CN114273768A - 一种电子束多丝协同增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电子束多丝协同增材制造装置及方法，属于增材制造技术领域。能够实现多丝同送和多丝协送的功能，以高熔点纯金属丝材或高温合金丝材为原材料，解决了高温合金及高温复合材料的制备和成型的问题。它包括包括真空室、电子枪、送丝机构、基板和工作平台，所述电子枪固定连接在真空室顶部，所述送丝机构设有多个，多个送丝机构皆放置在真空室顶部，并以电子枪轴心为圆心均布设置，所述工作台设置在真空室内，所述基板设置在工作台上，所述工作平台位于电子枪的下方。此外，本发明所涉及的技术方案，可以推广应用到其他金属及合金的快速制备，尤其适合于金属基梯度复合材料的制备和成形。

Description

一种电子束多丝协同增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种电子束多丝协同增材制造装置及方法。

背景技术

传统的高温合金是以铁、镍、钴、钼、铌、钨等为基体，通过合金化得到的一类能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的金属材料，具有优异的高温强度、抗热腐蚀性能和疲劳性能，主要应用于航空航天、核工业及能源领域。随着高温合金的发展，越来越多的金属或合金被划分到高温材料的范畴，如TiAl金属间化合物、金属基高温复合材料、难熔中/高熵合金等，只要它们能够满足耐高温部件的服役要求，从广义的概念上均可称为高温材料。

目前，对于高温合金及高温复合材料的制备，主要有熔铸冶金法、粉末冶金法和激光增材制造。由于组成高温合金的元素有着很高的熔点，如Zr和Nb的熔点分别高达1852℃和2468℃，这给高温合金的冶炼加工带来了极大的困难，需要大型真空熔炼炉和超高温加热炉等大型设备，使得冶炼工艺复杂、成本高昂。另外，用粉末冶金法制备高温合金及高温复合材料时，需要各种价格昂贵的高纯金属粉末和预合金粉末，且需经过球磨混分、热压烧结、坯料锻轧等一系列复杂的工序才能得到高温合金成品。而激光增材制造高温合金的过程中，因各元素较高的熔点，对激光功率有很高的要求，易出现粉末熔化不均匀、层间未熔合及翘曲变形等问题，且偏低的熔覆率很难实现大型复杂高温合金及高温复合材料构件的快速成形。因此，开发一种高温合金及高温复合材料的高能束快速制备方法是十分必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种电子束多丝协同增材制造装置及方法,以解决不能够实现多丝同送和多丝协送的问题，且以高熔点纯金属丝材或高温合金丝材为原材料，直接实现高温合金及高温复合材料的制备和成型。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电子束多丝协同增材制造装置，包括真空室、电子枪、送丝机构、基板和工作平台，所述电子枪固定连接在真空室顶部，所述送丝机构设有多个，多个送丝机构皆设置在真空室顶部，并以电子枪轴心为圆心均布设置，所述工作台设置在真空室内，所述基板设置在工作台上，所述工作台位于电子枪的下方。

更进一步的，所述电子枪使用时激发电子束，所述电子束轰击在基板上形成熔池。

更进一步的，所述送丝机构包括送丝杆和送丝嘴，所述送丝杆设置在真空室内，使用前，调整好送丝嘴与送丝杆的角度，通过机械将送丝嘴与送丝杆固定连接。

更进一步的，所述送丝机构还包括送丝轮、金属丝材和送丝软管，所述送丝轮安装有丝盘，所述金属丝材缠绕在丝盘上，所述送丝软管与送丝嘴连接，所述送丝轮设置在真空室上方。

更进一步的，所述金属丝材原材料为高温合金或高熔点纯金属。

更进一步的，所述基板的表面须打磨光亮。

一种电子束多丝协同增材制造装置的制造方法，它包括以下步骤：

步骤一：将不同金属丝材的丝盘分别安装在各送丝机构的送丝轮上，让丝材均露出送丝嘴一定距离，并将表面打磨光亮的基板装夹固定在工作平台上；

步骤二：待真空室内的真空度达到设备使用要求时，电子枪发射电子束轰击基板形成熔池，并调整送丝杆和送丝嘴的空间位置，使各金属丝材的前端或前端延长线与熔池中心重合，再者根据实际需求使不同丝材的前端在Z方向上有一定的距离差；

