塊材合金制備系統及其制備方法

塊材合金制備系統及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種塊材合金制備系統，其包括噴頭、激光設備及成型設備，所述成型設備包括成型臺以及設置于成型臺下方的若干個可通入冷卻物質的導熱管道，所述成型設備的降溫速率為1×106k/s以上。本發明還提供一種塊材合金制備方法，其提供至少一種金屬粉末，使之由噴頭噴出；激光加熱熔融所述噴頭噴出的金屬粉末；提供成型設備，所述成型設備包括成型臺以及設置于成型臺下方的若干個可通入冷卻物質的導熱管道，所述成型設備的降溫速率為1×106k/s以上，將熔融的金屬粉末在所述成型臺上冷卻成型為非晶態塊材合金。本發明所提供的塊材合金制備系統及其制備方法中，通過降溫速率的調控，以獲得所需制備的非晶態塊材合金。
【專利說明】
塊材合金制備系統及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬3D打印領域，具體涉及一種塊材合金及其制備方法。
【【背景技術】】
[0002]金屬3D打印是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬作為可粘合原材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。其一般步驟為先將高純度的多種不同金屬粉末比例混合，經過熔融和多次重融的方式制備所需金屬母錠，再將母錠熔融成液體并送入噴嘴，并由噴嘴噴出至冷卻裝置，以獲得所需的塊材合金。
[0003]但是現有的金屬3D打印制備塊材合金過程中，無法制備具有特定成分的塊材合金，尤其是非晶態塊材合金的制備。因此，亟待提供一種可實現有效控制制成晶態或非晶態塊材合金的金屬3D打印技術。
【
【發明內容】
】
[0004]為克服目前無法有效控制晶態塊材合金3D打印的缺陷，本發明提供一種塊材合金制備系統及其制備方法。
[0005]本發明為解決上述技術問題的一技術方案是提供一種塊材合金制備系統，其包括噴頭、激光設備及成型設備，所述噴頭用于噴出至少一種金屬粉末，所述激光設備用于熔融噴頭噴出的金屬粉末，所述成型設備包括成型臺以及設置于成型臺下方的若干個可通入冷卻物質的導熱管道，所述成型設備的降溫速率為IX 106k/s以上，所述成型設備用于在成型臺上冷卻所述熔融后的金屬粉末而獲得非晶態塊材合金。
[0006]優選地，所述成型設備包括一殼體，所述成型臺為所述殼體一表面，所述導熱管道平行設置在殼體內，并貫穿所述殼體相對兩端。
[0007]優選地，所述導熱管道的形狀為直線型、蛇型或折線型中的一種或幾種的組合。
[0008]優選地，所述塊材合金制備系統進一步包括粉末定量模塊及粉末混合與配送模塊，所述粉末定量模塊與所述粉末混合與配送模塊相連，用于設定所需制備塊材合金的至少一種金屬粉末的所需用量并輸送給所述粉末混合與配送模塊，所述粉末混合與配送模塊與所述噴頭連接，用于為所述噴頭配送混合均勻的金屬粉末。
[0009]優選地，所述塊材合金制備系統進一步包括控制模塊與環境控制模塊，所述環境控制模塊對所述塊材合金制備系統的環境溫度、濕度、潔凈度進行監控并將監控數據傳送給所述控制模塊，所述控制模塊依據監控數據控制所述激光設備與所述成型設備。
[0010]優選地，所述成型設備的降溫速率與所述導熱管道內通入的冷卻物質的流量成正比。
[0011 ]優選地，所述冷卻物質為液氮、氬氣、二氧化碳或氨氣中的任一種。
[0012]本發明為解決上述技術問題的又一技術方案是提供一種塊材合金制備方法，其至少包括以下步驟:提供至少一種金屬粉末，使之由噴頭噴出；激光加熱熔融所述噴頭噴出的金屬粉末；以I X 106k/s以上的降溫速率快速冷卻所述熔融的金屬粉末以成型為非晶態塊材合金。
[0013]優選地，在所述塊材合金制備方法中，通過控制降溫速率大小，實現多級冷卻。
[0014]優選地，所述噴頭的送粉量為微克至克量級每分鐘。所述激光的光譜范圍為SOOnm?1300nm，所述激光的功率為50W?20kW，所述激光的光斑直徑大小為Ο.?μπι?1mm。
[0015]相對于現有技術，本發明所提供的塊材合金制備系統及其制備方法，采用一成型設備，并控制其降溫速率為IX 10/s以上，將激光加熱熔融的金屬粉末在其成型臺上冷卻成型為所需制備的非晶態塊材合金，通過設置可通入冷卻物質的導熱管道，以提高所述成型設備的降溫速率的可控性，通過降溫速率的調控，獲得所需制備的非晶態塊材合金，從而實現晶態可控的塊材合金的制備。
【【附圖說明】】
[0016]圖1是本發明第一實施例提供的塊材合金制備系統的結構示意圖。
[0017]圖2是本發明所提供的塊材合金制備系統的另一結構示意圖。
[0018]圖3A是本發明所提供的塊材合金制備系統中靜態旋轉流化床反應器結構圖。
[0019]圖3B是圖3A中所示靜態旋轉流化床另一實施例的反應器結構圖。
[0020]圖4A是本發明所提供的塊材合金制備系統中多個粉末混合裝置、粉末輸送裝置及噴頭連接關系的示意圖。
圖4B是本發明所提供的塊材合金制備系統中粉末混合裝置中金屬粉末入口的結構示意圖。
[0021]圖5A是本發明所提供的塊材合金制備系統中成型設備的結構示意圖。
