CN113909461B - 基于自由落体的金属材料快速成形方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于自由落体的金属材料快速成形方法及装置，通过在待加工金属材料的快速成形过程中耦合金属材料的无容器状态和微重力效应处理(即自由落体过程)，不仅能够消除金属熔体内的异质晶核，使合金熔体进入深过冷状态，显著消除偏析，细化组织，而且抑制了自然对流和浮力作用，可以减少缩孔、气孔等缺陷，实现金属材料的均匀制备。同时，在金属材料的快速成形过程中可以加入温度场、磁场和超声场，配合深过冷和微重力效应实现金属材料复杂条件下的超常凝固，有效调控组织，抑制偏析，提高材料的服役性能。同时，本发明提出的基于自由落体的金属材料快速成形装置，具备微型化、模块化、高集成化和智能化等特点，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料成形领域，特别是涉及一种基于自由落体的金属材料快速成形方法及装置。
背景技术
随着我国航空、航天、航海相关技术的发展，对作为相关技术载体的材料提出了更高要求。传统铸造成形技术由于其成形过程中铸件容易出现缩孔、裂纹、气孔、氧化、偏析等缺陷和不足，严重影响铸件服役性能，已经逐渐难以满足相关技术需求。此外，对于现代航空、航天、航海相关技术有着高需求的如钛合金、铌合金、钨合金、铼合金等化学性质较为活泼、熔点极高的合金，一方面由于传统铸造成形技术相对简陋的成形环境，另一方面由于现有容器可能发生的化学反应和相对较低的熔点，这些合金往往无法通过传统铸造成形方法进行成形。
超常凝固是指金属材料在深过冷、急冷等特殊条件或微重力、无容器、高真空、强物理场等环境下的凝固过程。近年来，以空间环境地面模拟技术为代表的相关技术引起了研究人员的广泛关注。通过模拟以高真空、微重力、无容器为主要特征的空间环境，在地面实现金属材料的超常凝固。文献“Microstructural evolution and mechanicalproperties of ternary Al–Fe–Nb alloy under free fall condition[J].Journal ofAlloys and Compounds,2020(818):153304.1–153304.8.”报道了通过落管技术在Al55Fe40Nb5合金的凝固过程中耦合了微重力效应和无容器状态，优化了合金的组织结构，有效提升了合金硬度。“落管中Ni-Fe-Ti合金的快速凝固机理及其磁学性能[J].物理学报,2017(66):138101.1–138101.7.”报道了采用落管自由落体方法实现了Ni45Fe40Ti15合金在微重力无容器条件下的快速凝固，显著提升了合金的软磁性能。可以发现，现有的空间环境地面模拟技术可以实现金属材料的超常凝固，有效抑制缩孔、裂纹、气孔、氧化、偏析等缺陷和不足的产生，优化金属材料性能，但仍存在两方面的问题：首先是无法实现金属材料的加工成形，其次是无法在金属的凝固过程耦合外场。所以，就需要一种能够实现超常凝固金属材料加工成形，并可以耦合外场的集成化方法和装置，用于制备具有优异服役性能的金属材料，以满足生产制造和科学研究需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自由落体的金属材料快速成形方法及装置，可实现金属材料超常凝固条件下的快速成形，以解决上述现有空间环境地面模拟技术存在的无法实现金属材料的加工成形的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于自由落体的金属材料快速成形方法，包括：
将待加工金属材料放入第一真空室，并对所述第一真空室抽真空；
将成形模具置于第二真空室，对所述第二真空室抽真空，并调整室内环境，所述调整室内环境包括对所述成形模具制冷、对所述成形模具预热、对所述成形模具施加磁场和/或对所述成形模具施加超声振动；
将所述待加工金属材料悬浮并熔化形成金属熔体，以实现所述待加工金属材料的无容器状态；
使所述金属熔体自由下落至所述成形模具内实现所述金属熔体的快速成形。
可选的，所述第一真空室和所述第二真空室连通形成一整体真空室，所述整体真空室内的真空度为9.0×10-3～1×10-5Pa。
可选的，所述待加工金属材料悬浮可通过静电悬浮装置、电磁悬浮装置、气动悬浮装置或超声悬浮装置实现。
可选的，所述待加工金属材料选用金属球。所述金属球的直径可为2～500mm。
同时本发明提出一种基于自由落体的金属材料快速成形装置，包括：
第一真空室，所述第一真空室安装有悬浮熔炼装置，以将待加工金属材料悬浮熔化形成处于无容器状态的金属熔体；
第二真空室，所述第二真空室位于所述第一真空室的下方，所述第二真空室内设置有成形模具，所述成形模具用于承接自由下落的所述金属熔体，并使所述金属熔体成形；
中间真空室，所述中间真空室连接于所述第一真空室和所述第二真空室之间，用于实现所述金属熔体的自由落体；
抽真空***，所述抽真空***与所述第一真空室、所述第二真空室、所述中间真空室和/或所述成形模具连接；
外场***，所述外场***与所述成形模具连接，其包括成形模具制冷装置、成形模具加热装置、磁场发生装置和超声振动装置中的一种或多种；其中，所述成形模具制冷装置能够对所述成形模具进行制冷、所述成形模具加热装置能够对所述成形模具进行加热，所述磁场发生装置能够对所述成形模具施加磁场，所述超声振动装置能够对所述成形模具施加超声振动；