步骤三：编写好送丝机构的控制程序，让各送丝机构同时送丝或按先后顺序送丝，保证各金属丝准确地进给到熔池中；

步骤四：编写工作程序，确定工作平台的运动轨迹，设定合适的加工参数，如电压、束流、聚焦电流、打印速度和送丝速度等；

步骤五：工作平台按步骤四中所述的运动轨迹在XYZ方向上逐层运动，进给到熔池中的各丝材不断熔化-凝固，实现增材部件的制备和成形。

更进一步的，该方法所涉及的技术方案，可以推广应用到其他金属及合金的快速制备，尤其适合于金属基梯度复合材料的制备和成型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.高能电子束和高真空环境，保证了活性难熔金属和高温合金熔凝过程中的均匀性和纯净性，提高了高温合金及高温复合材料成品构件的冶金质量；

2.可实现金属丝材到高温合金构件的快速制备，多丝协同的特点尤其适合于高温梯度复合材料的制备和成形；

3.多丝协同的制备工序，极大地缩短了加工流程，提高了成形效率。

附图说明

构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种电子束多丝协同增材制造装置的示意图；

图2为送丝机构组件的示意图；

图3为电子束三丝协同增材制造过程的示意图；

图4为电子束三丝协同增材制造的TiZrNb难熔中熵合金的组织、物相及成分均匀性分布图。

1-真空室，2-电子枪，3-送丝机构，4-增材部件，5-基板，6-工作平台，7-电子束，8-熔池，301-送丝轮，302-金属丝材，303-送丝软管，304-送丝杆，305-送丝嘴，3-1：1号送丝机构，3-2：2号送丝机构，3-3：3号送丝机构。

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、完整地阐述。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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1-4说明本实施方式，一种电子束多丝协同增材制造装置，包括真空室1、电子枪2、多个送丝机构3、基板5和工作平台6，所述真空室1提供制备成型过程中的真空环境，电子枪2设置在真空室1的顶部，所述电子枪2形成电子束7，多个送丝机构3以电子枪2轴心为圆心均布设置在真空室1顶部，多个送丝机构3提供所需的金属丝材302，工作平台6设置在真空室1内，基板5设置在工作平台6上，基板5上设有增材部件4，所述工作平台6在真空室1实现XYZ三个方向上的移动，在基板5装夹在工作平台6后，电子束7轰击扫描基板5表面形成熔池8时，随着工作平台6的移动，熔化送丝机构3进给的丝材，进而实现增材部件4的制备和成形。

参看图1-4说明本实施方式，本实施例为电子束三丝协同增材制造的TiZrNb难熔中熵合金，一种高温合金及高温复合材料的电子束多丝协同增材制造方法，可以通过三个送丝机构同时向基板熔池中进给纯Ti丝、纯Zr丝和纯Nb丝，实现TiZrNb难熔中熵合金的制备和成形，结合图1-4将其具体步骤详述如下：

步骤一：将纯Ti丝、纯Zr丝和纯Nb丝的丝盘分别安装在1号送丝机构3-1、2号送丝机构3-2和3号送丝机构3-3的的送丝轮301上，让三种丝材均露出送丝嘴305一定距离，并将表面打磨光亮的纯钛基板5夹装固定在工作平台6上；

步骤二：待真空室1内的真空度达到设备使用要求时，电子枪2发射电子束7轰击纯钛基板5形成熔池，并调整送丝杆304和送丝嘴305的空间位置，使三种金属丝材302的前端与熔池中心重合；

步骤三：编写好送丝机构的控制程序，让1号送丝机构3-1、2号送丝机构3-2和3号送丝机构3-3同时送丝，保证纯Ti丝、纯Zr丝和纯Nb丝同时进给到熔池中；

步骤四：编写工作程序，确定工作平台6的运动轨迹，设定合适的加工参数，如电压、束流、聚焦电流、打印速度和送丝速度等；

步骤五：工作平台6按步骤四中所述的运动轨迹在XYZ方向上逐层运动，进给到熔池中的纯Ti丝、纯Zr丝和纯Nb丝不断熔化-凝固，实现增材部件4—TiZrNb难熔中熵合金的制备和成形。

