一種應用于金屬構件移動微壓鑄成型方法的雙倉式精煉爐的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于金屬構件移動微壓鑄成型的雙倉式精煉爐，所述雙倉包括儲液倉和工作倉，雙倉底部連通，并列或嵌套設置，該雙倉式精鑄爐能夠在加工過程中通過控制雙倉中的氣壓，嚴格控制工作倉的液面穩定不變，從而使得金屬熔體恒速穩定流出，或者僅通過調節壓力來控制其流速；而且該雙倉式精煉爐在加工過程中可以嚴格控制熔體流出時的溫度，并根據需要控制精鑄爐上壓鑄頭的開閉。因此，采用該雙倉式精煉爐，可以通過調整熔體的流量、壓力、壓鑄層厚度、熔體的凝固速度以及壓鑄頭的移動軌跡，逐點逐層調控構件材料的組織形態、殘余應力狀態和表面質量。本發明不僅可以按設定的形狀和尺寸成型金屬構件，還能實現對能對其機械性能進行有效調控。
【專利說明】一種應用于金屬構件移動微壓鑄成型方法的雙倉式精煉爐
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料加工設備領域，具體的說，涉及一種實現金屬構件移動微壓鑄成型的裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，在大尺寸薄壁鈦合金構件的直接制造和工程應用方面，各種新型的成型技術都快速發展和應用。如激光立體成型技術、電子束立體成型技術、精密壓鑄技術、噴射成型技術等，由于工藝或原料的限制，上述技術各有缺點。近期研宄人員提出了一種具有成型精度高、原料要求低、成型環境要求低等優點的金屬構件移動微壓鑄成型方法，目前該方法已經在中國專利申請201310139419.0公開，它是利用計算機輔助設計(010)或實物掃描的方法建立構件的30圖形數據庫，并依據構件性能與精度的設計要求，選擇圖形的切片方向與分切厚度以及與之相應的熔體壓鑄程序和運動軌跡，在惰性氣體(如氮氣、氬氣等)保護環境下，當結晶器(壓鑄基板)的指定部位，對準壓鑄頭出口、且二者之間距達到指定層片厚度(以微米尺度為宜)時，壓鑄頭以預定的流速和壓力，將熔體填充到其出口端部與結晶平臺之間的空間。與此同時，壓鑄頭以指定速度和軌跡在結晶器上移動(也可以是壓鑄器不動而結晶器相對其移動)，移出壓鑄頭內的熔體迅速凝固，壓鑄頭向其下方不斷產生的新的空間繼續填充并壓鑄熔體。當壓鑄頭的移動軌跡填滿設定形狀時，一個厚度可達微米尺度的金屬層片便成型完成。然后，結晶器沿2軸方向上移動一個層片厚度，壓鑄頭開始執行下一層片的熔體壓鑄作業。如此往復，直至整個金屬構件成型完成。
[0003]而且也公開了能夠實現金屬構件移動微壓鑄成型方法的裝置，然而，在成型過程中，金屬熔體的液位的不斷下降會導致壓鑄頭出口部位流體流動速度的減小。這種現象不利于控制成型質量。解決該問題的途徑有兩種，其中之一是隨著成型的進行，不斷修正工藝參數，如改變液面上方的氣壓，利用氣體壓力的變化，來控制精鑄頭的流體速度大小或停止；或者控制工作臺的運動速度。這樣則帶來了新的問題:為了使得液面上方的氣壓值能夠補償倉內液位的下降，或者使工作臺運動速度匹配流動速度(某一函數關系)，都必須精確地獲得流量變化，而這在加工過程中難以實時地、自動地獲取。
[0004]基于上述缺陷，本發明提出了解決上述問題的另一辦法，通過雙倉式恒定液位的方法來保障加工過程中不會因熔體減少而導致流速變化，因此提出一種應用于金屬構件移動微壓鑄成型方法的雙倉式精煉爐。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種應用于金屬構件移動微壓鑄成型方法的雙倉式精煉爐。