[0022]圖5B是圖5A中所示沿B-B方向的剖面示意圖。
[0023]圖6A是本發明第一實施例提供的塊材合金制備系統的第一【具體實施方式】的示意圖。
[0024]圖6B是本發明第一實施例提供的塊材合金制備系統的第二【具體實施方式】的示意圖。
[0025]圖6C是本發明第一實施例提供的塊材合金制備系統的第三【具體實施方式】的示意圖。
[0026]圖7是本發明第二實施例塊材合金制備方法的流程示意圖。
【【具體實施方式】】
[0027]為了使本發明的目的，技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施實例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0028]如圖1及圖2中所示，本發明第一實施例提供了一種塊材合金制備系統10，其包括粉末定量模塊11、粉末混合與配送模塊12、激光熔融成型模塊13、環境控制模塊14、后處理模塊15和控制模塊16。其中，所述控制模塊16連接控制所述粉末定量模塊11、所述粉末混合與配送模塊12、所述激光熔融成型模塊13、所述環境控制模塊14及所述后處理模塊15。
[0029]在本發明中，所述粉末定量模塊11用于設定所需制備塊材合金的至少一種金屬粉末用量，具體地可對具有至少一種金屬粉末的塊材合金的成分進行快速精確定量分析，并根據設定定點配送定量的粉末。在本發明中，所述粉末定量模塊11可同步設定多個成分的塊材合金參數，便于高通量制備獲得所需的塊材合金。
[0030]所述粉末定量模塊11包括連接的粉末變化設定模塊111及建模預設模塊112。其中，所述粉末變化設定模塊111用于設定粉末量變化方案，所述建模預設模塊112用于建模及設定所述激光熔融成型模塊的噴涂路徑。具體地，所述粉末變化設定模塊111與建模預設模塊112可根據預先設定的粉末種類、粉末的各項物理屬性，定量獲得各個粉末的變化量、初始出粉量等參數。所述塊材合金制備系統10首先根據材料樣品庫設計制作3D打印CAD(Compyter Aided Design，計算機輔助設計)模型，生成STL(Stereo Lithography，光固化立體成型)文件，再由CAM(Computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造，利用數控機床控制刀具運動，完成零件制造)軟件將上述生成的STL文件中的模型分層轉化為2D薄片，所述塊材合金制備系統10可自動生成進行金屬3D打印的加工路徑。
[0031]所述粉末定量模塊11進一步包括粉末定量裝置113，所述粉末定量裝置113包括但不受限于:刮吸式送粉裝置、聲波/超聲送粉裝置、靜電閥送粉裝置、靜電吸管粉末定量裝置等中的任意一種。
[0032]在本發明中一些優選的實施例中，所述粉末定量裝置113中預定所需質量及種類的金屬粉末的定量輸送是以超聲振動毛細管為核心的高精度粉末遞送系統實現。所述粉末定量裝置113可根據所述粉末定量模塊11設定并給出相應的出粉量，實現送粉量為微克至克量級每分鐘的定量送粉，
[0033]具體地，在所述粉末定量裝置113中，金屬粉末以超聲振動的方式對高精度粉末進行遞送，其中，超聲振動的輸送劑量為2?160yg/次，其具體輸送劑量的選擇可根據超聲振動的幅度相關。所述粉末定量裝置113中，所述超聲振動頻率為3.125Hz?3200Hz，其超聲振動頻率的選擇與單次輸送計量的重量、金屬粉末粒徑大小及輸送速度相關。所述超聲振動頻率還可進一步為3.125Hz?32Hz、33.5Hz?10Hz、100.2Hz?500Hz、521Hz?I 10Hz、1151Hz?1532Hz、1541Hz?2001Hz、1541Hz?2001Hz、2110Hz?2560Hz或2700Hz?3200Hz等。
[0034]所述粉末混合與配送模塊12用于金屬粉末的混合、分散與輸送。具體地，所述粉末混合與配送模塊12與所述激光熔融成型模塊13連接，用于為所述激光熔融成型模塊13提供設定用量的至少一種金屬粉末。如圖2中所示，所述粉末混合與配送模塊12包括粉末混合裝置121及粉末輸送裝置122。在本發明一些較優的實施例中，所述粉末輸送裝置122可由管路進行替代，所述粉末混合裝置121可與所述激光熔融成型模塊13直接連接或所述粉末混合裝置121與所述激光熔融成型模塊13之間設置多個管路連接。
[0035]所述激光熔融成型模塊13包括至少一激光設備131、至少一噴頭132、一支撐架133及一成型設備134，所述噴頭132與所述支撐架133之間通過一滑動塊(圖未示)連接，所述支撐架133設置在所述成型設備134—側。所述控制模塊16對所述激光設備131進行控制。所述滑動塊由所述控制模塊16控制，所述滑動塊帶動所述噴頭132相對于所述成型設備134的X軸、Y軸及Z軸方向移動，從而實現金屬粉末3D打印操作。