控制***，所述控制***与所述抽真空***、所述外场***和所述悬浮熔炼装置通讯连接。
可选的，所述第一真空室、所述中间真空室和所述第二真空室共同组成同一大真空室。该大真空室内部自上而下依次分区形成所述第一真空室、所述中间真空室和所述第二真空室。
可选的，所述第一真空室、所述中间真空室和所述第二真空室均为圆柱形真空室，所述第一真空室、所述中间真空室和所述第二真空室同轴设置，且位于最下方的所述第二真空室的直径最大。
可选的，所述金属熔体的自由落体过程基本是在所述中间真空室内完成，所述中间真空室的轴向高度可为0～3000mm。
可选的，所述第一真空室作为最上方的真空室，其上可配置有多个观察窗和多个法兰连接口。
可选的，所述成形模具包括落铸成形模具和吸铸成形模具；其中，
所述落铸成形模具包括第一落铸成形半模和与所述第一落铸成形半模对接合模的第二落铸成形半模；所述第一落铸成形半模和所述第二落铸成形半模合模后在模具上表面形成落铸型腔；所述第一落铸成形半模和/或所述第二落铸成形半模上开设有与所述落铸型腔连通的排气道；
所述吸铸成形模具包括第一吸铸成形半模和与所述第一吸铸成形半模对接合模的第二吸铸成形半模；所述第一吸铸成形半模和所述第二吸铸成形半模合模后在模具的顶部、中心和底部分别形成有引流槽、吸铸型腔和吸气道，所述引流槽、所述吸铸型腔和所述吸气道依次连通，所述吸气道与所述抽真空***连接；
所述第二真空室内设置所述落铸成形模具和所述吸铸成形模具中的一者；所述落铸成形模具和所述吸铸成形模具均能够与所述外场***连接。
可选的，所述抽真空***包括机械泵，所述机械泵通过第一抽真空支路与所述第一真空室、所述第二真空室和/或所述中间真空室连接，所述第一抽真空支路上设置有分子泵，所述分子泵的出气端设置有前级阀，所述分子泵的进气端设置有插板阀；
当所述第二真空室内设置所述吸铸成形模具时，所述机械泵还通过第二抽真空支路与所述吸铸成形模具的所述吸气道连接，所述第二抽真空支路上设置有吸铸控制阀，当所述吸铸控制阀开启时，所述吸铸成形模具内进行金属材料吸铸成形。
可选的，所述第一抽真空支路和所述第二抽真空支路均采用真空波纹管。
可选的，所述成形模具制冷装置包括制冷源，所述成形模具内设置有用于冷却介质流动的冷却槽，所述制冷源与所述冷却槽连接。
可选的，所述制冷源为水冷机(冷却水)、液氮源或液氦源，即前述的“冷却介质”可为冷却水、液氮或液氦。
可选的，所述冷却槽以“S”形或其他合适地形状分布，以尽可能地加大与所述成形模具之间的接触面积和换热面积，获得良好的冷却效果。
可选的，所述制冷源中的所述水冷机，还可用于对所述悬浮熔炼装置、所述分子泵等的冷却。
可选的，所述悬浮熔炼装置为静电悬浮装置、电磁悬浮装置、气动悬浮装置或超声悬浮装置。
可选的，所述成形模具加热装置包括：
绝缘陶瓷管，所述绝缘陶瓷管设置于所述成形模具的侧壁；
电阻丝，所述电阻丝的一端与所述绝缘陶瓷管连接；
保温层，所述保温层包覆于所述绝缘陶瓷管的外侧，并通过加热夹板固定于所述成形模具；
热电偶，所述热电偶插装于所述成形模具上，用于检测所述成形模具的温度；所述热电偶与所述控制***通讯连接；
电源，所述电源与所述电阻丝电连接；所述电源与所述控制***通讯连接。
可选的，所述磁场发生装置包括：
磁场发生器，所述磁场发生器设置于所述成形模具的侧面或顶部；
交/直流电源，所述交/直流电源与所述磁场发生器电连接；所述交/直流电源与所述控制***通讯连接。
可选的，所述磁场发生器为环形磁场发生器。
可选的，所述超声振动装置包括：
变幅杆，所述变幅杆的一端与所述成形模具连接；
信号发生器，所述信号发生器与所述变幅杆电连接；所述信号发生器与所述控制***通讯连接。
可选的，所述成形模具包括落铸成形模具和吸铸成形模具；其中，
所述落铸成形模具包括第一落铸成形半模和与所述第一落铸成形半模对接合模的第二落铸成形半模；所述第一落铸成形半模和所述第二落铸成形半模合模后在模具上表面形成落铸型腔；所述第一落铸成形半模和/或所述第二落铸成形半模上开设有与所述落铸型腔连通的排气道；
所述吸铸成形模具包括第一吸铸成形半模和与所述第一吸铸成形半模对接合模的第二吸铸成形半模；所述第一吸铸成形半模和所述第二吸铸成形半模合模后在模具的顶部、中心和底部分别形成有引流槽、吸铸型腔和吸气道，所述引流槽、所述吸铸型腔和所述吸气道依次连通，所述吸气道与所述抽真空***连接；
所述落铸成形模具和所述吸铸成形模具均能够与所述外场***连接。
可选的，所述吸气道的底部设置有密封槽，所述密封槽与所述第二抽真空支路密封对接。
可选的，所述第一落铸成形半模和所述第二落铸成形半模合模后形成模具整体呈圆柱形、立方体形、锥形或其他合适的形状；所形成的所述落铸型腔为圆柱形、立方体形、锥形或其他异形(非圆柱、非棱柱等规则形状)空腔。
可选的，所述第一吸铸成形半模和所述第二吸铸成形半模合模后形成模具整体呈圆柱形、立方体形、锥形或其他合适的形状；所形成的所述吸铸型腔为圆柱形、立方体形、锥形或其他异形(非圆柱、非棱柱等规则形状)空腔。