[0006]所述微壓鑄，是指壓鑄層的厚度以限制在微米尺度為宜，因此能夠實現微壓鑄的設備也必須能夠在微米級自動控制。
[0007]精鑄爐是以一種能夠將熔融的金屬液體直接進行鑄造成型的裝置，其關鍵部件包括金屬液體容器，容器下方的出口，位于出口處的壓鑄頭；
[0008]本發明所述的能夠實現移動微壓鑄熔體直接成型金屬構件的雙倉式精鑄爐包括雙倉式精煉爐體，出液口和壓鑄頭；其中所述雙倉是指精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉，所述精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉底部連通；所述進液口與精煉爐儲液倉連通，所述出液口與精煉爐工作倉連通，出液口設置有壓鑄頭。所述雙倉式精鑄爐體的精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉的相對位置可以并列，也可以采用替他的方式，如嵌套設置；優選所述精煉爐儲液倉在精煉爐工作倉的外圍嵌套設置。
[0009]所述精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉上部不連通；
[0010]進一步的，更優選所述精煉爐儲液倉在精煉爐工作倉的外圍，底部連通，其余部分不連通，且二者嵌套設置。
[0011]進一步的，所述雙倉式精煉爐體的上方設置爐蓋，所述爐蓋通過止口對精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉同時起防護、密封作用，打開爐蓋，可以向精煉爐體中加入金屬液體。
[0012]熔融的金屬液體從進料口進入精煉爐儲液倉后，經過精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉之間的底部通道進入精煉爐工作倉，然后從出料口流出，并經過壓鑄頭進行微壓鑄。
[0013]進一步的，所述爐蓋還設置有儲液倉頂部接口，所述儲液倉頂部接口接入保護氣體進氣口電磁閥和排氣閥，為精煉爐體內的金屬液體提供保護氣體氣氛。
[0014]所述爐蓋還設置有工作倉頂部接口，所述工作倉頂部接口接入保護氣體進氣口電磁閥和排氣閥，為精煉爐體內的金屬液體提供保護氣體氣氛。
[0015]另外，所述儲液倉頂部接口還接入壓力傳感器，用于監測精煉爐儲液倉內保護氣體的壓力。
[0016]另外，所述工作倉頂部接口還接入壓力傳感器，用于監測精煉爐工作倉內保護氣體的壓力。
[0017]進一步的，所述的精煉爐工作倉還設置有熱電偶，用于測定工作倉中金屬液體的溫度。
[0018]另外，所述精煉爐儲液倉頂部還設置有安全閥，所述安全閥設置在爐蓋上，用于在保護氣體進氣口電磁閥和/或排氣閥損壞后的排氣或減壓。
[0019]本發明所述的包括雙倉式精煉爐體從外到內依次包括爐體外殼，絕熱材料和爐體內殼。
[0020]所述壓鑄頭包括壓鑄頭外殼，壓鑄頭絕緣材料、壓鑄頭加熱源以及壓鑄口 ；所述壓鑄口位于壓鑄頭的中心，與熔煉爐體內的金屬液體連通；壓鑄口周圍設置壓鑄頭加熱源，以保證其中金屬液體的流動性；壓鑄頭加熱源外圍設置壓鑄頭絕緣材料；
[0021〕 壓鑄口的內徑依據毛細原理設計，可確保僅有重力作用時熔體不會自然流出，但在有外加壓力作用的情況下，熔體能夠順暢穩定地輸出；所述壓鑄頭加熱源可為感應加熱器，感應加熱器既可起到局部控溫作用，也可在壓鑄口內壁出現熔體凝固和熔體流動受阻時發揮作用。
