一種非晶合金材料制備與成形一體化的3d打印方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微滴噴射增材制造與非晶合金制備技術領域，具體涉及一種非晶合金材料制備和結構成形一體化的3D打印方法及裝置。
【背景技術】
[0002]非晶合金兼有金屬和玻璃優點，又克服了它們各自的弊病。現已開發出的塊體非晶合金材料體系有La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基等。因其優異的力學、物理和化學性能，在工業生產、體育器材、生物醫學、消費電子領域得到了廣泛的應用。
[0003]3D打印是快速成形技術的一種，它運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過一層又一層的多層打印方式來構造零部件。金屬零件的3D打印方法，主要有激光選區燒結、激光選區熔化、電子速選區熔化、金屬沉積成形、噴墨3D打印、微滴噴射技術等。金屬零部件的近凈成形為解決工業裝備中難加工金屬構件的制造提供了一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術新途徑。
[0004]目前，塊狀非晶合金成形方法主要有水淬法、銅模鑄造法、高壓模鑄法、吸鑄法、壓鑄法等。非晶合金材料制備受冷卻介質熱傳導速率和自身玻璃態形成能力的影響，傳統方法制備非晶合金臨界尺寸僅達10余毫米。同時非晶合金材料具有的高硬度、高耐磨性與易脆性，使其很難利用機械加工技術獲得復雜的零件。現有的非晶合金3D打印基于選擇性激光熔融技術成形非晶合金粉末，該方法需要先制備均勻精細的非晶合金粉末，再利用高能束激光加熱熔融粉末成形，產生的高溫會使部分成形材料溫度超過過冷液態溫區，導致部分材料晶化、翹曲變形。現有方法技術不能同時實現非晶合金材料制備及復雜結構三維成形。
【發明內容】
[0005]本發明提供一種非晶合金材料制備與成形一體化的3D打印方法及裝置，以解決傳統制備方法對塊狀非晶合金臨界尺寸的限制、非晶合金粉末選擇性激光熔融3D打印過程中產生晶化行為、翹曲變形的問題。
[0006]本發明采取的技術方案是，包括下列步驟:
(1)坩禍外環形加熱爐將晶態合金加熱至熔融狀態，調控半導體制冷裝置，設定沉積基板的溫度；
(2)建立要打印的非晶合金零件的三維模型，切片分層處理形成STL格式文件，通過控制金屬熔滴噴射頻率和運動平臺速度，按掃描路徑逐滴沉積成形；
(3)液氮噴管二和液氮噴管一位于中空旋轉平臺上，當噴射路徑發生改變時，中空旋轉平臺旋轉一定角度，保證金屬熔滴噴頭、液氮噴管二和液氮噴管一所在直線同運動平臺運動方向始終一致，金屬熔滴噴頭運動到指定位置后，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管將坩禍內熔融金屬經送料管壓至金屬熔滴噴頭處，熱電偶檢測熔融金屬溫度低于設定溫度時，環形加熱器啟動保證熔融金屬較好流動性，氣壓控制器9啟動，帶有壓力的惰性氣體推動活塞實現金屬熔滴噴射；
(4)打印非晶合金零件上打印點時，圓形轉盤帶動金屬熔滴噴頭、液氮噴管一和液氮噴管二首先下降至距離此打印點0.1-0.5mm處，高壓氮氣瓶通過液氮管位液氮噴管一和液氮噴管二提供液氮，液氮噴管二在這一點先噴射液氮使沉積基板環境冷卻，該打印點移動至金屬熔滴噴頭下方并噴射熔融金屬液滴，然后該打印點移動至液氮噴管一下方并在這一點再噴射液氮使沉積金屬液滴快速冷卻變至非晶態；
(5)按掃描軌跡以同樣方式完成一層噴射打印后，噴頭上升一個打印層厚度，重復上述步驟(3)-(4)，最終完成非晶合金零件的制備及成形過程。
[0007]本發明所述非晶合金包括La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基非晶合金。
[0008]本發明所述沉積基板19的移動速度10-1OOmm/s，所設定的沉積基板溫度為零攝氏度到零下30攝氏度。
[0009]本發明所述步驟(3)設定液氮噴管二和液氮噴管一軸心連線與X軸正方向夾角α，0°〈α〈180°，α=0°時為初始位置，金屬熔滴噴射路徑與X軸正方向夾角β，當噴射路徑發生改變時，中空旋轉平臺22旋轉一定角度，使得α=β，保證金屬熔滴噴頭、液氮噴管二和液氮噴管一所在直線，同運動平臺運動方向始終一致。
[0010]本發明所述步驟(3)中惰性氣體壓力儲存瓶的壓力為0.8MPa。
[0011 ] 本發明所述步驟(3)中氣壓控制器的調壓范圍為0-0.SMPa。
[0012]本發明所述步驟(4)中所述高壓氮氣儲存瓶的壓力為0.3-0.8MPa。