可选的，所述控制***还包括红外温度计和光电探测器，所述红外温度计用于测定待加工金属材料(金属球)的温度以及辅助实现待加工金属材料(金属球)的温度控制；所述红外温度计与所述控制***通讯连接，所述控制***可通过所述红外温度计进行待加工金属材料(金属球)温度测定；所述光电探测器用于探测待加工金属材料(金属球)的位置，其与所述控制***通讯连接。
可选的，还设置有气氛源，所述气氛源与所述第一真空室、所述第二真空室和/或所述中间真空室连接，以实现真空室环境气氛控制。
可选的，所述气氛源还可实现金属熔体的温度控制。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的基于自由落体的金属材料快速成形方法，在待加工金属材料的快速成形过程中耦合了金属材料的无容器状态和微重力效应处理(即自由落体过程)，一方面能够消除金属熔体内的异质晶核，使合金熔体进入深过冷状态，显著消除偏析，细化组织，另一方面抑制了自然对流和浮力作用，可以减少缩孔、气孔等缺陷，实现金属材料的均匀制备。同时，本发明在金属材料的快速成形过程中可以加入温度场(成形模具加热或成形模具冷却)、磁场和超声场，配合深过冷和微重力效应实现金属材料复杂条件下的超常凝固，有效调控组织，抑制偏析，提高材料的服役性能，可用于对钛合金、铌合金、钨合金、铼合金等化学性质较为活泼、熔点极高的，传统铸造成形技术难以成形的合金进行成形，实用性强。
此外，本发明提出的基于自由落体的金属材料快速成形装置，可用于实施上述基于自由落体的金属材料快速成形方法，该成形装置具有微型化、模块化和高集成化的特点，能够快速装卸、更换，有利于保护真空室、提高生产和科研效率；本发明的金属材料快速成形装置通过设置控制***，实现了控制集成化、智能化，一方面能够降低工人工作强度，有利于安全生产，另一方面各模块、组件能够高效配合，有效提高生产和科研效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所公开的基于自由落体的金属材料快速成形装置的总体结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的带有冷却槽和半圆柱形型腔的落铸成形半模示意图；
图3为本发明实施例所公开的具有超声振动功能的螺母形型腔的吸铸成形半模示意图；
图4为本发明实施例所公开的具有模具预热功能的立方体形型腔的落铸成形模具示意图；
图5为本发明实施例所公开的可耦合外部磁场的柱形型腔吸铸成形模具示意图；
图6为本发明实施例所公开的可高通量成形的吸铸成形模具示意图。
其中，附图标记为：100、基于自由落体的金属材料快速成形装置；1、第一真空室；2、悬浮熔炼装置；3、第二真空室；4、成形模具；41、第一落铸成形半模；42、第二落铸成形半模；43、落铸型腔；44、排气道；45、第一吸铸成形半模；46、第二吸铸成形半模；47、引流槽；48、吸铸型腔；49、吸气道；50、密封槽；5、中间真空室；61、制冷源；62、气氛源；71、绝缘陶瓷管；72、电阻丝；73、保温层；74、热电偶；75、电源；76、加热夹板；81、磁场发生器；82、交/直流电源；91、变幅杆；92、信号发生器；10、控制***；101、红外温度计；102、光电探测器；11、机械泵；12、分子泵；13、前级阀；14、插板阀；15、吸铸控制阀；16、底板；17、冷却槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的之一是提供一种基于自由落体的金属材料快速成形方法，可实现金属材料超常凝固条件下的快速成形，以解决上述现有空间环境地面模拟技术存在的无法实现金属材料的加工成形的问题。
本发明的另一目的还在于提供一种能够实施上述金属材料快速成形方法的基于自由落体的金属材料快速成形装置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本实施例提供一种基于自由落体的金属材料快速成形方法及装置，可实现金属材料超常凝固条件下的快速成形。
如图1～6所示，本实施例提供一种基于自由落体的金属材料快速成形装置100，具体为一种超常凝固金属的快速成形装置，其包括：
第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3，第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3自上而下依次连通布置。其中，第一真空室1优选为直径500～2000mm的圆柱形真空室，主要用于待加工金属材料(金属球)的悬浮熔炼，实现金属熔体的无容器状态；中间真空室5优选为直径500～2000mm的圆柱形真空室，主要用于实现金属熔体的自由落体过程，依据不同的加工需求，中间真空室5的高度可设置在0～3000mm的范围内可调，不同的中间真空室5高度(轴向高度)可实现金属熔体下落高度的不同，依照制造需求，中间真空室5高度优选在500-3000mm内调节，以获取不同的微重力水平；第二真空室3优选为直径500～2000mm的圆柱形真空室，主要用于实现金属熔体的落铸/吸铸成形。在实际的操作过程中，第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3可以为分体结构设置，也可以是同一真空室内分隔出的不同真空腔室。如图1所示，在圆柱状的大真空室内自上而下依次分布的是第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3，即第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3形成完整的密封真空室，其中第一真空室1和中间真空室5可以直径相同，第二真空室3作为最下方的腔室，需要接收落料，所以其直径设置的比中间真空室5和第一真空室1都大。第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3均可包含多个观察窗和法兰连接口，用于电路、管路的连接和架设光电设备等。上述各真空室用于为金属材料的加工成形过程提供高真空/惰性气体保护环境。
