专利名称：一种电子束同步送粉快速成形方法
技术领域：
本发明是一种电子束同步送粉快速成形方法，属于金属零件的快速成形制造及修复技术领域。
背景技术：
本发明涉及一种同步送粉电子束快速成形工艺及装置，适用于金属零件的快速成形直接制造及修复；高梯度或多阶梯度金属材料的制备、金属基复合材料的制备等。金属零件的电子束快速成形直接制造技术是近些年来发展起来的新型金属实体增材加工技术。目前，从技术形式上，可分为基于熔化送进 丝材的电子束熔丝沉积技术和基于熔化预铺粉末的电子束选区熔化技术。其共同原理是通过对零件三维数字模型的分层切片处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径，以高能量密度的电子束作为热源，按照预定的加工路径，在真空室内熔化填充材料(金属丝材或预铺的粉末)，逐层堆积，最终实现致密金属零件的近净成形直接制造。电子束熔丝沉积快速制造技术是电子束填丝加工技术和快速成形思想相结合的产物。电子束熔丝沉积技术在国际上又称为电子束自由成形制造技术Electron beamfreeform fabrication(EBF3)或电子束实体自由成形技术Electron beam solid freeformfabrication (EBSFFF)0美国麻省理工学院的V. R. Dave等人在1995便开始了探索性研究，2002 年，美国航空航天局(NASA) Langley Research Center 的 K. M. Taminger 及R. A. Hafley等人提出了 EBF3技术。电子束加工设备供应商Sciaky公司也在与NASA合作的同时开展工艺及装备的研究。国际上还有许多机构具备电子束填丝焊接或表面堆积的装备或能力，但并不能具有电子束快速成形的能力。电子束选区熔化快速制造技术Electron Beam Melting (EBM)是指电子束在偏转线圈驱动下按预先规划的路径逐行扫描，熔化铺放的金属粉末，层层堆积，制造出需要的金属零件。整个加工过程均处于10_2Pa以上的真空环境中，能有效避免空气中有害杂质的影响，零件致密，力学性能可以达到锻件水平。2003年，瑞典的Arcam AB公司在世界上首先推出了商业化的成形设备。国内如清华大学与桂林电工所合作研制了类似设备。现有技术的不足现有技术均有其独特的优点，从而具有一定的适用范围，同时也有一定的局限性。I.基于填丝的电子束熔丝沉积快速成形技术送进的是丝材，金属丝材成分控制较为严格，因而堆积体混入杂质的可能会更小，堆积速度快，适于加工大型零件。但金属丝材送进过程中会发生与零件的干涉现象，如粘丝或丝端顶到熔池壁上等，丝端时常偏离熔池中心，严重时会偏到熔池外，造成严重故障。熔丝沉积对送丝的角度、位置均有很严格的要求，否则，堆积体形态就会发生显著变化，对工艺稳定造成不利影响。以上原因致使熔丝快速成形方法的工艺裕度相对较小、控制困难，故障较多。由于丝材成分受到拔丝工艺的制约，可调整范围小，在制备梯度材料，或调控堆积体成分时，电子束熔丝沉积快速成形技术不具优势。
受到丝材本身形状和加工工艺的制约，电子束熔丝沉积快速成形技术难以加工形状高度复杂的结构。 2.基于铺粉的电子束选区熔化技术几乎不受零件形状的制约，可以加工任意复杂的零件，但受铺粉装置和电子束偏转角度的限制，难以加工大型零件；与填丝或送粉相比，材料熔积速度很低，加工梯度材料受限制。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种电子束同步送粉快速成形方法，其目的是通过电子束熔化同步送进的金属粉末，实现零件制造。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 该种电子束同步送粉快速成形方法，其特征在于该方法首先对拟加工零件的CAD模型(16)进行分层切片(18)处理，生成加工路径(19)，并转化成数控程序，导入电子束成形设备中，电子束流(9)熔化同步送进的金属粉末(12)，按照预先规划的加工路径(19)堆积，完成一个层面加工，之后，工作台(4)移动一层的高度，进行下一层面的加工，如此层层堆积，直到完成整个零件的加工；上述金属粉末(12)的粒度应小于300 u m。