基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置及其方法。非晶合金增材制造装置包括控制装置、动态原位热处理装置、成形机械臂以及成形工作头；动态原位热处理装置包括导轨以及分别安装在导轨上的前置冷却臂、熔道冷却臂。本发明专利技术通过控制装置协调控制前置冷却臂、成形机械臂、熔道冷却臂，以使得已凝固区的温度低于玻璃化转变温度，沉积区的冷却速度超过材料的临界冷却速率，并且通过使先沉积层和基板温度在沉积过程中维持较低水平，加大熔池凝固前沿的温度梯度，可以有效的减少热积累现象，使熔池边界始终存在较大的温度梯度，加快其冷却速度，以获得高比例非晶相且塑性更优的非晶构件。非晶相且塑性更优的非晶构件。非晶相且塑性更优的非晶构件。

【技术实现步骤摘要】
基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置及其方法


[0001]本专利技术属于金属构件3D打印
，尤其涉及一种基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置及其方法，适用于成形过程中需要高冷却速率和对于热影响区有高要求的块体非晶合金制造。

技术介绍

[0002]非晶合金又被称为金属玻璃和非晶态合金，是在20世纪中叶发展起来的一种新型金属材料，兼具金属和玻璃双重性质，被认为是孕育着继钢铁、塑料之后的第三种材料工业革命的新型结构材料。与传统金属材料周期性长程有序的原子结构不同的是，非晶合金的原子结构呈短程有序、长程无序的状态，因此拥有一系列明显优于传统晶态合金的力学、物理和化学性能。如高强度(>1500MPa)、高弹性(弹性极限>2％)、高韧性(Kq>100MPa
·
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1/2
)以及优异的耐蚀性能(在Cl
‑1环境中的腐蚀性能是不锈钢的100倍以上)和软磁性能(铁损仅为硅钢的1/4)，块体非晶合金的上述特性使其在智能机械、能源化工、航空航天、体育、医疗等领域呈现广阔的应用前景。
[0003]非晶是一种亚稳态材料，从熔体凝固形成时需要足够高的冷却速度以避免晶体相的产生。随着近年各种合金体系的非晶合金的发展，铜模铸造(冷却速度约为500～600℃/s)已能满足许多非晶合金的临界冷却速率，如Liquidmetal公司已采用压铸成形技术成功实现块体非晶合金零件的商业生产。但由于铜模铸造的冷却速率快，严重影响合金熔体的流动性，这给复杂零件的成形制造带来挑战。
[0004]热塑性成形技术是利用非晶合过冷液相区所具有的超塑性，将非晶合金加热到过冷液相区后进行压力成型的成形一种技术，这种方式所生产的构件的精度高，成形质量也较好，但由于过冷液态块体非晶合金的热塑性成形温度区间狭窄，较低的成形温度下虽具有较长的非晶晶化孕育期，但黏度大，材料不易流动；升高成形温度虽可降低黏度，提升其成形能力，但极大增加其晶化风险。因此，该方法仅适用于微细零件的压印成形，难以用于成形大尺寸复杂结构零件。
[0005]3D打印技术可高效地一体成形复杂金属构件。由于激光增材技术区别于传统的减材和等材成形方法，激光增材制造是利用高能束流快速熔化和凝固金属粉末，将周期性熔凝构件二维截面并沿成形方向通过冶金结合形成三维构件，基于三维
‑
二维
‑
三维成形原理可最大限度地满足复杂构件的一体化成形。因此激光增材技术可以制备任何复杂结构的构件；同时由于激光的能量非常集中，熔池的冷却速度可以达到103～105℃/s，高于大多数非晶材料体系的临界冷却速率，这为激光增材制造技术制备块体非晶合金提供了可能。
[0006]非晶合金在室温下所具有的高强度和高硬度的特点，使它难以通过常规手段进行机械加工，虽然通过激光增材技术可对复杂结构块体非晶合金构件进行成形，但由于激光定向能量沉积(Laser directed Energy Deposition，LDED)成形过程中复杂的热循环过程，使得先沉积的非晶层会再经历数次的加热过程，一旦温度超过该体系的玻璃化转变温度而冷却速率又小于该体系的临界冷却速率，那么先沉积层就会发生晶化，使得整体构件