悬浮熔炼装置2主要用于实现直径2～500mm的金属球(待加工金属材料)的悬浮及熔炼，实现金属熔体的无容器状态；所述悬浮熔炼装置2与控制***10通讯连接，由控制***10控制。实际操作中，根据加工需求的不同(包括金属球的直径或材质的不同等)，悬浮熔炼装置2可以使用静电悬浮装置、电磁悬浮装置、气动悬浮装置或超声悬浮装置。
快速成形装置，即成形模具4主要用于金属熔体的快速成形。成形模具4包括落铸成形模具和吸铸成形模具两种不同加工形式的模具，可以根据不同的加工需求，采用适当的成形模具。成形模具4安装于底板16上，底板16上开有多个通孔用于固定和连接，底板16固定于上述第二真空室3内。
其中，落铸成形模具包括两个落铸成形半模，即第一落铸成形半模41和第二落铸成形半模42，第一落铸成形半模41和第二落铸成形半模42上开有数个盲孔，用于安装其他配件(包括外场装置等)。第一落铸成形半模41和第二落铸成形半模42可通过金属捆带扎紧实现对接合模；第一落铸成形半模41和第二落铸成形半模42合模后可以形成完整的目标工件型腔，即落铸型腔43，落铸型腔43形成于第一落铸成形半模41和第二落铸成形半模42的上表面，可以为圆柱形、立方体形、锥形或其他异形空腔。相应的，合模后形成的落铸成形模具整体可以为圆柱形或立方体形或其他合适的形状，比如为直径50～800mm、高50～800mm的圆柱形或长50～800mm、宽50～800mm、高50～800mm的立方体形等。如图2和4所示，第一落铸成形半模41和第二落铸成形半模42上开有与落铸型腔43连通的排气道44，第一落铸成形半模41和第二落铸成形半模42上分别设置排气道44的一半，第一落铸成形半模41和第二落铸成形半模42对接合模后形成完整的排气道44。
相应的，吸铸成形模具包括两个吸铸成形半模，即第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46，第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46上开有数个盲孔，用于安装其他配件(包括外场装置等)。第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46可通过金属捆带扎紧实现合模；第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46合模后可以形成完整的目标工件型腔，即吸铸型腔48，吸铸型腔48可以为圆柱形、立方体形、锥形或其他异形空腔；吸铸型腔48开于第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46的中部。相应的，合模后形成的吸铸成形模具整体可以为圆柱形或立方体形或其他合适的形状，比如为直径50～800mm、高50～800mm的圆柱形或长50～800mm、宽50～800mm、高50～800mm的立方体形等。第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46的上部开有引流槽47，引流槽47与中部的吸铸型腔48顶部连通；第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46的下部开有吸气道49和密封槽50，吸铸型腔48底部和密封槽50之间通过吸气道49连接；密封槽50通过底板16上的通孔与吸铸控制阀15、机械泵11优选通过真空波纹管依次连接。密封槽50优选为配置有内螺纹的螺纹孔，其可与吸铸控制阀15所在的抽真空支路管路螺纹连接，连接牢靠，便于拆卸，且密封性好，比如抽真空支路管路采用真空波纹管时，密封槽50与真空波纹管的螺纹头连接。上述的引流槽47呈漏斗状，引流槽47和吸气道49分别在第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46上设置一半，在第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46合模后形成完整的引流槽47和吸气道49。
本实施例中，吸铸成形模具可以进行金属材料的高通量吸铸成形，如图6所示，其高通量吸铸成形半模包含多个通过吸气道49串联的型腔，即在引流槽47和密封槽50之间间隔设置了多个吸铸型腔48，除两端的吸铸型腔48之外，其余任意相邻的吸铸型腔48之间均通过吸气道49连通；多个吸铸型腔48通过吸气道49连接形成的排布方式可以为“蛇”形或回字形等。
本实施例中，落铸成形模具和吸铸成形模具的材质可选用铜或不锈钢或钼或钨或其他合适的合金。
