，所述第一冶金辅助材料颗粒粒径大于第二冶金辅助材料颗粒粒径。
9.根据权利要求1所述的一种采用3D打印方式快速成型冶金辅助预制件的方法，其特征在于，所述能量束为激光束。
10.一种冶金辅助预制件，采用权利要求1所述的方法制作。
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