的非晶比例降低。除此之外，由于热积累效应，逐层加工时随着沉积层数量的增加，基板与先沉积层的温度都会随之上升，从而导致整体温度梯度的降低和熔池热影响区的进一步扩大，这对于非晶相的形成都是极为不利的。同时，对于LDED方法，先沉积的部位先凝固，随后在空气中自然冷却，这就使得熔池内部产生了一个横向的温度梯度，这就使得熔池的热量在向四周流动的同时也从熔池的熔化前沿朝凝固前沿流动，而这种不均匀的热量流动方式会使得所成形的非晶合金的软点和自由体积减少，使得所成形的非晶合金构件的塑性极差，限制了打印构件的工程应用。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：针对上述激光增材技术成形块体非晶合金存在的问题与不足，本专利技术提供了一种基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置及其方法，以实现较高非晶比例并具有一定塑性的非晶合金构件的成形。
[0008]技术方案：为了解决上述技术难题，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置，包括控制装置、动态原位热处理装置、成形机械臂以及与成形机械臂的动力输出端连接的成形工作头；所述的动态原位热处理装置包括导轨以及分别安装在导轨上的前置冷却臂、熔道冷却臂；其中：
[0010]前置冷却臂包括前置冷却机械臂以及与前置冷却机械臂的动力输出端连接的前置冷却喷嘴；熔道冷却臂包括熔道冷却机械臂以及与熔道冷却机械臂的动力输出端连接的熔道冷却喷嘴；成形机械臂、前置冷却机械臂以及熔道冷却机械臂均分别与控制装置通过相应的控制信号连接；
[0011]所述控制装置分别针对前置冷却机械臂、成形机械臂以及熔道冷却机械臂规划出相应的运动轨迹a
‑
c；运动轨迹b包括若干个顺序加工的沉积点Bi，各沉积点Bi通过控制装置根据待成形构件的形貌特征规划而形成；运动轨迹a包括若干个顺序冷却的前置冷却点Ai，且每一个前置冷却点Ai均相对于相应的沉积点Bi超前一个动态时间差Δt
1i
并沿着运动轨迹b的移动方向前移一段距离Δd1；运动轨迹c包括若干个顺序冷却的熔道冷却点Ci，且每一个熔道冷却点均相对于相应的沉积点Bi滞后一个动态时间差Δt
2i
并沿着运动轨迹b的移动方向后置一段距离Δd2；i表示加工序号，取值为正整数；
[0012]在控制装置的控制下，前置冷却机械臂带动前置冷却喷嘴按照预设的运动轨迹b在加工区域移动并逐一在各前置冷却点Ai通过前置冷却喷嘴输送冷却介质，直至对应前置冷却点Ai的温度低于待成形构件材料的玻璃化转变温度T
g
；
[0013]在控制装置的控制下，成形机械臂带动成形工作头按照预设的运动轨迹a在加工区域移动并逐一在各温度低于玻璃化转变温度T
g
的沉积点Bi通过成形工作头铺粉、激光熔化打印粉末，以在相应的沉积点Bi处形成熔池；
[0014]在控制装置的控制下，熔道冷却机械臂带动熔道冷却喷嘴按照预设的运动轨迹c在加工区域移动并逐一在形成熔池的相应熔道冷却点Ci处通过熔道冷却喷嘴输送冷却介质，以使熔道冷却点Ci处的熔池的冷却速率R超过待成形构件材料的临界冷却速率R
c
。
[0015]优选地，前置冷却喷嘴输出的冷却介质的送气量V0与熔道冷却喷嘴输出的冷却介质的送气量V
c
满足：
[0016][0017][0018]式中：R表示熔池凝固前沿的冷却速率；R
c
表示待成形构件材料的临界冷却速率；G
T
为激光扫描方向上的温度梯度，v为激光扫描速度；T表示熔池的温度，通过安装在熔道冷却喷嘴上的红外线测温仪实时监测获得；T0表示熔池的边界温度，为待成形构件的熔点T
m
；L表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置，包括控制装置、成形机械臂以及与成形机械臂的动力输出端连接的成形工作头；其特征在于，还包括动态原位热处理装置；所述的动态原位热处理装置包括导轨以及分别安装在导轨上的前置冷却臂、熔道冷却臂；其中：前置冷却臂包括前置冷却机械臂以及与前置冷却机械臂的动力输出端连接的前置冷却喷嘴；熔道冷却臂包括熔道冷却机械臂以及与熔道冷却机械臂的动力输出端连接的熔道冷却喷嘴；成形机械臂、前置冷却机械臂以及熔道冷却机械臂均分别与控制装置通过相应的控制信号连接；所述控制装置分别针对前置冷却机械臂、成形机械臂以及熔道冷却机械臂规划出相应的运动轨迹a
‑