[0022]所述雙倉式精煉爐還包括加熱和丨或攪拌裝置，所述加熱和丨或攪拌裝置位于精煉爐的外側，用于加熱或精煉其中的金屬液體，并使精煉爐中的金屬液體均一化。
[0023]一般來說，本發明的加工過程中存在兩種狀態:
[0024]1)低速流動狀態，工作倉液面上方壓強小于一個大氣壓。其步驟為:
[0025]步驟1:初始狀態時，工作倉、儲液倉以及壓鑄頭均封閉，精煉爐內金屬熔體液面高度相等；
[0026]步驟23:維持工作倉接口封閉狀態，開啟儲液倉接口，并啟動工作倉接口處的壓力傳感器，排氣泵，通過反饋控制開啟或關閉排氣孔，使工作倉液面上方氣壓壓強恒定為？。此時開啟壓鑄頭加工時，出口驅動壓力恒定。
[0027]2)高速流動狀態，工作倉液面上方壓強大于一個大氣壓。其步驟為:
[0028]步驟1:初始狀態時，封閉工作倉、儲液倉、以及壓鑄頭，精煉爐內金屬熔體液面高度相等
[0029]步驟26:維持儲液倉接口封閉狀態，開啟工作倉接口，并啟動工作倉接口處的壓力傳感器，進氣泵，使得工作倉液面上方氣壓壓強恒定為？。此時開啟壓鑄頭加工時，出口驅動壓力恒定。
[0030]當然，實際情況下，在上述兩種情況中，爐蓋并不能完全密封精煉爐，工作中伴隨漏氣現象:低速流動狀態時，氣流方向為爐外部環境至內部，高速情況下則相反。通過監控工作倉、儲液倉內的壓力傳感器數值變化，反饋控制接口處的比例閥，補償漏氣，維持出口流速恒定。
[0031]本發明所述的裝置結構緊湊，能夠精確實現熔體直接成型金屬構件的移動微壓鑄，采用本發明所述的雙倉式精鑄爐，能夠在加工過程中通過控制雙倉中的氣壓，嚴格控制作倉的液面穩定不變，從而使得金屬熔體恒速穩定流出；而且在加工過程中可以嚴格控制熔體流出時的溫度；在加工過程中根據需要控制精鑄爐上壓鑄頭的開閉。因此，本發明所述的裝置可以通過調整熔體的流量、壓力、壓鑄層厚度、熔體的凝固速度以及壓鑄頭的移動軌跡，逐點逐層調控構件材料的組織形態(包括晶粒尺寸、相成分和界面結構等)、殘余應力狀態(包括大小與分布)和表面質量。本發明不僅可以按設定的形狀和尺寸成型金屬構件，還能實現對能對其機械性能進行有效調控。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1為本發明雙倉式精煉爐的工作狀態圖，分別為步驟1，步驟23和步驟26 ；
[0033]圖2為本發明雙倉式精煉爐的俯視圖；
[0034]圖3為本發明雙倉式精煉爐的仰視圖；
[0035]圖4為本發明雙倉式精煉爐的剖視圖；
[0036]其中1為精煉爐連接耳；2為爐蓋；3為精煉爐體；4為壓鑄頭外殼；5為壓鑄頭；6為爐體絕熱層；7為精煉爐儲液倉；8為精煉爐工作倉；9為儲液倉頂部壓力傳感器、比例閥、排氣泵接口 ；10為儲液倉頂部安全閥接口 ；11為工作倉壓力傳感器、比例閥、進氣泵頂部接口 ；12為熱電偶；13為止口 ；14為底部通道。
【具體實施方式】
[0037]以下實施例僅用于說明本發明，但不用來限制本發明的發明范圍。該領域的技術工程師可根據上述發明的內容對本發明作出一些非本質的改進和調整。如無特別說明，所采用的方法是本領域常用的方法和設備。
[0038]實施例1
[0039]如圖2所示，本發明所述的雙倉式精煉爐包括爐蓋2和精煉爐體3，在精煉爐體3的外壁上布置了 8個精煉爐連接耳1，用于固定精煉爐體3。
