專利名稱：一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬零件的制備方法及設備，特別是一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法和設備，屬于材料科學領域。
背景技術：
:金屬噴射沉積技術最早是由英國的Singer教授于七十年代提出的，原理是:在惰性氣氛保護下，將熔融金屬利用特殊設計的噴嘴霧化形成顆粒噴射流，直接噴射在水冷的基體上，經過撞擊、聚結、凝固而形成沉積物。噴射沉積技術是一種新型的制坯方法，廣泛用于制備各種合金及其復合材料管坯、板坯、錠坯等。近年來，噴射沉積技術雖然獲得了迅猛發展，但本質上都是采用Singer教授提出的原理。然而，目前的噴射沉積方法均為通過在旋轉基面上噴射，來獲得狀沉積坯料。還有一種材料制備方法是直接噴射熔融金屬液流到高速旋轉的急冷銅盤上，制備非晶、納米晶帶材。但是這些方法都無法直接獲得具有復雜異型截面的零件。近年來，增材制造技術也應用于金屬快速成形。目前的金屬快速直接成型主要采用激光、電子束熔覆的方法，即利用數控方法將金屬粉末預置鋪成零件形狀，利用高能激光、將電子束金屬粉末熔化，冷卻凝固后再在該層上鋪金屬粉末，再用激光、電子束加熱熔化、冷卻凝固，如此往復不斷，就制成具有復雜形狀的零件。該方法的特點是成型精確、力學性能較高。但是，該方法必須用金屬粉末為原料，由于原料金屬粉末顆粒巨大的總表面積難以避免存在氧化層，對凝固組織內部的影響較大。金屬粉末顆粒之間存在空隙，所獲得的材料組織難以達到直接鑄造金屬的致密程度，缺陷較多，影響冶金質量。特別是在制備金屬功能材料時，巨大表面的氧化層嚴重影響金屬功能材料的純度，從而影響功能的實現。另外，上述直接成形工藝，由于加熱束斑尺寸限制，效率較低，一個大型零件往往需要幾小時甚至幾天才能制成。
中國專利“一種平面往復運動噴射沉積多層復合材料的制備方法和設備”(200710010694.7)，該專利沉積基板在水平面上只有一維運動，因此無法進行三維工件的直接成形。發明內容:針對上述現有技術的不足，本發明提供了一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法和設備。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是:一種多自由度數控冶金射流直接成形的設備，包括爐體基座、真空雙層爐體、爐門、爐門爐體觀察窗、真空計、惰性氣體強制冷卻裝置、坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置、測溫裝置、爐體觀察窗、惰性氣體進氣閥、大氣交換閥、沉積基板運動控制器、數控編程計算機、真空泵、熔煉電源、惰性氣體瓶、運動機構支架、水平旋轉基座、水平面旋轉滑軌、水平二維橫向運動機構、水平二維縱向運動機構、垂直一維運動機構、冶金射流沉積基板、彎曲沉積工件傾轉夾具、熔煉加熱裝置、熔煉坩堝、送料機構、測溫熱電偶、紅外測溫裝置、沉積基板傾轉機構、基板循環冷卻水管道和冷卻水系統。真空雙層爐體固定在爐體基座上，真空雙層爐體上設有爐門，爐門上設有爐門爐體觀察窗。真空計、惰性氣體強制冷卻裝置和測溫裝置固定在真空雙層爐體上。爐體觀察窗、惰性氣體進氣閥、大氣交換閥設置在真空雙層爐體的爐壁上。真空泵對真空雙層爐體抽真空。運動機構支架、水平旋轉基座、水平面旋轉滑軌、水平二維橫向運動機構、水平二維縱向運動機構、垂直一維運動機構、冶金射流沉積基板、彎曲沉積工件傾轉夾具、熔煉加熱裝置、熔煉坩堝、送料機構、測溫熱電偶、紅外測溫裝置和沉積基板傾轉機構都處于真空雙層爐體內。坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置穿過真空雙層爐體并與熔煉坩堝連接。惰性氣體瓶與惰性氣體強制冷卻裝置和坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置連接。熔煉坩堝處于冶金射流沉積基板的上方。冶金射流沉積基板上設有彎曲沉積工件傾轉夾具。沉積基板傾轉機構和垂直一維運動機構固定在冶金射流沉積基板的下端。水平二維縱向運動機構固定在垂直一維運動機構的下端。水平二維縱向運動機構固定在水平二維橫向運動機構上。運動機構支架固定在真空雙層爐體的內壁上。水平旋轉基座為空心結構并固定在運動機構支架上。水平二維橫向運動機構通過水平面旋轉滑軌固定在水平旋轉基座上。沉積基板運動控制器與運動機構支架、水平旋轉基座、水平面旋轉滑軌、水平二維橫向運動機構、水平二維縱向運動機構、垂直一維運動機構、冶金射流沉積基板連接。數控編程計算機與沉積基板運動控制器連接。熔煉電源與熔煉加熱裝置連接。熔煉加熱裝置固定在熔煉坩堝外。送料機構設置在熔煉坩堝的上端。測溫熱電偶插入到熔煉坩堝內。紅外測溫裝置設置在冶金射流沉積基板的上方。熔煉坩堝的底部開有射流孔。冶金射流沉積基板通過基板循環冷卻水管道與冷卻水系統連接，真空雙層爐體也與冷卻水系統相連通。一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法:將金屬材料原料放入熔煉坩堝中,用真空泵對熔煉爐進行真空抽氣，當爐內大氣壓達到一定真空度后,充入一定壓力的惰性氣體，以保護熔煉過程中的金屬熔液不被氧化。利用垂直一維運動機構調整熔煉坩堝下部射流孔與沉積基板之間的距離。熔煉加熱裝置加熱金屬材料至熔化，用坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置對熔煉坩堝進行加壓，使得熔煉坩堝內的熔融狀態的金屬材料液體順熔煉坩堝底部的射流孔垂直向下流出，金屬材料熔液射流到冶金射流沉積基板上，冶金射流沉積基板按照預先編制的運動控制程序進行運動，射流出的熔液在沉積基板上按照計算機程序編制的圖形快速凝固。射流金屬熔液在基板循環運動過程中將射流到上一層已經凝固的金屬材料層上凝固，循環往復·的射流沉積過程中，已經凝固的金屬工件坯的高度不斷升高。通過計算機編程控制垂直一維運動機構使冶金射流沉積基板不斷下降，使熔煉坩堝射流孔與射流沉積點的距離保持不變。冶金射流過程中，利用送料裝置不斷向熔煉坩堝內補充金屬原料，以彌補金屬液面的下降。通過循環往復的冶金射流沉積過程，就獲得了計算機預先編制基板運動程序的金屬材料工件。對于有彎曲的金屬工件，可利用計算機編程控制沉積基板傾轉機構31進行一定角度的傾轉，以保證射流金屬液與沉積面相互垂直，從而獲得彎曲工件，沉積基板傾轉機構可利用水平面旋轉滑軌19變化彎曲走向，從而獲得高復雜程度的彎曲結構工件。通過控制冶金射流基板運動速度和金屬液流噴射量，可以控制凝固速度及金屬液橫向鋪展寬度，獲得復合設計要求厚度的任意復雜形狀的金屬零件。本發明利用計算機編程控制金屬射流沉積基板多自由度行走路徑，使基板獲得多自由度的零件成形所要求的各種復雜形狀的行走路徑，在抽高真空再通入高純惰性氣體保護下，利用感應加熱、電阻加熱等手段將帶有噴嘴的坩堝中的金屬熔化，用惰性氣體等對坩堝加壓噴射出熔融金屬液流。最初的金屬液被射流到基板上將快速凝固，由于基板的運動是循環往復過程，其后的金屬液被射流到剛剛凝固的基層上再次凝固，該過程循環往復實現砌墻式沉積成形。通過控制基板運動速度和金屬液流噴射量，控制凝固速度及金屬液橫向鋪展寬度，來快速直接制備具有任意復雜形狀的金屬零件。熔融金屬液射流到基層上，熱量通過基層和惰性氣體對流迅速帶走，射流金屬液在運動基板行走的同時進行凝固，由于凝固是分散的過程，金屬液熱量瞬間被耗散掉，從而實現具有較大冷速的凝固。不同于傳統的金屬噴射沉積快速凝固技術，射流出的金屬液為連續柱狀液流，而非彌散細小的金屬液滴，柱狀液流內部無氣體。液流在凝固前的瞬間發生橫向鋪展，可實現致密的冶金結合。由于抽高真空除氧并通入高純惰性氣體保護，金屬沉積層間無氧化發生，不生成影響冶金質量的氧化膜。(屬于一種無模具鑄造)