[0036]由所述粉末混合與配送模塊12送入所述激光熔融成型模塊13的金屬粉末進入所述噴頭132中，所述噴頭132可根據計算機設定的路徑進行運動，并在指定的位置噴出所需的種類及定量的金屬粉末，金屬粉末噴出的同時，所述激光設備131通過激光將指定位置的所述金屬粉末進行激光燒結。所述噴頭132逐層噴出金屬粉末，所述激光設備131配合移動并進行激光燒結，從而逐層打印出所需的形態。所述噴頭132與所述粉末混合與配送模塊12之間通過管路(未標號)連接，所述激光設備131與至少一噴頭132匹配設置。
[0037]優選地，所述噴頭132可設有至少一個接入口(圖未示)，其接入口的數量可為I個、2個、3個、4個及5個等。
[0038]其中，所述激光熔融成型模塊13中，所述激光設備131所發出的激光光譜范圍為800nm-1300nm，所述激光設備131的功率為50W_20kW，所述激光設備131所產生的激光的光斑直徑大小為Ο.?μπι-lmm。更進一步地，所述激光設備131的功率為60W-14kW。在本發明中，通過對所述激光熔融成型模塊13中所述激光設備131所產生激光的光譜、功率及光斑直徑進行限定，可以更為精準地控制所述激光熔融成型模塊13的打印操作。
[0039]其中，針對所述激光的光斑直徑的限定，可保證當制備多個塊材合金時，制備各個塊材合金的過程中，不會由于光斑過大，而對相鄰排布的塊材合金造成影響。
[0040]具體打印的方式如下:分立塊材合金樣品庫中單個樣品可以實現獨立的成分和工藝參數控制；或可通過打印時分層進行樣品成分組合及熱力學工藝組合，以此實現多元合金相圖塊材合金的制備。在本發明一些實施例中，所述成型設備134為可通入液氮、氬氣的超導熱底座，如所述成型設備134可使用銀、銅或其他超導熱材料。
[0041]所述環境控制模塊14與所述激光熔融成型模塊13連接，所述環境控制模塊14進一步包括一可控環境溫度的箱體(圖未示)，所述可控環境溫度的箱體內設有環境溫度、濕度、潔凈度等的監控系統。所述環境控制模塊14可實現對所述激光熔融成型模塊13的運作氣壓、環境溫度、反應氣氛等環境因素的調控，以獲得最優的反應環境。具體地，所述環境控制模塊14對所述塊材合金制備系統10的環境溫度、濕度、潔凈度進行監控并將監控數據傳送給所述控制模塊16，所述控制模塊16依據監控數據控制所述激光熔融成型模塊13中的所述激光設備131與所述成型設備134。
[0042]在本發明一些實施例中，所述控制模塊16控制所述環境控制模塊14，以實現對所述環境控制模塊14的精準控制。所述環境控制模塊14還可用于對由所述噴頭132噴出的未進行反應的粉末進行存儲，以便于在下一次打印中，未進行反應的粉末可循環使用。
[0043]所述后處理模塊15用于對經過所述激光熔融成型模塊13處理后的金屬3D打印產品進行后處理，如拋光、噴砂、上色等操作，從而獲得具有更優表面性能的金屬3D打印產品。
[0044]在本發明一些特別的實施例中，如需要制備獲得具有特殊層結構及晶態特性的產品，可采用本發明所提供的塊材合金制備系統10進行制備。如所述塊材合金制備系統10中可包括多個可拆卸的粉末混合裝置121與粉末輸送裝置122的組合，其中，第一組合中所述粉末混合裝置121內裝有金屬粉末鋁，第二組合中所述粉末混合裝置121內裝有金屬粉末銅與金屬粉末鎳的混合物，第三組合中所述粉末混合裝置121內裝有金屬粉末銅、金屬粉末鈦及金屬粉末鎳的混合物。可拆卸的粉末混合裝置121以相同的靜態旋轉流化參數逐步將金屬粉末混合并送至對應設置的噴頭132中，所述噴頭132由所述控制模塊14控制并移動至指定位置，按照程序設定的順序，所述激光設備131在所述噴頭132噴出金屬粉末的同時，產生具有一定光斑及功率大小的激光，從而使金屬粉末受到激光加熱熔融，與此同時，所述成型設備134迅速降溫，并達到一定的降溫速率，使通過激光加熱熔融的金屬粉末快速成型，并形成晶態或非晶態的塊材合金，即可獲得晶態可控的塊材合金。
[0045]可見，采用本發明所提供的塊材合金制備系統10，可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，而且可以精確控制粉末的供給，在一次加工中實現不同金屬的組合及變化，還可實現不同金屬粉末的精確配比，實現局部特定金屬供給，從而可實現高通量制備塊材合金，提高實驗的通量與塊材合金材料的研發效率。
[0046]所述粉末混合裝置121可包括若干個流化床或離心機。如圖3A中所示，在本發明中所述流化床優選為靜態旋轉流化床1210。所述靜態旋轉流化床1210包括一圓柱形筒體，且所述圓柱形筒體底部為一圓錐體。沿所述圓柱形筒體的徑向等間距分布的至少一個金屬粉末入口 1202及若干個氣體入口 1201，優選地，所述金屬粉末入口 1202與所述氣體入口1201等距交替間隔分布。當所述靜態旋轉流化床1210為采用單種金屬粉末注入時，則如圖3A中所示，所述金屬粉末入口 1202的數量為一個;而當所述靜態旋轉流化床1210為用于多種金屬粉末混合時，則如圖3B中所示，所述靜態旋轉流化床1210進一步包括三個金屬粉末入口 1202。
[0047]在所述靜態旋轉流化床1210內氣體帶動金屬粉末同時做徑向和切向運動，具體地，氣體的切向運動對金屬粉末產生切向作用力并驅動金屬粉末做切向旋轉運動從而使金屬粉末受到向外離心力作用，并在所述靜態旋轉流化床1210的外周形成做旋轉運動的金屬粉末床層(如圖3A中A處所示)；通過氣體徑向運動對金屬粉末產生指向所述靜態旋轉流化床1210中心的徑向作用力，而當作用力超過離心力時，金屬粉末便會得到徑向流化。所述靜態旋轉流化床1210的直徑為0.2m-0.5m。采用靜態旋轉流化床1210，可實現兩種及以上金屬粉末的精準混合。