[0013]一種非晶合金材料制備及結構成形一體的3D打印裝置，高壓液氮罐通過液氮管7分別與液氮噴頭一、液氮噴頭二相連，液氮管上設置有開關一，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管一與坩禍相連，用于盛放熔融金屬的坩禍外設置有環形加熱爐，坩禍通過送料管與金屬熔滴噴頭連接，送料管上設置有開關二，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管二經過氣壓控制器與金屬熔滴噴頭相連，沉積基板固定在三軸運動平臺的底座上，半導體制冷裝置安裝在沉積基板下方，圓形轉盤用螺栓固定在中空旋轉平臺上方，金屬熔滴噴頭和液氮噴管一、液氮噴管二通過中空旋轉平臺和圓形轉盤固定在三軸運動平臺的Z軸上，金屬熔滴噴頭設置有隔熱裝置，環形加熱器和熱電偶安裝在金屬熔滴噴頭的隔熱裝置內側。
[0014]所述半導體制冷裝置由上電極，散熱片、變阻器、風扇、電源、半導體，下電極組成，上電極安裝在沉積基板下方，上電極下方依次設置半導體、下電極、散熱片和風扇，電源的正負極與下電極左右兩側相連，形成回路，回路上設置有變阻器。
[0015]本發明采用冷基板和雙噴液氮冷卻裝置，結合金屬熔滴噴射增材制造技術實現非晶合金材料制備和大尺寸復雜結構成形一體化。通過冷基板和可旋轉雙液氮噴射，實現金屬熔滴噴射前基板環境冷卻和金屬熔滴噴射后沉積熔滴冷卻，兩次“點對點”冷卻方法更好保證成形零件的非晶特性。
[0016]本發明的優點如下:
(I)本發明采用冷基板和雙噴液氮冷卻裝置，結合3D打印技術制備非晶合金材料同時成形大體積復雜形狀非晶合金零件。該方法實現非晶合金材料制備和結構成形一體化，節省加工工序，提高工作效率。
[0017](2)水淬法、銅模鑄造法僅能成形10余毫米結構簡單的非晶合金零件，而本發明結合3D打印技術制造出結構復雜、更大尺寸的非晶合金零件，比水淬法、銅模鑄造法制造的非晶合金零件尺寸至少大10_。
[0018](3)與非晶合金粉末選擇性激光熔融3D打印相比，本發明節省了非晶合金粉末的制備過程，同時避免了高能束激光加熱熔融粉末過程中晶化行為和翹曲變形。
[0019](4)采用可旋轉式前、后置雙噴液氮裝置，實現金屬熔滴噴射前基板環境冷卻和金屬熔滴噴射后沉積熔滴冷卻，兩次“點對點”冷卻更好保證成形零件的非晶特性。
[0020](5)打印基板下設置半導體制冷裝置，根據實驗冷卻環境要求，調節變阻器控制基板溫度。若需要熱基板，也可改變電流方向實現基板制熱效果。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是本發明半導體制冷裝置結構示意圖；
圖3是本發明中空旋轉平臺結構示意圖，因中空旋轉平臺位于圓形轉盤，為清楚表達中空旋轉平臺，將圓形轉盤畫成透明；
圖4是本發明噴頭處局部放大圖；
圖5是本發明中空旋轉平臺22旋轉α角度的示意圖；
圖6是本發明金屬熔滴噴射路徑與X軸正方向夾角β的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]一種非晶合金材料制備及結構成形一體的3D打印裝置，高壓液氮罐21通過液氮管7與液氮噴頭一 15、液氮噴頭二 16相連，為液氮噴頭一 16、液氮噴頭二 15提供高壓液氮，液氮管7上設置有開關一8，控制液氮噴管7的開啟閉合，實現按需噴射，“點對點”精確冷卻，惰性氣體壓力儲存瓶5通過惰性氣體管一 4與坩禍2相連，提供送料動力，熔融金屬I放置在坩禍2內，it禍2外設置有環形加熱爐3，對坩禍2加熱以保持熔融金屬I的流動性，it禍2通過送料管6與金屬熔滴噴頭10連接，送料管6上設置有開關二 23，控制送料管6開閉為金屬熔滴噴頭10供料，惰性氣體壓力儲存瓶5通過惰性氣體管二 13經過氣壓控制器9與金屬熔滴噴頭10相連，通過壓力調節實現熔融金屬I微滴噴射，沉積基板19固定在三軸運動平臺12的底座上，能實現XY方向的運動，半導體制冷裝置20安裝在沉積基板19下方，對沉積基板19進行制冷，圓形轉盤14用螺栓固定在中空旋轉平臺22上方，金屬熔滴噴頭10和液氮噴管一 15、液氮噴管二 16通過中空旋轉平臺22和圓形轉盤14固定在三軸運動平臺12的Z軸上，能實現Z軸方向的運動，中空旋轉平臺22帶動液氮噴管一 15、液氮噴管二 16轉動，實現金屬熔滴噴頭10、液氮噴管一 15、液氮噴管二 16所在直線，同運動平臺運動方向一致，金屬熔滴噴頭10設置有隔熱裝置11，避免熔融金屬I受到冷環境影響，環形加熱器18和熱電偶17安裝在金屬熔滴噴頭的隔熱裝置11內側，外接溫度控制器，通過熱電偶17檢測熔融金屬I溫度反饋給溫度控制器，來控制環形加熱器18是否工作。
[0023]所述半導體制冷裝置20由上電極2001，散熱片2002、變阻器2003、風扇2004、電源2005、半導體2006，下電極2007組成，上電極2001安裝在沉積基板19下方，上電極下方依次設置半導體2006、下電極2007、散熱片2002和風扇2004，電源2005的正負極與下電極左右兩側相連，形成回路，回路上設置有變阻器2003。
[0024]一種非晶合金材料制備與成形一體化的3D打印方法，包括下列步驟:
(1)坩禍2外環形加熱爐3將晶態合金加熱至熔融狀態，調控半導體制冷裝置20，設定沉積基板19的溫度為零攝氏度到零