圖1是多自由度數控冶金射流直接成形設備的結構示意圖。圖2是真空雙層爐體的結構示意圖。圖3是真空雙 層爐體的俯視圖。
具體實施方式
:如圖1-圖3所示:一種多自由度數控冶金射流直接成形的設備，包括爐體基座1、真空雙層爐體2、爐門3、爐門爐體觀察窗4、機械真空計5、惰性氣體強制冷卻裝置6、坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置7、測溫裝置8、爐體觀察窗9、惰性氣體進氣閥10、大氣交換閥
11、沉積基板運動控制器12、數控編程計算機13、真空泵14、熔煉電源15、惰性氣體瓶16、運動機構支架17、水平旋轉基座18、水平面旋轉滑軌19、水平二維橫向運動機構20、水平二維縱向運動機構21、垂直一維運動機構22、冶金射流沉積基板23、彎曲沉積工件傾轉夾具24、熔煉加熱裝置25、熔煉坩堝26、送料機構27、測溫熱電偶28、紅外測溫裝置29和沉積基板傾轉機構31、基板循環冷卻水管道32和冷卻水系統33。真空雙層爐體2固定在爐體基座I上，真空雙層爐體2上設有爐門3，爐門3上設有爐門爐體觀察窗4。機械真空計5、惰性氣體強制冷卻裝置6和測溫裝置8固定在真空雙層爐體2上。爐體觀察窗9、惰性氣體進氣閥10、大氣交換閥11設置在真空雙層爐體2的爐壁上。真空泵14對真空雙層爐體2抽真空。運動機構支架17、水平旋轉基座18、水平面旋轉滑軌19、水平二維橫向運動機構20、水平二維縱向運動機構21、垂直一維運動機構22、冶金射流沉積基板23、彎曲沉積工件傾轉夾具24、熔煉加熱裝置25、熔煉坩堝26、送料機構27、測溫熱電偶28、紅外測溫裝置29和沉積基板傾轉機構31都處于真空雙層爐體2內。坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置7穿過真空雙層爐體2并與熔煉坩堝26連接。惰性氣體瓶16與惰性氣體強制冷卻裝置6和坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置7連接。熔煉坩堝26處于冶金射流沉積基板23的上方。冶金射流沉積基板23上設有彎曲沉積工件傾轉夾具24。沉積基板傾轉機構31和垂直一維運動機構22固定在冶金射流沉積基板23的下端。水平二維縱向運動機構21固定在垂直一維運動機構22的下端。水平二維縱向運動機構21固定在水平二維橫向運動機構20上。運動機構支架17固定在真空雙層爐體2的內壁上。水平旋轉基座18為空心結構并固定在運動機構支架17上。水平二維橫向運動機構20通過水平面旋轉滑軌19固定在水平旋轉基座18上。沉積基板運動控制器12與運動機構支架17、水平旋轉基座18、水平面旋轉滑軌19、水平二維橫向運動機構20、水平二維縱向運動機構21、垂直一維運動機構22、冶金射流沉積基板23連接。數控編程計算機13與沉積基板運動控制器12連接。熔煉電源15與熔煉加熱裝置25連接。熔煉加熱裝置25固定在熔煉坩堝26外。送料機構27設置在熔煉坩堝26的上端。測溫熱電偶28插入到熔煉坩堝26內。紅外測溫裝置29設置在冶金射流沉積基板23的上方。熔煉坩堝26的底部開有射流孔。冶金射流沉積基板23通過基板循環冷卻水管道32與冷卻水系統33連接，真空雙層爐體2也與冷卻水系統33相連通。