电子束三丝协同增材制造的TiZrNb难熔中熵合金组织、物相及成分如附图4所示，从图4a可以发现，TiZrNb难熔中熵合金的微观组织呈树枝晶和等轴晶组成的混晶组织，这是增材制造的难熔合金的典型微观组织，同时，图4b表明该TiZrNb难熔中熵合金由单一的体心立方BCC固溶体组成，且Ti、Zr、Nb三种元素在固溶体中均匀分布，没有发现元素偏析，这均得益于电子束三丝协同增材制造过程中电子束对熔池中熔体的搅拌作用，使得难熔的Ti、Zr、Nb能够均匀分布，形成良好的难熔中熵合金。因此，本发明一种高温合金及高温复合材料的电子束多丝协同增材制造装置及方法制备的TiZrNb难熔中熵合金是一种极具应用潜力的高温合金。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (8)

1.一种电子束多丝协同增材制造装置，其特征在于：包括真空室(1)、电子枪(2)、送丝机构(3)、基板(5)和工作平台(6)，所述电子枪(2)固定连接在真空室(1)顶部，所述送丝机构(3)设有多个，多个送丝机构(3)皆设置在真空室(1)顶部，多个送丝机构(3)以电子枪(2)轴心为圆心均布设置，所述工作台(6)设置在真空室(1)内，所述基板(5)设置在工作台(6)上，所述工作台(6)位于电子枪(2)的下方。

2.根据权利要求1所述的一种电子束多丝协同增材制造装置，其特征在于：所述电子枪(2)使用时激发电子束(7)，所述电子束(7)轰击在基板(5)上形成熔池(8)。

3.根据权利要求1所述的一种电子束多丝协同增材制造装置，其特征在于：所述送丝机构(3)包括送丝杆(304)和送丝嘴(305)，所述送丝嘴(305)与送丝杆(304)固定连接，所述送丝杆(304)设置在真空室(1)内。

4.根据权利要求3所述的一种电子束多丝协同增材制造装置，其特征在于：所述送丝机构(3)还包括送丝轮(301)、金属丝材(302)和送丝软管(303)，所述送丝轮(301)安装有丝盘，所述金属丝材(302)缠绕在丝盘上，所述送丝软管(303)与送丝嘴(305)连接，所述送丝轮(301)设置在真空室(1)上方。

5.根据权利要求4所述的一种电子束多丝协同增材制造装置，其特征在于：所述金属丝材(302)原材料为高温合金。

6.根据权利要求1所述的一种电子束多丝协同增材制造装置，其特征在于：所述基板(5)的表面须打磨光亮。

7.如权利要求1所述的一种电子束多丝协同增材制造装置的制造方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：将不同金属丝材(302)的丝盘分别安装在各送丝机构(3)的送丝轮(301)上，让丝材均露出送丝嘴(305)一定距离，并将表面打磨光亮的基板(5)装夹固定在工作平台(6)上；

步骤二：待真空室(1)内的真空度达到设备使用要求时，电子枪(2)发射电子束(7)轰击基板(5)形成熔池(8)，并调整送丝杆(304)和送丝嘴(305)的空间位置，使各金属丝材(302)的前端或前端延长线与熔池(8)中心重合，再根据实际需求使不同丝材的前端在Z方向上有一定的距离差；

步骤三：让各送丝机构(3)同时送丝或按先后顺序送丝，保证各金属丝准确地进给到熔池(8)中；

步骤四：确定工作平台(6)的运动轨迹，设定合适的加工参数；

步骤五：工作平台(6)按步骤四中所述的运动轨迹在XYZ方向上逐层运动，进给到熔池(8)中的各丝材不断熔化-凝固，实现增材部件(4)的制备和成形。

8.根据权利要求7所述的一种电子束多丝协同增材制造装置的制造方法，其特征在于：步骤四中设定的加工参数包括电压、束流、聚焦电流、打印速度和/或送丝速度。

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