[0048]在本發明一些優選的實施例中，所述靜態旋轉流化床1210中，多個所述金屬粉末入口 1202可為同高度設置，同高度設置的所述金屬粉末入口 1202可實現多種金屬粉末的水平注入，進一步通過控制流量及粉末輸送速度等，可實現多種粉末的有效混合。在本發明另外的一些實施例中，所述靜態旋轉流化床1210中，多個所述金屬粉末入口 1202之間還可為不同高度設置，所述金屬粉末入口 1202高度的選擇可根據注入的金屬粉末的質量決定，如金屬粉末的質量越大，則其注入粉末的金屬粉末入口的高度越高，從而避免具有不同質量的粉末由于重量差異而無法充分混合及分散均勻。
[0049]在本發明中，為了實現多種金屬粉末的精準激光燒結，則可根據需求選用多個具有數量及分布位置不同的金屬粉末入口 1202的多種靜態旋轉流化床1210，以獲得最優的金屬粉末混合及分散效果。
[0050]在本發明中，為了獲得最優的金屬粉末混合分散效果，則所述靜態旋轉流化床1210的載氣流流量為l.0L/min?15L/min，金屬粉末的粒度較優地為20μπι?200μπι，所述金屬粉末入口 1202中金屬粉末的輸送量為0.lg/min?30g/min。更進一步地，所述靜態旋轉流化床1210的載氣流流量為1.3L/min?10L/min，金屬粉末的粒度較優地為50μπι?200μπι，所述金屬粉末入口 1202中金屬粉末的輸送量為0.5g/min?25g/min。
[0051]其中，所述靜態旋轉流化床1210內的載氣成分不受限定，較優地為惰性氣體，如氮氣、氬氣等，在一些較優的實施例中，所述靜態旋轉流化床1210內還可支持多元氣載體保護。
[0052]在所述粉末混合與配送模塊12中，金屬粉末由載氣并經過管路流入所述粉末混合裝置121中，經由湍流快速混合后由氣路輸送至所述激光熔融成型模塊13。
[0053]所述粉末混合與配送模塊12中，將所述粉末混合裝置121與所述粉末配送裝置122結合使用，可有效提高金屬粉末混合效果，可有效將粒徑較小的金屬粉末打散后，使其在一定的速度和振動頻率下傳送，在這一過程中金屬粉末不會再次發生團聚。
[0054]在本發明一些實施例中，所述粉末混合裝置121可直接與所述噴頭132連接，所述噴頭132用以噴出由所述粉末混合裝置121混合后的金屬粉末。
[0055]如圖4A中所示，在本發明另外一些【具體實施方式】中，所述粉末混合與配送模塊12a可包括若干個粉末混合裝置121a及若干個粉末輸送裝置122a，所述粉末混合裝置121與所述粉末輸送裝置122a連接。如圖4A中所示，在本發明一些較優的實施例中，所述粉末混合裝置121與所述粉末輸送裝置122a為一一對應設置，多個所述粉末輸送裝置122a進一步與一噴頭132a連接，可實現由所述噴頭132a同時噴出一種或多種金屬粉末。在本發明另外的實施例中，多個所述粉末輸送裝置122a還可與一個噴頭132a連接，所述噴頭132a可包括所述噴頭132a與多個所述粉末輸送裝置122a之間還可設置一金屬粉末選擇裝置(圖未示)，其中，所述金屬粉末選擇裝置可用于控制由一個或多個所述粉末輸送裝置122a往所述噴頭132a內輸送金屬粉末。
[0056]在本發明另外一些【具體實施方式】中，所述粉末混合與配送模塊12b僅包括一個粉末混合裝置121b，優選地，如圖4B中所示，所述粉末混合裝置121b包括四個同高度設置的金屬粉末入口 1202b，所述金屬粉末入口 1202b內依次通入金屬粉末鋁、金屬粉末鎳、金屬粉末銅、金屬粉末鈦，上述金屬粉末的粒徑大小滿足20?200μπι的要求。所述粉末混合裝置121b與一粉末輸送裝置(圖未示)、一噴頭(圖未示)連接，可實現實時混合后輸出粉末，具體地，當需要銅鋁合金粉末時，在其中兩個所述金屬粉末入口 1202b內通入適量比例的金屬粉末銅與金屬粉末鋁，進入所述粉末混合裝置121b內進行混合分散后，將混合后的金屬粉末經由所述粉末輸送裝置、一噴頭輸出至所述成型設備134上。當完成上述銅鋁塊材合金的制備后，調整所述噴頭的位置，重復上述的輸入金屬粉末、金屬粉末混合、輸送等步驟，可進行下一種塊材合金的制備。由于所述粉末混合裝置122b特殊的結構設置，因此進入所述粉末混合裝置122b中進行混合的金屬粉末不易出現殘留，從而保證塊材合金制備的精準度。
[0057]本發明上述所列舉的實施例可適用于不同成分的塊材合金的制備過程中，上述實施方式僅作為解釋說明，并不作為本發明的限定。
[0058]如圖5A-圖5B中所示，在本發明一個較優的實施例中，所述成型設備134包括一殼體1342、成型臺1340與若干個導熱導管1341。所述殼體1342為一中空腔體，所述成型臺1340為所述殼體1342—表面。所述導熱導管1341位于所述成型臺1340下，并平行設置在殼體1342內，并貫穿所述殼體1342相對兩端。在所述導熱管道1341與所述殼體1342內壁之間空隙的填充材料1343。所述金屬粉末在殼體1342的其中一面上成型并形成所需塊材合金。