一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法:將金屬材料原料放入熔煉坩堝26中，用真空泵14對熔煉爐進行真空抽氣，當爐內大氣壓達到一定真空度后，充入一定壓力的惰性氣體，以保護熔煉過程中的金屬熔液不被氧化。利用垂直一維運動機構22調整熔煉坩堝下部射流孔與冶金射流沉積基板23之間的距離。用感應熔煉裝置或電阻加熱熔煉加熱裝置25加熱金屬材料至熔化，用坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置7對熔煉坩堝26進行加壓，使得熔煉坩堝26內的熔融狀態的金屬材料液體順熔煉坩堝26底部的射流孔垂直向下流出，金屬材料熔液射流到冶金射流沉積基板23上，冶金射流沉積基板23按照預先編制的運動控制程序進行運動，射流出的熔液在冶金射流沉積基板23上按照計算機程序編制的圖形快速凝固。射流沉積過程中可以用惰性氣體強制冷卻裝置6對射流沉積點吹惰性氣體強制冷卻，以提高冷卻速度。射流金屬熔液在基板循環運動過程中將射流到上一層已經凝固的金屬材料層上凝固，循環往復的射流沉積過程中，已經凝固的金屬工件坯的高度不斷升高。通過計算機編程控制垂直一維運動機構22使冶金射流沉積基板23不斷下降，使熔煉坩堝26射流孔與射流沉積點的距離保持基本不變。冶金射流過程中，利用送料裝置27不斷向熔煉坩堝內補充金屬原料，以彌補金屬液面的下降。通過循環往復的冶金射流沉積過程，就獲得了計算機預先編制基板運動程序的金屬材料工件。對于有彎曲的金屬工件，可利用計算機編程控制沉積基板傾轉機構31進行一定角度的傾轉，以保證射流金屬液與沉積面相互垂直，從而獲得彎曲工件，沉積基板傾轉機構可利用水平面旋轉滑軌19變化彎曲走向，從而獲得高復雜程度的彎曲結構工件。通過控制基板運動速度和金屬液流噴射量，可以控制凝固速度及金屬液橫向鋪展寬度，獲得復合設計要求厚度的任意復雜形狀的金屬零件。關鍵技術:1.真空雙層爐體:本發明所涉及的真空爐體為雙層水冷結構，以保證熔煉放出的過剩熱量的散熱。爐體和爐門上設有熔煉接口、觀察窗、真空計、氣體交換閥門、冷卻水管接口和電線接口。為了測量高真空度，設有電子真空計用于測量高真空度。爐體上設有運動控制、電子測溫、電子真空計的電線接口盤。2.坩堝:本發明所涉及的金屬熔煉坩堝可以根據所熔煉的材料和加熱方法不同，選用高純石英、高純石墨、耐高溫陶瓷、鋼、鈦合金、高溫合金等。坩堝要對高溫金屬熔液具有好的耐侵蝕能力。
例如，熔煉鋁合金可用石英、石墨、陶瓷作為坩堝材料；熔煉鎂合金可用石墨、陶瓷作為坩堝材料；熔煉鈦合金、銅合金、鋼等高熔點金屬可用石墨、陶瓷作為坩堝材料。坩堝下部開一定尺寸或直徑的噴射金屬溶液的小孔。坩堝上部設有固定環，與垂直運動機構相連接，并與惰性氣體加壓裝置相連接。對于要求連續送料熔煉的坩堝，在坩堝頂端或側壁上部開設有送料孔。i甘禍米用一端開口的圓管狀結構，內徑為5mm 500mm ;壁厚為Imm 200mm ;長度為 20mm 2000mm。坩堝噴射孔可為圓形、橢圓形、矩形或多邊形。圓形及多邊形直徑為0.1mm 50mm ;矩形短邊為0.1mm 20mm,矩形長邊為0.1mm 500mm。i甘禍垂直方向行走距離可為IOmm 500mm ; 甘禍上下行走速度范圍:0.01mm/s 1OOmm/s ;坩堝熔煉溫度范圍:100°C 2000°C3.熔煉加熱:采用低頻，或者中頻，或者高頻感應加熱熔化金屬材料；也可采用電阻法直接加熱，即將電極直接連接到坩堝內被熔煉金屬材料上，利用金屬材料自身的電阻發熱來加熱熔化金屬；還可采用電阻爐加熱，將坩堝放置于電阻爐內進行加熱熔化金屬材料。4.冶金射流金屬沉積基板:沉積基板一般為具有一定厚度的鋼、純銅或銅合金、鋁合金、鈦合金板制成，在基板內部開設冷卻水通道，通入冷卻水進行水冷，使基板具有快速散熱的能力，且保護基板不熔化、不變形，也可采用與沉積金屬材料性質相同或相近的材料，也可以采用陶瓷材料。