c；运动轨迹b包括若干个顺序加工的沉积点Bi，各沉积点Bi通过控制装置根据待成形构件的形貌特征规划而形成；运动轨迹a包括若干个顺序冷却的前置冷却点Ai，且每一个前置冷却点Ai均相对于相应的沉积点Bi超前一个动态时间差Δt
1i
并沿着运动轨迹b的移动方向前移一段距离Δd1；运动轨迹c包括若干个顺序冷却的熔道冷却点Ci，且每一个熔道冷却点均相对于相应的沉积点Bi滞后一个动态时间差Δt
2i
并沿着运动轨迹b的移动方向后置一段距离Δd2；i表示加工序号，取值为正整数；在控制装置的控制下，前置冷却机械臂带动前置冷却喷嘴按照预设的运动轨迹b在加工区域移动并逐一在各前置冷却点Ai通过前置冷却喷嘴输送冷却介质，直至对应前置冷却点Ai的温度低于待成形构件材料的玻璃化转变温度T
g
；在控制装置的控制下，成形机械臂带动成形工作头按照预设的运动轨迹a在加工区域移动并逐一在各温度低于玻璃化转变温度T
g
的沉积点Bi通过成形工作头铺粉、激光熔化打印粉末，以在相应的沉积点Bi处形成熔池；在控制装置的控制下，熔道冷却机械臂带动熔道冷却喷嘴按照预设的运动轨迹c在加工区域移动并逐一在形成熔池的相应熔道冷却点Ci处通过熔道冷却喷嘴输送冷却介质，以使熔道冷却点Ci处的熔池的冷却速率R超过待成形构件材料的临界冷却速率R
c
。2.根据权利要求1所述的基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置，其特征在于，前置冷却喷嘴输出的冷却介质的送气量V0与熔道冷却喷嘴输出的冷却介质的送气量V
c
满足：足：式中：R表示熔池凝固前沿的冷却速率；R
c
表示待成形构件材料的临界冷却速率；G
T
为激光扫描方向上的温度梯度，v为激光扫描速度；T表示熔池的温度，通过安装在熔道冷却喷嘴上的红外线测温仪实时监测获得；T0表示熔池的边界温度，为待成形构件的熔点T
m
；L表示熔池边界到沉积点Bi的间距，即为熔道冷却点Ci与沉积点Bi之间的间距Δd2。3.根据权利要求1所述的基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置，其特征在于，前置冷却机械臂、熔道冷却机械臂均包括一级机械臂、二级机械臂，一级机械臂的一端通过
底座可移动地安装在导轨上，另一端则与二级机械臂的一端连接，二级机械臂的另一端配装所述的前置冷却喷嘴/熔道冷却喷嘴。4.根据权利要求3所述的基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置，其特征在于，前置冷却喷嘴、熔道冷却喷嘴均搭载有红外线测温仪。5.根据权利要求4所述的基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置，其特征在于，前置冷却喷嘴、熔道冷却喷嘴分别与装填有冷却介质的冷却瓶连接。6.根据权利要求1所述的基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置，其特征在于，所述的导轨为环形导轨；加工区域设置在环形导轨所包围的区域内。7.一种基于动态原位热处理的非晶合金增材制造方法，通过权利要求1所述的基于动态原位热处理的非晶合金增材制造装置而实现，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、构建成形机械臂的运动轨迹b根据待成形构件的形貌特征规划出成形机械臂的运动轨迹b；运动轨迹b包括若干顺序加工的沉积点Bi(x
bi
,y
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)；x
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、z
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分别为沉积点Bi的X轴向、Y轴向、Z轴向数据，t
bi
表示每一个沉积点Bi对应的加工时刻；步骤二、构建前置冷却机械臂的运动轨迹a以及熔道冷却机械臂的运动轨迹c以运动轨迹b的各沉积点Bi(x
bi
,y
bi<...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴冬华，龙宇航，顾冬冬，赵文泰，历彦泽，石新宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：