[0059]其中，所述殼體1342的材質可為表面鍍有鎳或其他金屬的銅，其中，鍍在銅表面的鎳及其他金屬層可起到隔離的作用，防止所述殼體1342在激光加熱熔融過程中受損。
[0060]所述導熱管道1341內可通入冷卻物質，所述冷卻物質可為液氮、氬氣、二氧化碳或氨氣等中的任一種。為了獲得更優的導熱效果，所述導熱管道1341采用高強度材質制成，如尚強度鋼等。
[0061]所述導熱管道1341的形狀可為直線型、蛇型或折線型中的一種或幾種的組合。如圖5B中所示，所述導熱管道1341a為蛇型、所述導熱管道1341b為直線型、所述導熱管道1341c為折線型及所述導熱管道1341d為直線型。所述導熱管道1341的特殊形狀設計，可增大冷卻物質與所述殼體1342接觸的面積，從而有利于液氮、氬氣、二氧化碳或氨氣等冷卻物質通入所述導熱管道1341后，獲得更優的降溫效果，并進一步使降溫幅度及其頻率更為穩定。
[0062]特別地，在本發明中，為了獲得晶態可調節的塊材合金，需要對所述成型設備134進一步的限定。
[0063]在本發明所提供的塊材合金制備系統10中，所述成型設備134的降溫速率與所述導熱管道1341內通入的冷卻物質的流量(如冷卻物質單位時間的通入量及通入速率)成正比。通過控制冷卻物質的流量控制降溫速率大小，實現所述成型設備的多級冷卻。
[0064]在本發明一些實施例中，所述殼體1342內包括至少三個并排等間距設置的所述導熱管道1341，其冷卻物質的流量與降溫速率的關系如下:
[0065]如采用液氮為冷卻物質時，所述液氮通入所述導熱管道1341的總流量優選為20-500L/min，具體地，當液氮通入單個導熱管道的流量具體為20L/min時，其對應的所述成型設備的降溫速率為lX10/s;當液氮通入單個導熱管道的流量具體為60L/min時，其對應的所述成型設備的降溫速率為5 X 106k/s。
[0066]如采用氬氣為冷卻物質時，所述氬氣通入所述單個導熱管道1341的總流量優選為20-500L/min，具體地，當氬氣通入單個導熱管道的流量為30L/min時，其對應的所述成型設備的降溫速率為1.6X10/s;當氬氣通入單個導熱管道的流量為50L/min時，其對應的所述成型設備的降溫速率為4.6 X 106k/s;當氬氣通入單個導熱管道的流量為100L/min時，其對應的所述成型設備的降溫速率為lX107k/s。
[0067]具體地，通過調整所述成型設備134的所述導熱管道1341內通入的冷卻物質的類型、用量、通入速率等條件或參數，可對所述激光熔融成型模塊13內所述成型設備134所提供的降溫速率進行調控，從而可制備獲得所需的塊材合金，如當需要制備具有非晶態塊材合金時，需要使通過激光加熱熔融制備獲得的塊材合金急速降溫，其降溫速率為I X 106k/s以上。在本發明中，采用所述成型設備134，并控制所述成型設備134的降溫速率為IX 10/S以上，將激光加熱熔融的金屬粉末在其成型臺上冷卻成型為所需制備的非晶態塊材合金，通過設置可通入冷卻物質的導熱管道，以提高所述成型設備的降溫速率的可控性，從而通過降溫速率的調控，獲得所需制備的非晶態塊材合金，實現晶態可控的塊材合金的制備。在本發明一些較優的實施例中，為了獲得更優的高通量制備塊材合金的方法，所述塊材合金制備系統10可進一步包括多個所述成型設備134，每個所述成型設備134的降溫速率可為相同或不相同。如在一具體實施例中，所述塊材合金制備系統10中包括4個所述成型設備134，所述成型設備134的降溫速率依次為2\1061^、1\10/8、5\10/8及1\1081^等。在實際應用中，所述塊材合金制備系統10所包括的成型設備134的數量及降溫速率可根據所需進行高通量塊材合金制備的要求相應的增加或減少。
[0068]更進一步地，一個所述成型設備134包括一殼體1342，多個成型設備134則包括多個位于所述殼體1342—表面的成型臺1340，不同的所述成型臺之間的降溫速率不同。所述成型臺1340上可設置用于承載塊材合金的基板，多個所述基板分別設置在一所述成型臺上;或當所述基板為一個時，則所述基板設置在多個所述成型臺之上;或當所述基板為一個時，則所述基板與所述成型臺一一對應設置。
[0069]通過上述的設置，可在同一基板或不同基板上形成不同降溫速率，以在一所述塊材合金制備系統10中制備獲得具有不同晶態的塊材合金，為高通量制備塊材合金提供更多可選擇的變化因素，從而提高本發明塊材合金制備系統的適用性。
[0070]在本發明中一些優選的實施例中，所選用的激光設備可包括但不受限于:ND/YAG(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet,慘欽的乾招石植石，激光光譜為1060nm)激光器、0)2激光器(激光光譜為106011111)、0&)1^8激光器(激光光譜為85011111)或0&)8激光器(激光光譜為904nm)中的任一種。一般而言，對于現有常用的小型塊材合金制備系統中，可采用激光功率為50W、100W、400W或1000W的激光設備。