沉積基板為空心結構，內部通有冷卻水，冷卻水管與熔煉爐外的循環冷卻水系統相連接。由于真空爐體內部的冷卻水管為柔性耐壓水管，抽高真空不能使水管破裂。沉積基板可以為圓形或矩形，圓形直徑為20mm 2000mm ;矩形長、短邊為20mm 2000mm。基板水平二維運動速度:0mm/s IOOOmm/s ;垂直運動速度:0mm/s 200mm/s ;水平圓周旋轉速度:0rpm 600rpm ;垂直`軸向傾轉速度:0rpm 200rpm,垂直軸向傾轉角度以垂直向下方向為基準:-90° +90°。對于彎曲的工件，需要傾轉基板，為了防止傾轉過程中工件因重力作用而位移，在基板上設置自動控制的夾具。沉積工件到較小高度后，夾具加緊工件下部，從而防止工件移動。5.測溫:由于噴射金屬熔液的溫度決定金屬的凝固速度，因此，金屬熔液的測量對于控制金屬熔液的溫度，從而控制冶金質量十分重要。可根據不同加熱方式選擇測溫手段。采用石英管作為坩堝的熔煉系統，可以用紅外測溫裝置對石英管內的金屬熔液進行測溫；采用石墨、陶瓷作為坩堝的熔煉系統，用感應加熱源加熱時，由于無法使用熱電偶，可以用紅外測溫裝置對噴射液流進行測溫；采用電阻絲加熱源的熔煉系統，可以用熱電偶對坩堝內的金屬熔液進行測溫；測溫溫度范圍:室溫 2500°C。6.運動控制:為了獲得所需復雜形狀的直接快速成形零件，沉積基板與噴射坩堝之間的運動關系十分關鍵。相對運動速度和金屬熔液噴射溫度決定了凝固速度、壁厚、零件側壁冶金質量等。為了獲得好的冶金質量，必須對相對運動行為進行精確控制，通過計算機編程控制整個運動軌跡上各個階段的速度。基板位移最高精度為0.01mm。7.真空、惰性氣體保護、噴射加壓系統:
熔煉前將噴射沉積設備的真空腔體抽真空，極限真空度:0.1Pa 10_5Pa，熔煉前充入高純氬氣、氦氣等惰性氣體，氣體壓力:0.0OlPa I大氣壓。噴射壓力:0.0lPa 10大氣壓。8.電源:對于感應加熱熔煉，電源采用中頻、工頻電源；電阻爐、硅碳棒加熱熔煉，電源采用可控硅電源。功率在0.1 1000KW。實施例一:冶金射流快速凝固制造Ti金屬及其合金三維金屬工件采用純Ti或設計成分為TA系列、TB系列和TC系列合金作為原料，放在熔煉坩堝中。對熔煉爐抽高真空到約lX10_3Pa，充入0.01 0.5大氣壓的高純氬氣。利用感應熔煉裝置將坩堝中的母合金加熱熔化，熔煉溫度約為1450° C 1550° C，通過惰性氣體加壓裝置將合金熔液射流到基板上。沉積基板按照預先編制的圖形程序循環往復運動，射流出的合金熔液按照圖形凝固成形為需要空間形狀的管狀零件。該合金工具可用于醫療植入材料、航空結構件等用途。實施例二:冶金射流快速凝固制造TiNi形狀記憶合金三維金屬工件采用設計成分為Ti (49-51%)-Ni (49-51%)(原子百分比)的形狀記憶合金母合金作為原料，放在熔煉坩堝中。對熔煉爐抽高真空到約lX10_3Pa，充入0.01 0.5大氣壓的高純氬氣。利用感應熔煉裝置將坩堝中的母合金加熱熔化，熔煉溫度約為1450° C 1550° C，通過惰性氣體加壓裝置將合金熔液射流到基板上。沉積基板按照預先編制的圖形程序循環往復運動，射流出的合金熔液按照圖形凝固成形為需要空間形狀的零件。該合金工具可用于航空、艦船、石油管路連接接頭等。實施例三:冶金射流快速凝固制造Al合金三維金屬工件采用鋁合金作為母 合金原料，放在熔煉坩堝中。對熔煉爐抽高真空到約I X 10 ,充入0.01 0.5大氣壓的高純氬氣。利用感應熔煉裝置將坩堝中的母合金加熱熔化，熔煉溫度約為680° C 750° C，通過惰性氣體加壓裝置將合金熔液射流到基板上。沉積基板按照預先編制的圖形程序循環往復運動，射流出的合金熔液按照圖形凝固成形為需要空間形狀的零件。