本实施例中，依照加工需求，成形模具4(落铸成形模具或吸铸成形模具)可以配合外场***使用，外场***可以对温度场、磁场和超声场进行调控，可在经过无容器和微重力效应处理的金属材料凝固过程中引入温度场、磁场或超声场，实现外场条件下基于自由落体的金属材料快速成形。其中，温度场包括成形模具制冷装置和成形模具加热装置，磁场包括磁场发生装置，超声场包括超声振动装置。其中的成形模具制冷装置包括制冷源61，两落铸成形半模(上述第一落铸成形半模41和第二落铸成形半模42)和两吸铸成形半模(上述第一吸铸成形半模45和第二吸铸成形半模46)内设置的供冷却介质流动的冷却槽17，冷却槽17与制冷源61连接；制冷源61为水冷机(冷却水)、液氮源或液氦源，即前述的“冷却介质”可为冷却水、液氮或液氦。
作为优选方式，冷却槽17可以“S”形或其他合适地形状分布，以尽可能地加大与模具之间的接触面积和换热面积，获得良好地冷却效果。当落铸成形模具和吸铸成形模具配合水冷机、液氮源或液氦源使用时，通过控制冷却水、液氮或液氦的流量，可以在-150℃～室温(25℃左右)的范围内对模具进行制冷，实现金属材料的大温度梯度条件凝固，落铸成形半模和吸铸成形半模的冷却槽17通过真空波纹管与水冷机、液氮源或液氦源连接。
本实施例中，成形模具加热装置，也可以称之为模具预热装置，包含加热夹板76、保温层73、绝缘陶瓷管71、电阻丝72、热电偶74和电源75；电阻丝72穿入绝缘陶瓷管71后绕于模具(落铸成形模具或吸铸成形模具)外侧，之后将保温层73覆盖于绝缘陶瓷管71外，最后由加热夹板76(其并不具备加热功能，而是一种固定件)固定于模具(落铸成形模具或吸铸成形模具)外侧；电源75与电阻丝72通过电极法兰相连；热电偶74***模具(落铸成形模具或吸铸成形模具)顶部的盲孔内，用于实时监测模具(落铸成形模具或吸铸成形模具)的加热温度；热电偶74和电源75与控制***10通讯连接，可通过控制***10实现控温。落铸成形模具和吸铸成形模具配合上述模具预热装置使用时，可以在室温(25℃左右)～1000℃范围内对成形模具4(落铸成形模具或吸铸成形模具)进行预热，降低金属材料凝固过程的温度梯度，保持一定流动性，便于成形。
本实施例中，磁场发生装置包含磁场发生器81和交/直流电源82，磁场发生器81固定于成形模具4(落铸成形模具或吸铸成形模具)侧面或顶部或其他合适位置，并与交/直流电源82通讯连接。磁场发生器81优选为一种环形磁场发生器，套设于成形模具4(落铸成形模具或吸铸成形模具)的侧面，依照加工需求可通过控制交/直流电源82使磁场发生器81产生静磁场或交变磁场，交/直流电源82与控制***10通讯连接，控制***10可通过对交/直流电源82输出电流形式(交流电或直流电)或电流大小的控制，改变磁场的方向和大小。实际操作中，上述静磁场也可通过安装Nd2Fe14B、SmCo、AlNiCo或其他合适的永磁体来产生。落铸成形模具和吸铸成形模具配合磁场发生装置使用时，可以在模具附近产生0-1T的交变磁场或0-1.5T的静磁场。
本实施例中，超声振动装置包括信号发生器92和变幅杆91，变幅杆91通过成形模具4(落铸成形模具或吸铸成形模具)顶部带有螺纹的盲孔固定于模具顶部，如图3所示。信号发生器92和变幅杆91通过电极法兰相连，信号发生器92与控制***10通讯连接，可通过控制***10实现对信号发生器91的控制。实际操作中，超声振动装置可以产生20～25kHz的超声场，并带动成形模具4(落铸成形模具或吸铸成形模具)振动。
本实施例中，抽真空***用于对真空室进行抽真空，包括机械泵11、分子泵5、前级阀13、插板阀14和吸铸控制阀15；抽真空***通过真空波纹管与真空室连接及成形模具4(落铸成形模具或吸铸成形模具)连接；抽真空***与控制***10通讯连接，控制***10用于对相关设备控制以及对相关数据进行采集。
本实施例中，控制***10用于对成形装置整体实现集成控制，其优选为计算机。控制***10还可包括红外温度计101和光电探测器102，红外温度计101用于测定金属球(待加工金属材料)温度以及辅助实现金属球(待加工金属材料)温度控制；红外温度计101与控制***10通讯连接，可以实现573-3573K温度范围的温度测定，控制***10可以通过红外温度计101实现温度的10-100Hz采集，红外温度计101配合控制***10和悬浮熔炼装置2，可以实现金属球(待加工金属材料)的精确温度控制。光电探测器102用于探测金属球(待加工金属材料)位置，其与控制***10通讯连接，当金属熔体下落至合适高度被光电探测器102探测到后，在适当延时后控制***10将自动控制吸铸控制阀15开启，完成金属材料的吸铸成形。光电探测器102架设于第二真空室3顶部的观察窗旁，观察窗位置稍高于成形模具4，光电探测器102可以通过观察窗探测金属熔体光电信号。
本实施例中，制冷源61优选为水冷机、液氮源或液氦源，所述水冷机还可用于对部分悬浮熔炼装置2、分子泵5或部分有需要的成形模具4进行冷却。
本实施例中，还设置有气氛源62，气氛源62与第一真空室1、第二真空室3和/或中间真空室5连接，以实现真空室环境气氛控制。实际操作中，气氛源62还可实现金属熔体的温度控制。气氛源62可以使用Ar(氩气)或He(氦气)中的至少一种，用于真空室环境气氛控制及金属材料温度控制。