[0071]請參閱6A-圖6C，本發明提供三種采用本發明第一實施例所提供的系統進行塊材合金制備的【具體實施方式】，圖示的【具體實施方式】采用本發明第一實施例所提供的塊材合金制備系統進行制備，如圖6A-圖6C中所示的【具體實施方式】中，所選用的激光器為CO2激光器。
[0072]在第一【具體實施方式】中，如圖6A中所示，提供一具有若干橫縱分布的凹槽的基板601，所述基板601放置在所述成型設備134的成型臺1340之上。噴頭132向所述基板601的縱向排布的凹槽內噴涂混合不同比例金屬粉末的材料，并進行相同的激光功率的熔融急冷；噴頭132向所述基板601的橫向排布的凹槽內噴涂混合相同比例金屬粉末的材料，并進行不相同的激光功率的熔融急冷。
[0073]如圖6A中與RI方向平行的每行的凹槽內內激光加熱熔融制備塊材合金所需的瞬時激光功率依次為4kW、5.2kW、8.4kW、10.8kW&12.8kW。在本【具體實施方式】中，所述激光光斑直徑大小均為0.5μπι，其熔融急冷的速度均為2 X 106k/s。
[0074]在第二【具體實施方式】中，如圖6B中所示，提供一基板602，本【具體實施方式】與上述第一【具體實施方式】的區別在于:噴頭132在所述基板602上噴涂形成陣列分布的條狀體，所述條狀體由所述噴頭132逐層噴涂形成。其中，每個設置在基板602之上的條狀體內逐層之間的金屬粉末的種類及比例可為相同或不同，而熔融急冷形成每個條狀體的激光功率也可為相同或不同，如當在同一條狀體內成分相同而變激光功率打印時，則不同條狀體間的成分不同；而當同一條狀體內成分不同而同激光功率打印時，則不同條狀體間變激光功率打印。
[0075]在第三【具體實施方式】中，如圖6C中所示，提供一基板603，本【具體實施方式】與上述第一、第二【具體實施方式】的區別在于:噴頭132所述基板603之上逐層熔融冷卻形成所需形狀的塊材合金，所形成的塊材合金內逐層可變激光功率變材料成分打印，從而可獲得具有特定成分及特性性能的塊材合金。
[0076]通過上述的第一至第三具體實施例，可知，所述基板(如基板601、基板602與基板603)之上可設置至少一個塊材合金;不同的所述塊材合金由所述激光設備以不同激光功率熔融成分比例相同的金屬粉末制備而成或多個所述塊材合金由所述激光設備以相同激光功率熔融成分比例不同的金屬粉末制備而成。
[0077]在本發明一些較優的實施例中，所述激光設備的瞬時功率還可進一步達到kW-MW級別。所述激光設備的瞬時功率越大，則激光熔融相同金屬的時間則越短，相對的激光熔融對與正在制備的塊材合金相鄰的已生成的材料或塊材合金所造成的熱損傷則越小，從而使制備的合金塊材具有更加優異的結構特性和力學特性。
[0078]設置在所述基板之上的同一塊材合金由多個層結構組成，多個所述層結構由所述激光設備以不同激光功率熔融成分比例相同的金屬粉末制備而成或多個所述層結構由所述激光設備以相同激光功率熔融成分比例不同的金屬粉末制備而成。
[0079]更進一步地，本發明的第二實施例提供一種塊材合金制備方法，其包括如下的步驟:
[0080]步驟SlOl，設定粉末量變化方式；
[0081 ]步驟S102，建模及設定噴涂路徑；
[0082]步驟S103，粉末定量及混合；
[0083]步驟S104，粉末輸出、激光熔融、冷卻及成型；
[0084]步驟S105，塊材合金后處理。
[0085]其中，上述的步驟S101、步驟S102對應本發明第一實施例中的粉末定量模塊11中的粉末變化設定模塊111及建模預設模塊112，上述的步驟S103對應本發明第一實施例中的粉末定量模塊11中粉末定量裝置113與粉末混合與輸送模塊12，上述的步驟S104對應所述激光熔融成型模塊14，所述步驟S105對應后處理模塊15。
[0086]在本發明第二實施例的第一個變形實施方式中，所述塊材合金制備方法可包括如下的步驟:
[0087]提供至少一種金屬粉末；以超聲振動粉末定量方式獲得預定所需質量及種類的金屬粉末，對所述預定質量及種類的金屬粉末進行熔融冷卻，獲得所需的塊材合金。
[0088]在本發明第二實施例的第二個變形實施方式中，所述塊材合金制備方法可包括如下的步驟:
[0089]提供至少一金屬粉末;采用靜態旋轉流化方式對至少一種金屬粉末進行混合分散;以激光加熱熔融所述混合后的金屬粉末，冷卻所述熔融的金屬粉末獲得所需塊材合金。
[0090]在本發明第二實施例的第三個變形實施方式中，所述塊材合金制備方法可包括如下的步驟:
[0091]提供至少一種金屬粉末，使之由所述噴頭噴出；激光加熱熔融所述噴頭噴出的金屬粉末；以IX 10/s以上的降溫速率快速冷卻所述熔融的金屬粉末以成型為非晶態塊材
I=IO
[0092]進一步地，提供成型設備，所述成型設備包括成型臺以及設置于成型臺下方的若干個可通入冷卻物質的導熱管道，所述成型設備的降溫速率為IX 10/s以上，將熔融的金屬粉末在所述成型臺上冷卻成型為非晶態塊材合金。
[0093]所述塊材合金制備方法中對金屬粉末進行激光加熱熔融中包括采用液氮或氬氣等對通過激光加熱熔融制備獲得的塊材合金進行降溫，以獲得非晶態塊材合金。
[0094]在上述塊材合金制備方法中，可通過控制降溫速率大小，實現多級冷卻。具體為通過控制所述成型設備中的導熱管道中冷卻物質通入的速率與通入量，從而對所述成型設備的降溫速率進行控制。