該合金工具可用于航空、航天的各種受力結構件。實施例四:冶金射流快速凝固制造高溫合金三維金屬工件采用Ni基高溫合金作為母合金原料，放在熔煉坩堝中。對熔煉爐抽高真空到約lX10_3Pa，充入0.01 0.5大氣壓的高純氬氣。利用感應熔煉裝置將坩堝中的母合金加熱熔化，熔煉溫度約為1550° C 1750° C，通過惰性氣體加壓裝置將合金熔液射流到基板上。沉積基板按照預先編制的圖形程序循環往復運動，射流出的合金熔液按照圖形凝固成形為需要空間形狀的零件。該合金工具可用于航空、航天發動機的各種受力結構件。
權利要求
1.一種多自由度數控冶金射流直接成形的設備，其特征在于:包括爐體基座、真空雙層爐體、真空計、惰性氣體強制冷卻裝置、坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置、測溫裝置、爐體觀察窗、惰性氣體進氣閥、大氣交換閥、沉積基板運動控制器、數控編程計算機、真空泵、熔煉電源、惰性氣體瓶、運動機構支架、水平旋轉基座、水平面旋轉滑軌、水平二維橫向運動機構、水平二維縱向運動機構、垂直一維運動機構、冶金射流沉積基板、彎曲沉積工件傾轉夾具、熔煉加熱裝置、熔煉坩堝、送料機構、測溫熱電偶、紅外測溫裝置、沉積基板傾轉機構基板循環冷卻水管道和冷卻水系統；真空雙層爐體固定在爐體基座上，真空計、惰性氣體強制冷卻裝置和測溫裝置固定在真空雙層爐體上，爐體觀察窗、惰性氣體進氣閥、大氣交換閥設置在真空雙層爐體的爐壁上，真空泵對真空雙層爐體抽真空，運動機構支架、水平旋轉基座、水平面旋轉滑軌、水平二維橫向運動機構、水平二維縱向運動機構、垂直一維運動機構、冶金射流沉積基板、彎曲沉積工件傾轉夾具、熔煉加熱裝置、熔煉坩堝、送料機構、測溫熱電偶、紅外測溫裝置和沉積基板傾轉機構都處于真空雙層爐體內，坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置穿過真空雙層爐體并與熔煉坩堝連接，惰性氣體瓶與惰性氣體強制冷卻裝置和坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置連接，熔煉坩堝處于冶金射流沉積基板的上方，冶金射流沉積基板上設有彎曲沉積工件傾轉夾具，沉積基板傾轉機構和垂直一維運動機構固定在冶金射流沉積基板的下端，水平二維縱向運動機構固定在垂直一維運動機構的下端，水平二維縱向運動機構固定在水平二維橫向運動機構上，運動機構支架固定在真空雙層爐體的內壁上，水平旋轉基座為空心結構并固定在運動機構支架上，水平二維橫向運動機構通過水平面旋轉滑軌固定在水平旋轉基座上，沉積基板運動控制器與運動機構支架、水平旋轉基座、水平面旋轉滑軌、水平二維橫向運動機構、水平二維縱向運動機構、垂直一維運動機構、冶金射流沉積基板連接，數控編程計算機與沉積基板運動控制器連接，熔煉電源與熔煉加熱裝置連接，熔煉加熱裝置固定在熔煉坩堝外，送料機構設置在熔煉坩堝的上端，測溫熱電偶插入到熔煉坩堝內，紅外測溫裝置設置在冶金射流沉積基板的上方，熔煉坩堝的底部開有射流孔，冶金射流沉積基板通過基板循環冷卻水管道與冷卻水系統連接，真空雙層爐體也與冷卻水系統相連通。
2.如權利要求1所述的一種多自由度數控冶金射流直接成形的設備，其特征在于:所述的真空雙層爐體上設有爐門，爐門上設有爐門爐體觀察窗。