同时，本实施例提供一种基于自由落体的金属材料快速成形方法，可应用上述基于自由落体的金属材料快速成形装置实现，具体方法包括：
步骤1、将待加工金属材料和成形模具分别放入第一真空室1和第二真空室3，调整中间真空室5高度，并通过机械泵11和分子泵12将第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3抽真空，使真空室真空度达到9.0×10-3～1×10-5Pa；
步骤2、按照制造需求调整真空室(第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3组成的真空室整体)环境并开启外场***中的部分装置；
步骤3、将待加工金属材料悬浮并熔化形成金属熔体，实现待加工金属材料的无容器状态；其中，对待加工金属材料的悬浮和熔化可通过静电悬浮、电磁悬浮、气动悬浮或超声悬浮手段实现；
步骤4、令金属熔体降至目标温度后，关闭悬浮熔炼装置2(主要是停止悬浮，以实现对金属熔体的自由释放)，使金属熔体进行自由落体，获取微重力效应；
步骤5、金属熔体下落至成形模具4内实现金属熔体的快速成形；
步骤6、关闭外场***和抽真空***，待成形模具4和铸件恢复室温(25℃左右)后开启真空室，开模取出铸件。
需要说明的是，当悬浮熔炼装置2使用静电悬浮装置时，需要保持抽真空***4持续运转，不可通过气氛源62向真空室充入惰性气体。悬浮熔炼装置2使用超声悬浮装置时必须通过气氛源62向真空室充入惰性气体。成形模具4使用吸铸成形模具时真空室内需要有一定量的惰性气体。
以下结合具体的实施方式，来对本实施例上述的基于自由落体的金属材料快速成形方法进行进一步说明。
(一)基于带有冷却槽和半圆柱形型腔的落铸成形半模结构的金属材料快速成形方法，主要包括如下步骤：
步骤1、安装静电悬浮装置，将中间真空室5高度调节至500mm，并在第二真空室3安装落铸成形模具，铜质的落铸成形半模带有如图2所示的半圆柱形型腔和冷却槽17，并将冷却槽17与冷却源61连接。在控制***10选择吸铸控制阀15自动控制关闭。将直径2mm的W60Re40合金球装入第一真空室1。
步骤2、通过控制***10开启前级阀13和插板阀14，并开启机械泵11和分子泵5将真空室(第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3组成的真空室整体)抽真空，使真空室真空度达到1×10-5Pa。
步骤3、不向真空室(第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3组成的真空室整体)反充惰性气体，开启液氮源对落铸成形模具进行制冷。
步骤4、通过控制***10控制静电悬浮装置，对W60Re40合金球进行悬浮和熔化，实现W60Re40合金熔体的无容器状态。
步骤5、当W60Re40合金熔体过冷度达到300K后通过控制***10关闭静电悬浮装置，使W60Re40合金熔体经由中间真空室5自由下落，获取微重力水平。
步骤6、中部真空室2合金熔体下落至落铸成形模具的落铸型腔43内实现W60Re40合金熔体的落铸成形。
步骤7、关闭液氮源和抽真空***，待落铸成形模具和铸件恢复室温(25℃左右)后开启真空室，开模取出铸件。
(二)基于具有超声振动功能的螺母形型腔的吸铸成形半模结构的金属材料快速成形方法，主要包括如下步骤：
步骤1、安装电磁悬浮装置，将中间真空室5高度调节至1500mm，并在第二真空室3安装吸铸成形模具，不锈钢材质的吸铸成形半模带有如图3所示的螺母型异形型腔(即吸铸型腔)和超声振动装置。在控制***10选择吸铸控制阀15自动控制开启并延时10ms。将直径500mm的7075铝合金球装入第一真空室1。
步骤2、通过控制***10开启前级阀13和插板阀14，并开启机械泵11和分子泵5将真空室(第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3组成的真空室整体)抽真空，使真空室真空度达到9×10-3Pa。
步骤3、关闭插板阀14，通过气氛源62向真空室反充氩气至标准大气压，待分子泵5关闭后关闭前级阀13，不关闭机械泵11，开启超声振动装置的信号发生器92，调节超声频率为25kHz。
步骤4、通过控制***10控制电磁悬浮装置，对7075铝合金球进行悬浮和熔化，实现7075铝合金球的无容器状态。
步骤5、当7075铝合金球熔体过冷度达到50K后通过控制***10关闭电磁悬浮装置，使7075铝合金熔体经由中间真空室5自由下落，获取微重力水平。
步骤6、光电探测器102在探测到7075铝合金球熔体光电信号10ms后(此时7075铝合金球熔体落于引流槽47上)，控制***10自动控制吸铸控制阀15打开，将7075铝合金球自引流槽47吸入吸铸型腔48内，完成7075铝合金的吸铸成形。
步骤7、关闭超声振动装置和抽真空***，待吸铸成形模具和铸件恢复室温(25℃左右)后开启真空室，开模取出铸件。
(三)基于具有模具预热功能的立方体形型腔的落铸成形模具的金属材料快速成形方法，主要包括如下步骤：
步骤1、安装气动悬浮装置，将中间真空室5高度调节至1000mm，并在第二真空室3安装落铸成形模具，钼质的落铸成形半模带有如图4所示的立方体形型腔和模具预热装置(即前述的成形模具加热装置)。在控制***10选择吸铸控制阀15自动控制关闭。将直径300mm的TA16合金球装入第一真空室1。