本发明技术方案的优点是I.相比其他快速成形方法中采用的惰性气体保护环境，电子束成形采用的高真空环境对高温状态的金属具有更好的保护效果，能有效避免空气中杂质混入零件；2.成形速度快。相较于电弧、激光等其他热源，电子束流可以很容易实现大功率，因而材料的熔化堆积速度非常快；3.电子束流采用电磁方式控制束流的聚焦与扫描，在熔化粉末时参数控制非常方便；4.相比激光，采用电子束作为热源可以成形高反射金属材料，如铝合金等；5.与熔化丝材的快速成形方法相比，采用送进粉末的方法可以有效杜绝送进材料与成形零件表面的干涉，降低控制难度，增加工艺裕度，从而大大提高成形过程稳定性；6.未熔化的粉末进入熔池后具有增加形核的作用，可促使零件内部组织细化；7.原材料采用粉末可以大大增加材料设计的灵活性，具备复杂梯度材料制备和成分调控能力；在采用金属粉末与难熔细小纤维、陶瓷颗粒的混合物时，可以制备金属基复合材料；8.与电子束选区熔化技术相比，电子束同步送粉快速成形技术成形速度提高数十倍，成形的尺寸大大增加。
图I是定枪式同步送粉电子束快速成形设备示意2是动枪式同步送粉电子束快速成形设备示意3是同轴送粉工作原理示意4是图3中局部A的结构示意图
图5是旁轴送粉工作原理示意6是图5中局部B的结构示意7是快速成形CAD模型处理示意图，其中7-1是零件CAD模型示意图，7-2是CAD模型分层处理示意图，7-3是二维层面示意图，7-4是路径/[目息意I 图7中1.高压电源及电缆，2.真空机组，3.主真空室，4.多轴工作台，5.控制柜，6.电子枪，7同轴送粉喷嘴，8.送粉器，9.电子束流，10.堆积的工件，11.基板，12.金属粉末，13.熔化的液滴，14.熔池，15.旁轴送粉喷嘴，16.零件的CAD模型，17.方孔，18.切片，19.加工路径。
具体实施例方式以下将结合附图和实施例对本发明技术作进一步说明附图I给出了实施本发明技术方案的一种定枪式同步送粉电子束快速成形设备的结构原理图，电子枪6固定不动，多轴工作台4带动工件10与电子束流9及同轴送粉喷嘴7产生相对运动。该设备高压电源及电缆I连接到电子枪6，真空机组2与主真空室3连通，电子枪6固定在真空室3顶部外侧，同轴送粉喷嘴7固定在电子枪6下部，送粉器8通过管路与同轴送粉喷嘴7连接，多轴工作台4安放在真空室3内部，控制柜5控制整台设备。送粉器8与工件10可以在同一个真空室3中；也可以放置在单独的真空室中，中间用阀隔开，以便及时增加粉末。附图2给出了实施本发明技术方案的一种动枪式同步送粉电子束快速成形设备的结构原理图。该设备高压电源及电缆I穿过真空室3连接到电子枪6，真空机组2与主真空室3连通，电子枪6及送粉器8安装在多轴工作台4上，均位于主真空室3内部，送粉喷嘴7固定在电子枪6下部，送粉器8通过管路与同轴送粉喷嘴7连接，控制柜5控制整台设备。工件10与多轴工作台4带动电子枪6及送粉器8与工件10产生相对运动。附图3、4给出了实施本发明技术方案的一种同轴送粉装置原理图。中空的同轴送粉喷嘴7固定在电子枪6下方，送粉器8通过多条管路与同轴送粉喷嘴7连接，电子枪6产生的电子束流9通过中空的同轴送粉喷嘴7轰击金属粉末12和基板11，形成熔池14。同轴送粉喷嘴7上部是空心圆柱，下部是圆锥状同轴双层壁结构。只送一种粉末时，多路送粉器8可以共用一个储粉仓；当需要送多种粉末时，每路送粉器可分别配备独立的储粉仓；多个储粉仓可以共用一个箱体，也可以拥有独立箱体。金属粉末的成分根据零件成分及性能要求调配。储粉、送粉装置可以有多路，可以单独或联合工作，以实现高效加工；当各路粉末材质不同时，可实现梯度材料或结构的制造。附图5、6给出了实施本发明技术方案的一种旁轴送粉装置原理图。多路送粉器8与旁轴送粉喷嘴15联结，旁轴送粉喷嘴15与电子枪6的相对位置固定，并对准电子束流9。参见附图7所示，本发明技术方案的实施步骤如下工件10加工前，首先要对工件10的三维CAD模型16进行处理，本实施例中的工件10的中部开有两个方孔17，如图7-1所示。