3.—種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:將金屬材料原料放入熔煉坩堝中，用真空泵對熔煉爐進行真空抽氣，當爐內大氣壓達到一定真空度后，充入一定壓力的惰性氣體，以保護熔煉過程中的金屬熔液不被氧化，利用垂直一維運動機構調整熔煉坩堝下部射流孔與沉積基板之間的距離，熔煉加熱裝置加熱金屬材料至熔化，用坩堝升降及射流惰性氣體加壓裝置對熔煉坩堝進行加壓，使得熔煉坩堝內的熔融狀態的金屬材料液體順熔煉坩堝底部的射流孔垂直向下流出，金屬材料熔液射流到冶金射流沉積基板上，冶金射流沉積基板按照預先編制的運動控制程序進行運動，射流出的熔液在沉積基板上按照計算機程序編制的圖形快速凝固，射流金屬熔液在基板循環運動過程中將射流到上一層已經凝固的金屬材料層上凝固，循環往復的射流沉積過程中，已經凝固的金屬工件坯的高度不斷升高，通過計算機編程控制垂直一維運動機構使冶金射流沉積基板不斷下降，使熔煉坩堝射流孔與射流沉積點的距離保持不變，冶金射流過程中，利用送料裝置不斷向熔煉坩堝內補充金屬原料，以彌補金屬液面的下降，通過循環往復的冶金射流沉積過程，就獲得了計算機預先編制基板運動程序的金屬材料工件。
4.如權利要求3所述的一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:用感應熔煉裝置或電阻加熱熔煉加熱裝置。
5.如權利要求3所述的一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:所述熔煉坩堝的噴射孔為圓形、橢圓形、矩形或多邊形；圓形及多邊形直徑為0.1mm 50mm ;矩形短邊為0.1mm 20mm,矩形長邊為0.1mm 500mm。
6.如權利要求1所述的一種多自由度數控冶金射流直接成形的設備，其特征在于:在冶金射流沉積基板內設有冷卻水通道，沉積基板為圓形或矩形，圓形直徑為20mm 2000mm ;矩形長、短邊為20mm 2000mm。
7.如權利要求3所述的一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:熔煉前將真空雙層爐體的腔體抽真空，極限真空度:0.1Pa 10_5Pa，熔煉前充入高純氬氣、氦氣等惰性氣體，氣體壓力:0.0OlPa I大氣壓，噴射壓力:0.0lPa 10大氣壓。
8.如權利要求1所述的一種多自由度數控冶金射流直接成形的設備，其特征在于:所述的測溫裝置為紅外測溫裝置或熱電偶。
9.如權利要求1所述的一種多自由度數控冶金射流直接成形的設備，其特征在于:所述的熔煉i甘禍采用一端開口的圓管狀結構，內徑為5mm 500mm ;壁厚為Imm 200mm ;長度為 20mm 2000mm。
10.如權利要求3所述的一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法，其特征在于:利用計算機編程控制沉積基板傾轉機構進行角度的傾轉，保證射流金屬液與沉積面相互垂直，從而獲得彎曲工件；沉積基板傾轉機構利用水平面旋轉滑軌變化彎曲走向，從而獲得高復雜程度的彎曲結構 工件。
全文摘要
一種多自由度數控冶金射流直接成形的制備方法和設備，將熔融金屬液射流到基層上，熱量通過基層和惰性氣體對流迅速帶走，射流金屬液在運動基板行走的同時進行凝固，由于凝固是分散的過程，金屬液熱量瞬間被耗散掉，從而實現具有較大冷速的凝固。不同于傳統的金屬噴射沉積快速凝固技術，射流出的金屬液為連續柱狀液流，而非彌散細小的金屬液滴，柱狀液流內部無氣體。液流在凝固前的瞬間發生橫向鋪展，可實現致密的冶金結合。由于抽高真空除氧并通入高純惰性氣體保護，金屬沉積層間無氧化發生，不生成影響冶金質量的氧化膜。
文檔編號C23C26/02GK103243324SQ20131019654
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月23日 優先權日2013年5月23日
發明者王繼杰, 劉春忠, 馬宗義, 張洪亮, 王老烏, 盧少微, 劉玉林, 姜妲, 王艷晶, 楊光, 陳振中 申請人:沈陽航空航天大學