[0040]如圖4所示，所述的雙倉式精鑄爐包括雙倉式精煉爐體3，，出液口和壓鑄頭5 ；其中精煉爐體3由精煉爐儲液倉7和精煉爐工作倉8組成，所述精煉爐儲液倉7和精煉爐工作倉8上部不連通；所述精煉爐儲液倉底部和精煉爐工作倉底部之間有連通的底部通道14 ；所述進液口與精煉爐儲液倉7連通，所述出液口與精煉爐工作倉8連通，出液口設置有壓鑄頭5。
[0041]所述雙倉式精鑄爐體的精煉爐儲液倉7在精煉爐工作倉8的外圍，且二者同心環設置。
[0042]所述雙倉式精煉爐體3的上方設置爐蓋2，通過止口 13對精煉爐儲液倉7和精煉爐工作倉8起防護和密封作用。
[0043]所述爐蓋2還設置有儲液倉頂部壓力傳感器、比例閥、排氣泵接口 9，用于接入保護氣體進氣口電磁閥和排氣閥，為精煉爐體內的金屬液體提供保護氣體氣氛，同時設置壓力傳感器，以便于為儲液倉7中的金屬液體提供保護氣體氣氛和氣體壓力；以及儲液倉頂部安全閥接口 10，防止保護氣體進氣口電磁閥或排氣閥損壞引發安全事故。
[0044]同時，所述爐蓋2還設置有工作倉頂部壓力傳感器、比例閥、排氣泵接口 11，用于接入保護氣體進氣口電磁閥和排氣閥，為精煉爐體內的金屬液體提供保護氣體氣氛，同時設置壓力傳感器，以便于檢測工作倉8中保護氣體的壓力。
[0045]工作倉8頂部，爐蓋2上還設置了熱電偶進口，用于布置熱電偶12，以便控制金屬液體的溫度。
[0046]精煉爐體3從外到內依次包括爐體外殼，絕熱層6和爐體內殼，爐體的內殼和外殼均可選用本領域常用的材料。
[0047]所述壓鑄頭5包括壓鑄頭外殼4，起固定壓鑄頭5，以及局部加熱的作用以及壓鑄口(未示出)；所述壓鑄口位于壓鑄頭的中心，與熔煉爐體內的金屬液體連通。
[0048]壓鑄口的內徑依據毛細原理設計，結合液面上方壓力控制可確保僅有重力作用時熔體不會自然流出，但在有外加壓力作用的情況下，熔體能夠順暢穩定地輸出；所述壓鑄頭外殼加熱源可為感應加熱器，感應加熱器可在壓鑄口內壁出現熔體凝固和熔體流動受阻時發揮作用。
[0049]所述雙倉式精煉爐還包括加熱和丨或攪拌裝置(未示出)，本實施例采用了電磁加熱攪拌裝置，設置在精煉爐體3的外圍。
[0050]本發明所述的雙倉式精煉爐的工作過程如下:
[0051]1)低流速恒定液面工作過程:
[0052]關閉壓鑄頭5，接口 9、接口 11處的比例閥，此時工作倉、儲液倉處于密封狀態；
[0053]加熱精鑄爐至所需的熔體溫度，并保持該溫度，此時工作倉、儲液倉熔體液面高度相同；
[0054]打開接口 9處比例閥，使儲液倉為排氣狀態，此時儲液倉液面上升，待工作倉處壓力傳感器顯示為所需壓力時，關閉接口 9處比例閥，停止排氣。
[0055]開啟壓鑄頭5，工作。此時工作常液面恒定，液面上方壓強恒定，壓鑄頭5出口熔體流速恒定。
[0056]實際情況下爐蓋2與精煉爐3并不能完全密封，工作中伴隨漏氣現象(氣流方向為外部至爐內)。通過監控工作倉、儲液倉內的壓力傳感器數值變化，反饋控制接口 9處比例閥，補償漏氣，維持出口流速恒定。
[0057]2)高流速恒定液面工作過程:
[0058]關閉壓鑄頭5，接口 9、接口 11處的比例閥，此時工作倉、儲液倉處于密封狀態；
[0059]加熱精鑄爐至所需的熔體溫度，并保持該溫度，此時工作倉、儲液倉熔體液面高度相同；
[0060]打開接口 11處比例閥，使工作倉為進氣狀態，此時儲液倉液面上升，待工作倉處壓力傳感器顯示為所需壓力時，關閉接口 11處比例閥，停止進氣。
[0061]開啟壓鑄頭5，工作。此時工作常液面恒定，液面上方壓強恒定，壓鑄頭5出口熔體流速恒定。