[0095]進一步地，所述塊材合金制備方法中，所述金屬粉末粒度為20?200μηι。所述金屬粉末的種類可為金屬粉末鋁、金屬粉末銅、金屬粉末鈦、金屬粉末鎳、工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、鈦合金、招合金、鎳基合金、銅基合金、鈷珞合金等。
[0096]所述超聲振動粉末定量方式中，每次的金屬粉末輸送劑量為2yg?160yg，所述超聲振動頻率為3.125Hz?3200Hz。
[0097]進一步地，所述靜態旋轉流化方式中，金屬粉末的輸送量為0.lg/min?30g/min，旋轉流化的載氣流流量為l.0L/min?15L/min。
[0098]上述針對所述靜態旋轉流化方式、所述超聲振動方式中具體參數限定的優選范圍與本發明第一實施例中所涉及的內容一致，在此不再贅述。
[0099]所述激光加熱熔融制備過程中，所需的激光的光譜范圍為800nm?1300nm，所述激光的功率為50W?20kW，所述激光的光斑直徑大小為0.Ιμπι?1mm。
[0100]在本發明的一些實施例中，至少一種金屬粉末進行混合后由氣路實時混合及輸送至一噴頭，所述噴頭根據所需路徑采用混合后的金屬粉末進行打印。
[0101]在本發明的一些實施例中，所述塊材合金制備方法中，所述噴頭的送粉量為微克至克量級每分鐘。
[0102]本發明第三實施例提供一種塊材合金制備系統的應用，如本發明第一實施例中所述的塊材合金制備系統用于在一基板之上制備多個塊材合金;多個所述塊材合金由不同激光功率的激光加熱熔融成分比例相同的金屬粉末制備而成或多個所述塊材合金由相同激光功率的激光加熱熔融成分比例不同的金屬粉末制備而成。
[0103]更進一步地，在上述的同一所述塊材合金由多個層結構組成，多個所述層結構由不同激光功率的激光加熱熔融成分比例相同的金屬粉末制備而成或多個所述層結構由相同激光功率的激光加熱恪融成分比例不同的金屬粉末而制備而成。在本發明的一些實施例中，可通過采用計算機輔助塊材合金分子設計的基礎上，設計出所述塊材合金樣品庫，其是利用文獻結果和積累的經驗設計獲得的塊材合金樣品庫。具體需要把所需求的塊材合金配比設在一個很寬的范圍內，然后利用組合技術層層逼近目的塊材合金配比，并最終從成千上萬樣品中篩選獲得最優的塊材合金組分。其最大特點是可以一次合成成百上千個目標塊材合金組分，通過采用本發明所提供的塊材合金制備系統及其制備方法可實現快速獲取最優配比，而這些塊材合金組分的制備獲得如僅依靠于傳統方法來是無法快速完成的。
[0104]在本發明的一些較優的實施例中，所述塊材合金制備方法進一步包括對塊材合金樣品庫中的單個樣品塊材合金的成分及其制備工藝參數進行控制。如當制備三元、四元塊材合金制備時，采用本發明所提供的塊材合金制備方法，可實現多元塊材合金的制備，還可在塊材合金的不同部位進行不同塊材合金的組合，進一步可實現所述塊材合金層間熱力學工藝組合，從而可制備獲得具有特定部分及特定合金種類的塊材合金。
[0105]為了獲得性能更優異的塊材合金，需要對金屬3D打印環境的環境溫度、濕度、潔凈度進行監控。
[0106]與現有技術相比，本發明中所提供的塊材合金制備系統及其制備方法，具有以下優點:
[0107](I)本發明所提供的塊材合金制備系統包括噴頭、激光設備及成型設備，所述成型設備用于冷卻由所述噴頭噴出并由激光設備激光加熱熔融的至少一金屬粉末;所述成型設備包括若干個可通入冷卻物質的導熱管道，所述成型設備的降溫速率為IX 10/s以上。采用本發明所提供的塊材合金制備系統，可實現非晶態塊材合金的制備，從而實現快速精準合成變成分的塊材合金，從而提高目前塊材合金材料的研發效率。
[0108](2)本發明所提供的塊材合金制備系統包括一殼體，所述成型臺為所述殼體一表面，所述導熱管道平行設置在殼體內，所述殼體具有較優的導熱性能，且為所述金屬粉末提供具有降溫快速且均衡的載物平面，從而可對所制備獲得的塊材合金的結構及成分實現更精準的調控。
[0109](3)本發明所提供的塊材合金制備系統中，所述導熱管道的形狀為直線型、蛇型或折線型中的一種或幾種的組合。這樣的設計，可有效增大通入所述導熱管道中的冷卻物質與所述殼體及在所述殼體上成型的塊材合金的接觸面積，從而提高冷卻降溫的效率，提高塊材合金制備的精準度。
[0110](4)本發明所提供的塊材合金制備系統中，所述塊材合金制備系統進一步包括連接設置的金屬粉末定量模塊及粉末混合與配送模塊，所述金屬粉末定量模塊用于設定所需制備塊材合金的至少一種金屬粉末用量，所述粉末混合與配送模塊與所述噴頭連接，用于為噴頭提供設定用量的至少一種金屬粉末。采用所述金屬粉末定量模塊及所述粉末混合與配送模塊，可獲得混合分散效果更好的多種金屬粉末的混合物，從而可更為精確地控制形成塊材合金的成分及各種金屬粉末之間的比例，避免金屬粉末原料的浪費。
[0111](5)本發明所提供的塊材合金制備系統中，所述塊材合金制備系統進一步包括控制模塊與環境控制模塊，所述控制模塊分別連接所述噴頭、所述激光設備及所述成型設備，所述控制模塊控制所述激光設備的打印激光脈沖寬度、幅值和頻率。通過設置所述控制模塊，可有效控制不同成分的塊材合金的工藝參數，以獲得具有不同性質與成分的塊材合金。進一步地，所述環境控制模塊可對所述塊材合金制備系統內的多項環境因素進行監控，并將監控信息反饋給控制模塊，從而可進一步提高控制模塊控制的精準度，以獲得更優的塊材合金制備效果。