步骤2、通过控制***10开启前级阀13和插板阀14，并开启机械泵11和分子泵5将真空室(第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3组成的真空室整体)抽真空，使真空室真空度达到5×10-4Pa。
步骤3、关闭抽真空***，通过气氛源62向真空室反充1：1的氩氦混合气至标准大气压，开启模具预热装置(即前述的成形模具加热装置)，预热落铸成形模具至1000℃。
步骤4、通过控制***10控制气动悬浮装置，对TA16合金球进行悬浮和熔化，实现TA16合金球熔体的无容器状态。
步骤5、当TA16合金球熔体过冷度达到100K后通过控制***10关闭气动悬浮装置，使TA16合金球熔体经由中间真空室5自由下落，获取微重力水平。
步骤6、TA16合金球熔体下落至落铸成形模具顶部的落铸型腔43(上述的立方体形型腔)内实现TA16合金球熔体的落铸成形。
步骤7、关闭模具预热装置(即前述的成形模具加热装置)，待落铸成形模具和铸件恢复室温(25℃左右)后开启真空室，开模取出铸件。
(四)基于可耦合外部磁场的、具有柱形型腔的吸铸成形模具的金属材料快速成形方法，主要包括如下步骤：
步骤1、安装超声悬浮装置，将中间真空室5高度调节至3000mm，并在第二真空室3安装吸铸成形装置，钨质的吸铸成形半模带有如图5所示的柱形成形型腔(即吸铸型腔48)和磁场发生装置。在控制***10选择吸铸控制阀15自动控制开启并延时3ms。将直径200mm的Inconel718合金球装入第一真空室1。
步骤2、通过控制***10开启前级阀13和插板阀14，并开启机械泵11和分子泵5将真空室(第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3组成的真空室整体)抽真空，使真空室真空度达到5×10-3Pa。
步骤3、关闭插板阀14，通过气氛源62向真空室反充氩气至标准大气压，待分子泵5关闭后关闭前级阀13，不关闭机械泵11，开启磁场发生装置，使用交变磁场，调节磁感应强度至1T。
步骤4、通过控制***10控制超声悬浮装置，对Inconel718合金球进行悬浮和熔化，实现Inconel718合金球熔体的无容器状态。
步骤5、当Inconel718合金球熔体过冷度达到30K后通过控制***10关闭超声悬浮装置，使Inconel718合金球熔体经由中间真空室5自由下落，获取微重力水平。
步骤6、光电探测器62在探测到Inconel718合金球熔体光电信号3ms后(此时Inconel718合金球熔体落于引流槽47上)，控制***10自动控制吸铸控制阀15打开，将Inconel718合金球熔体自引流槽47吸入柱形的吸铸型腔48内，完成Inconel718合金的吸铸成形。
步骤7、关闭磁场发生装置和抽真空***，待吸铸成形模具和铸件恢复室温(25℃左右)后开启真空室，开模取出铸件。
(五)基于具有高通量成形型腔的吸铸成形模具的金属材料快速成形方法，主要包括如下步骤：
步骤1、安装电磁悬浮装置，将中间真空室5高度调节至1500mm，并在第二真空室3安装吸铸成形装置，铜质的吸铸成形半模带有如图6所示的高通量成形型腔。在控制***10选择吸铸控制阀15自动控制开启并延时10ms。将直径200mm的Nb5Si3合金球装入第一真空室1。
步骤2、通过控制***10开启前级阀13和插板阀14，并开启机械泵11和分子泵5将真空室(第一真空室1、中间真空室5和第二真空室3组成的真空室整体)抽真空，使真空室真空度达到5×10-3Pa。
步骤3、关闭插板阀14，通过气氛源62向真空室反充氩气至标准大气压，待分子泵5关闭后关闭前级阀13，不关闭机械泵11。
步骤4、通过控制***10控制电磁悬浮装置，对Nb5Si3合金球进行悬浮和熔化，实现Nb5Si3合金球熔体的无容器状态。
步骤5、当Nb5Si3合金球熔体过冷度达到30K后通过控制***10关闭电磁悬浮装置，使Nb5Si3合金球熔体经由中间真空室5自由下落，获取微重力水平。
步骤6、光电探测器62在探测到Nb5Si3合金球熔体光电信号3ms后(此时Nb5Si3合金球熔体落于引流槽47上)，控制***10自动控制吸铸控制阀15打开，将Nb5Si3合金球熔体自引流槽47依次吸入高通量成形型腔的各吸铸型腔48内(高通量成形型腔中各吸铸型腔48串联)，完成Nb5Si3合金的吸铸成形。
步骤7、关闭抽真空***，待吸铸成形模具和铸件恢复室温(25℃左右)后开启真空室，开模取出铸件。
由此可见，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明在金属材料的快速成形过程中耦合了金属材料的无容器状态和微重力效应，一方面能够消除金属熔体内的异质晶核，使合金熔体进入深过冷状态，显著消除偏析，细化组织，另一方面抑制了自然对流和浮力作用，可以减少缩孔、气孔等缺陷，实现金属材料的均匀制备；
(2)本发明可以在金属材料的快速成形过程中可以加入温度场、磁场和超声场，配合深过冷和微重力效应实现金属材料复杂条件下的超常凝固，有效调控组织，抑制偏析，提高材料的服役性能；
(3)本发明可以对钛合金、铌合金、钨合金、铼合金等化学性质较为活泼、熔点极高的，传统铸造成形技术难以成形的合金进行成形；
