[发明专利]一种多自由度数控冶金射流直接成形的制备方法和设备

说明书

技术领域：本发明涉及一种金属零件的制备方法及设备，特别是一种多自由度数控冶金射流直接成形的制备方法和设备,属于材料科学领域。

背景技术：金属喷射沉积技术最早是由英国的Singer教授于七十年代提出的，原理是：在惰性气氛保护下，将熔融金属利用特殊设计的喷嘴雾化形成颗粒喷射流，直接喷射在水冷的基体上，经过撞击、聚结、凝固而形成沉积物。喷射沉积技术是一种新型的制坯方法，广泛用于制备各种合金及其复合材料管坯、板坯、锭坯等。近年来，喷射沉积技术虽然获得了迅猛发展，但本质上都是采用Singer教授提出的原理。然而，目前的喷射沉积方法均为通过在旋转基面上喷射，来获得状沉积坯料。还有一种材料制备方法是直接喷射熔融金属液流到高速旋转的急冷铜盘上，制备非晶、纳米晶带材。但是这些方法都无法直接获得具有复杂异型截面的零件。

近年来，增材制造技术也应用于金属快速成形。目前的金属快速直接成型主要采用激光、电子束熔覆的方法，即利用数控方法将金属粉末预置铺成零件形状，利用高能激光、将电子束金属粉末熔化，冷却凝固后再在该层上铺金属粉末，再用激光、电子束加热熔化、冷却凝固，如此往复不断，就制成具有复杂形状的零件。该方法的特点是成型精确、力学性能较高。但是，该方法必须用金属粉末为原料，由于原料金属粉末颗粒巨大的总表面积难以避免存在氧化层，对凝固组织内部的影响较大。金属粉末颗粒之间存在空隙，所获得的材料组织难以达到直接铸造金属的致密程度，缺陷较多，影响冶金质量。特别是在制备金属功能材料时，巨大表面的氧化层严重影响金属功能材料的纯度，从而影响功能的实现。

另外，上述直接成形工艺，由于加热束斑尺寸限制，效率较低，一个大型零件往往需要几小时甚至几天才能制成。

中国专利“一种平面往复运动喷射沉积多层复合材料的制备方法和设备”(200710010694.7)，该专利沉积基板在水平面上只有一维运动，因此无法进行三维工件的直接成形。

发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种多自由度数控冶金射流直接成形的制备方法和设备。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多自由度数控冶金射流直接成形的设备，包括炉体基座、真空双层炉体、炉门、炉门炉体观察窗、真空计、惰性气体强制冷却装置、坩埚升降及射流惰性气体加压装置、测温装置、炉体观察窗、惰性气体进气阀、大气交换阀、沉积基板运动控制器、数控编程计算机、真空泵、熔炼电源、惰性气体瓶、运动机构支架、水平旋转基座、水平面旋转滑轨、水平二维横向运动机构、水平二维纵向运动机构、垂直一维运动机构、冶金射流沉积基板、弯曲沉积工件倾转夹具、熔炼加热装置、熔炼坩埚、送料机构、测温热电偶、红外测温装置、沉积基板倾转机构、基板循环冷却水管道和冷却水系统。真空双层炉体固定在炉体基座上，真空双层炉体上设有炉门，炉门上设有炉门炉体观察窗。真空计、惰性气体强制冷却装置和测温装置固定在真空双层炉体上。炉体观察窗、惰性气体进气阀、大气交换阀设置在真空双层炉体的炉壁上。真空泵对真空双层炉体抽真空。运动机构支架、水平旋转基座、水平面旋转滑轨、水平二维横向运动机构、水平二维纵向运动机构、垂直一维运动机构、冶金射流沉积基板、弯曲沉积工件倾转夹具、熔炼加热装置、熔炼坩埚、送料机构、测温热电偶、红外测温装置和沉积基板倾转机构都处于真空双层炉体内。坩埚升降及射流惰性气体加压装置穿过真空双层炉体并与熔炼坩埚连接。惰性气体瓶与惰性气体强制冷却装置和坩埚升降及射流惰性气体加压装置连接。熔炼坩埚处于冶金射流沉积基板的上方。冶金射流沉积基板上设有弯曲沉积工件倾转夹具。沉积基板倾转机构和垂直一维运动机构固定在冶金射流沉积基板的下端。水平二维纵向运动机构固定在垂直一维运动机构的下端。水平二维纵向运动机构固定在水平二维横向运动机构上。运动机构支架固定在真空双层炉体的内壁上。水平旋转基座为空心结构并固定在运动机构支架上。水平二维横向运动机构通过水平面旋转滑轨固定在水平旋转基座上。沉积基板运动控制器与运动机构支架、水平旋转基座、水平面旋转滑轨、水平二维横向运动机构、水平二维纵向运动机构、垂直一维运动机构、冶金射流沉积基板连接。数控编程计算机与沉积基板运动控制器连接。熔炼电源与熔炼加热装置连接。熔炼加热装置固定在熔炼坩埚外。送料机构设置在熔炼坩埚的上端。测温热电偶插入到熔炼坩埚内。红外测温装置设置在冶金射流沉积基板的上方。熔炼坩埚的底部开有射流孔。冶金射流沉积基板通过基板循环冷却水管道与冷却水系统连接，真空双层炉体也与冷却水系统相连通。