[0112](6)本發明所提供的塊材合金制備系統中，進一步限定所述成型設備的降溫速率與所述導熱管道內通入的冷卻物質的流量成正比，可進一步對所述成型設備的降溫速率進行控制，提高對所述塊材合金制備的工藝參數可控性，以獲得具有特定晶態的塊材合金成品O
[0113](7)本發明所提供的塊材合金制備系統中所述冷卻物質為液氮、氬氣、二氧化碳或氨氣，基于液氮、氬氣、二氧化碳或氨氣的特性作為所述塊材合金制備系統中的冷卻物質，可快速獲得所需的冷卻降溫速率，且溫度穩定，可有效提高所制備獲得性能更優異、結構更穩定的彳_晶態塊材合金。
[0114](8)本發明所提供的塊材合金制備方法中，限定成型設備可包括設置在成型臺下方的若干個可通入冷卻物質的導熱管道并進一步限定所述成型設備的降溫速率為I X106k/s以上從而可制備獲得所需的非晶態塊材合金，且非晶態塊材合金的制備過程中塊材合金晶態的可控度較高。
[0115](9)在所述塊材合金制備方法匯總，可通過控制降溫速率大小，從而實現多級冷卻，根據不同的降溫速率，可制備晶態可控的塊材合金。
[0116](10)采用本發明所提供的塊材合金制備方法的激光加熱熔融制備過程中，所需的激光光譜范圍為800nm?1300nm，所述激光的功率為50W?20kW，通過對激光加熱熔融工藝參數的限定，可在一更為精準的激光功率、光譜的范圍內精準地制備獲得所需的塊材合金。此外，所述激光光斑直徑大小限定為0.Ιμπι?1mm，可保證當制備多個塊材合金時，制備各個塊材合金的過程中，不會由于光斑過大，而對相鄰排布的塊材合金造成影響。
[0117](11)本發明所提供的塊材合金制備方法中，所述噴頭的送粉量為微克至克量級每分鐘，因此可制備多種不同尺寸大小及形狀的塊材合金成品。
[0118]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的原則之內所作的任何修改，等同替換和改進等均應包含本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種塊材合金制備系統，其特征在于:其包括噴頭、激光設備及成型設備，所述噴頭用于噴出至少一種金屬粉末，所述激光設備用于熔融噴頭噴出的金屬粉末，所述成型設備包括成型臺以及設置于成型臺下方的若干個可通入冷卻物質的導熱管道，所述成型設備的降溫速率為IX 10/s以上，所述成型設備用于在成型臺上冷卻所述熔融后的金屬粉末而獲得非晶態塊材合金。2.如權利要求1所述塊材合金制備系統，其特征在于:所述成型設備包括一殼體，所述成型臺為所述殼體一表面，所述導熱管道平行設置在殼體內，并貫穿所述殼體相對兩端。3.如權利要求2所述塊材合金制備系統，其特征在于:所述導熱管道的形狀為直線型、蛇型或折線型中的一種或幾種的組合。4.如權利要求1所述塊材合金制備系統，其特征在于:所述塊材合金制備系統進一步包括粉末定量模塊及粉末混合與配送模塊，所述粉末定量模塊與所述粉末混合與配送模塊相連，所述粉末定量模塊用于設定所需制備塊材合金的至少一種金屬粉末的所需用量并輸送給所述粉末混合與配送模塊，所述粉末混合與配送模塊與所述噴頭連接，用于為所述噴頭配送混合均勾的金屬粉末。5.如權利要求1所述塊材合金制備系統，其特征在于:所述塊材合金制備系統進一步包括控制模塊與環境控制模塊，所述環境控制模塊對所述塊材合金制備系統的環境溫度、濕度、潔凈度進行監控并將監控數據傳送給所述控制模塊，所述控制模塊依據監控數據控制所述激光設備與所述成型設備。6.如權利要求1-5中任一項所述塊材合金制備系統，其特征在于:所述成型設備的降溫速率與所述導熱管道內通入的冷卻物質的流量成正比。7.如權利要求6中所述塊材合金制備系統，其特征在于:所述冷卻物質為液氮、氬氣、二氧化碳或氨氣中的任一種。8.—種塊材合金制備方法，其特征在于:其至少包括以下步驟:提供至少一種金屬粉末，使之由噴頭噴出；激光加熱熔融所述噴頭噴出的金屬粉末；以I X 10/s以上的降溫速率快速冷卻所述熔融的金屬粉末以成型為非晶態塊材合金。9.如權利要求8所述塊材合金制備方法，其特征在于:在所述塊材合金制備方法中，通過控制降溫速率大小，實現多級冷卻。10.如權利要求8或9所述塊材合金制備方法，其特征在于:所述噴頭的送粉量為微克至克量級每分鐘，所述激光的光譜范圍為800nm?1300nm，所述激光的功率為50W?20kW，所述激光的光斑直徑大小為0.Ιμπι?Imm0
【文檔編號】B22F3/105GK106077640SQ201610414603
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610414603.5, CN 106077640 A, CN 106077640A, CN 201610414603, CN-A-106077640, CN106077640 A, CN106077640A, CN201610414603, CN201610414603.5
【發明人】向勇, 蘇陽, 王維
【申請人】電子科技大學