(4)本发明有微型化和模块化的特点，能够快速装卸、更换，有利于保护真空室和提高生产和科研效率；
(5)本发明有控制集成化、智能化的特点，一方面能够降低工人工作强度，有利于安全生产，另一方面各模块、组件能够高效配合，有效提高生产和科研效率。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.基于自由落体的金属材料快速成形方法，其特征在于，采用基于自由落体的金属材料快速成形装置实施，所述基于自由落体的金属材料快速成形装置包括：
第一真空室，所述第一真空室安装有悬浮熔炼装置，以将待加工金属材料悬浮并熔化形成处于无容器状态的金属熔体；
第二真空室，所述第二真空室位于所述第一真空室的下方，所述第二真空室内设置有成形模具，所述成形模具用于承接自由下落的所述金属熔体，并使所述金属熔体成形；所述成形模具包括落铸成形模具和吸铸成形模具；其中，所述落铸成形模具包括第一落铸成形半模和与所述第一落铸成形半模对接合模的第二落铸成形半模；所述第一落铸成形半模和所述第二落铸成形半模合模后在模具上表面形成落铸型腔；所述第一落铸成形半模和/或所述第二落铸成形半模上开设有与所述落铸型腔连通的排气道；所述吸铸成形模具包括第一吸铸成形半模和与所述第一吸铸成形半模对接合模的第二吸铸成形半模；所述第一吸铸成形半模和所述第二吸铸成形半模合模后在模具的顶部、中心和底部分别形成有引流槽、吸铸型腔和吸气道，所述引流槽、所述吸铸型腔和所述吸气道依次连通，所述吸气道与抽真空***连接；所述第二真空室内设置所述落铸成形模具和所述吸铸成形模具中的一者，所述落铸成形模具和所述吸铸成形模具均能够与外场***连接；
中间真空室，所述中间真空室连接于所述第一真空室和所述第二真空室之间，用于实现所述金属熔体的自由落体；
抽真空***，所述抽真空***与所述第一真空室、所述第二真空室、所述中间真空室和/或所述成形模具连接；所述抽真空***包括机械泵，所述机械泵通过第一抽真空支路与所述第一真空室、所述第二真空室和/或所述中间真空室连接，所述第一抽真空支路上设置有分子泵，所述分子泵的出气端设置有前级阀，所述分子泵的进气端设置有插板阀；当所述第二真空室内设置所述吸铸成形模具时，所述机械泵还通过第二抽真空支路与所述吸铸成形模具的所述吸气道连接，所述第二抽真空支路上设置有吸铸控制阀，当所述吸铸控制阀开启时，所述吸铸成形模具内进行金属材料吸铸成形；
外场***，所述外场***与所述成形模具连接，其包括成形模具制冷装置、成形模具加热装置、磁场发生装置和超声振动装置；其中，所述成形模具制冷装置能够对所述成形模具进行制冷；所述成形模具加热装置能够对所述成形模具进行加热，其包括绝缘陶瓷管、电阻丝、保温层、热电偶和电源，所述绝缘陶瓷管设置于所述成形模具的侧壁，所述电阻丝的一端与所述绝缘陶瓷管连接，所述保温层包覆于所述绝缘陶瓷管的外侧，并通过加热夹板固定于所述成形模具，所述热电偶插装于所述成形模具上，用于检测所述成形模具的温度，所述热电偶与控制***通讯连接，所述电源与所述电阻丝电连接；所述磁场发生装置能够对所述成形模具施加磁场，所述超声振动装置能够对所述成形模具施加超声振动；
控制***，所述控制***与所述抽真空***、所述悬浮熔炼装置和所述外场***通讯连接；
所述基于自由落体的金属材料快速成形方法包括：
将待加工金属材料放入第一真空室，并对所述第一真空室抽真空；
将成形模具置于第二真空室，对所述第二真空室抽真空，并调整室内环境，所述调整室内环境包括对所述成形模具制冷、对所述成形模具预热、对所述成形模具施加磁场和/或对所述成形模具施加超声振动；
将所述待加工金属材料悬浮并熔化形成金属熔体，以实现所述待加工金属材料的无容器状态；
使所述金属熔体自由下落至所述成形模具内实现所述金属熔体的快速成形。
2.根据权利要求1所述的金属材料快速成形方法，其特征在于，所述第一真空室和所述第二真空室连通形成一整体真空室，所述整体真空室内的真空度为9.0×10-3 ~ 1×10- 5Pa。
3.根据权利要求1所述的基于自由落体的金属材料快速成形方法，其特征在于，所述基于自由落体的金属材料快速成形装置还包括气氛源，所述气氛源与所述第一真空室、所述第二真空室和/或所述中间真空室连接，以实现真空室环境气氛控制；
所述成形模具制冷装置包括制冷源，所述成形模具内设置有用于冷却介质流动的冷却槽，所述制冷源与所述冷却槽连接。
4.根据权利要求1所述的基于自由落体的金属材料快速成形方法，其特征在于，所述悬浮熔炼装置为静电悬浮装置、电磁悬浮装置、气动悬浮装置或超声悬浮装置。
5.根据权利要求1所述的基于自由落体的金属材料快速成形方法，其特征在于，所述磁场发生装置包括：
磁场发生器，所述磁场发生器设置于所述成形模具的外侧或顶部；
交/直流电源，所述交/直流电源与所述磁场发生器电连接；所述交/直流电源与所述控制***通讯连接。
6.根据权利要求1所述的基于自由落体的金属材料快速成形方法，其特征在于，所述超声振动装置包括：
变幅杆，所述变幅杆的一端与所述成形模具连接；
信号发生器，所述信号发生器与所述变幅杆的另一端电连接；所述信号发生器与所述控制***通讯连接。
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