[0062]實際情況下爐蓋2與精煉爐3并不能完全密封，工作中伴隨漏氣現象(氣流方向為爐內部至外部環境)。通過監控工作倉、儲液倉內的壓力傳感器數值變化，反饋控制接口11處比例閥，補償漏氣，維持出口流速恒定。
[0063]本發明所述的裝置結構緊湊，能夠精確實現熔體直接成型金屬構件的移動微壓鑄，采用本發明所述的雙倉式精鑄爐，能夠在加工過程中通過控制雙倉中的氣壓，嚴格控制作倉的液面穩定不變，從而使得金屬熔體恒速穩定流出；而且在加工過程中可以嚴格控制熔體流出時的溫度；在加工過程中根據需要控制精鑄爐上壓鑄頭的開閉。因此，本發明所述的裝置可以通過調整熔體的流量、壓力、壓鑄層厚度、熔體的凝固速度以及壓鑄頭的移動軌跡，逐點逐層調控構件材料的組織形態(包括晶粒尺寸、相成分和界面結構等)、殘余應力狀態(包括大小與分布)和表面質量。本發明不僅可以按設定的形狀和尺寸成型金屬構件，還能實現對能對其機械性能進行有效調控。
【權利要求】
1.一種應用于金屬構件移動微壓鑄成型方法的精煉爐，其特征在于，為雙倉式精煉爐，所述雙倉式精煉爐包括雙倉式精煉爐體，出液口和壓鑄頭；其中所述雙倉包括精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉，所述精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉底部連通；所述出液口與精煉爐工作倉連通，出液口設置有壓鑄頭。
2.如權利要求1所述的精煉爐，其特征在于，所述雙倉式精鑄爐體的精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉的并列或嵌套設置，組成雙倉式精煉爐體。
3.如權利要求1所述的精煉爐，其特征在于，所述精煉爐儲液倉在精煉爐工作倉的外圍，二者嵌套設置。
4.如權利要求1-3任一所述的精煉爐，其特征在于，所述雙倉式精煉爐體的上方設置爐蓋，所述爐蓋同時對精煉爐儲液倉和精煉爐工作倉的上方進行密封。
5.如權利要求4所述的精煉爐，其特征在于，所述爐蓋還設置有儲液倉頂部接口，所述儲液倉頂部接口接入保護氣體進氣口電磁閥和排氣閥，為精煉爐儲液倉內的金屬液體提供保護氣體氣氛。
6.如權利要求4或5所述的精煉爐，其特征在于，所述爐蓋還設置有工作倉頂部接口，所述工作倉頂部接口接入保護氣體進氣口電磁閥和排氣閥，為精煉爐工作倉內的金屬液體提供保護氣體氣氛。
7.如權利要求5所述的精煉爐，其特征在于，所述儲液倉頂部接口還接入壓力傳感器，用于監測精煉爐儲液倉內保護氣體的壓力。
8.如權利要求6所述的精煉爐，其特征在于，所述工作倉頂部接口還接入壓力傳感器，用于監測精煉爐工作倉內保護氣體的壓力。
9.如權利要求1-8任一所述的精煉爐，其特征在于，所述的精煉爐工作倉還設置有熱電偶，用于測定工作倉中金屬液體的溫度。
10.如權利要求1-9任一所述的精煉爐，其特征在于，所述精煉爐儲液倉頂部還設置有安全閥，所述安全閥設置在爐蓋上，用于在保護氣體進氣口電磁閥和/或排氣閥損壞后的排氣或減壓。
【文檔編號】B22D17/00GK104493125SQ201410721168
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月2日 優先權日:2014年12月2日
【發明者】彭青, 陳光南, 羅耕星, 肖京華, 王紅才, 李正陽, 張坤 申請人:中國科學院力學研究所