沿着模型16高度方向(设为Z方向)，按照一定的厚度用一系列平行于坐标系X-Y面的平面切割零件模型，与零件模型的外表面相交，形成二维的切片18，如图7-2所示。这样，三维的工件10的三维CAD模型16就转化成一系列二维图形组合，完成了降维处理。如图7-3所示，每个层面的切片18均包含了内外轮廓信息，将每个二维层面图形用特定的线条进行填充并定义属性，就得到了加工路径19，如图7-4所示。设定好束流上升及衰减参数、运行速度、粉末流速、启动停止参量、提前及延迟量等参数，连同加工路径19的信息一起，转化成设备能够识别的数控加工程序。可以在已有零件上堆积新的部分，也可以制造全新的零件。此时需要一块大小合适的基板11，表面进行机械清理，并用酒精擦拭。基板11材料根据使用要求而定，一般与粉末成分一致或接近，可以成为零件的一部分，也可以在加工完毕切割下来循环使用。基板11固定在工作台面上，用夹具固定以减小变形。将送粉器8加上金属粉末并调整好机械状态。准备工作完毕，关闭真空室3，启动真空机组2抽真空，直到要求的真空度。一般真空室要达到5X10_2Pa以下，电子枪10_3Pa以下，可以启动高压电源I。随时可以启动束流9进行加工。 启动预设的数控加工程序，开始工件10的加工。电子束流9与固定在工作台4上的工件10及基板11产生相对运动。可以是电子枪6固定，工作台带动工件运动，也可以是工作4台与工件10固定，电子枪6运动，或者电子枪6与工件10两者均运动，运动轨迹即零件CAD模型16处理时生成的加工路径19。电子束流9、送粉器8、工作台4具有启动、停止两个状态，另外，电子束流9有上升及衰减率、送粉器8有提前及延迟量、工作台4有加速及减速，以上所有动作均要在同一时间坐标下完成，以保证动作同步性。速度参量将时间与位移对应起来，必要情况下，也可以用位移作为统一的参考坐标。各动作均以路径信息作为参考，实施例如下电子束流9从OmA升至设定值需要I秒时间，并在工件10表面形成稳定的熔池14 ;而送粉器8启动后，粉末填满输粉管道并喷出需要0. 6秒；电子束流9从设定值衰减到0用时I秒，送粉器停止后，管道残存粉末仍可送进0. 5秒，电子束流9衰减0. 7秒后，熔池凝固。据此，电子束流9、送粉器8、工作台4三者的动作逻辑关系是在一条连续路径的起点位置，工作台4运动停止，设此时为0时刻，电子束流9开始从OmA上升，0. 4秒后，送粉器8启动，I. 5秒后,工作台4开始运动，实施加工。在路径终点，设程序指令执彳丁完毕时为0时刻，则在-I. 5秒时，工作台4的运动就停止，在-I. 2秒时送粉器停止，在-I秒束流开始衰减，-0. 7秒粉末不再流出，-0. 3秒熔池消失，0时刻程序执行完毕。采用以上加工时序的原因是为了使粉末在路径的头尾堆积平稳，获得适当饱满外形，否则，尺寸累计会使头尾尺寸误差很大。粉末送进有同轴和旁轴两种方式。同轴送粉时，电子束流9通过同轴送粉喷嘴7作用在工件10表面，形成熔池14。金属粉末12从多路送粉管道进入同轴送粉喷嘴7的混合室内混合均匀，并通过同心层壁间的环形缝隙喷出；而旁轴送粉时，粉末通过旁轴送粉管路15喷出，送出的金属粉末12在熔池14附近聚焦，部分形成液滴13后进入熔池，另一部分进入熔池之后才熔化，还有的未参与熔化。随着电子束流9与工作台4的相对运动，熔池位置随着移动，液态金属迅速凝固，并形成致密的冶金结合。当完成一个层面的堆积后，工作台4下降一层高度(定枪式)或电子枪6升起一层高度(动枪式)，再进行下一层面的堆积，如此层层堆积，直到零件加工完毕。本发明技术方案与现有技术相比，保持了高速的特点，大大降低了工艺难度从而放宽了工艺裕度，且可以加工高梯度及多阶梯度材料；与选区熔化相比，成形速度大大提高，成形尺寸可以很大，成 形精度介于熔丝沉积与选区熔化之间。具有高速熔积、大尺寸、高精度加工的特点，同时与现有熔丝沉积相比工艺更简单。
权利要求
1.一种电子束同步送粉快速成形方法，其特征在于该方法首先对拟加工零件的CAD模型(16)进行分层切片(18)处理，生成加工路径(19)，并转化成数控程序，导入电子束成形设备中，电子束流(9)熔化同步送进的金属粉末(12)，按照预先规划的加工路径(19)堆积，完成一个层面加工，之后，工作台(4)移动一层的高度，进行下一层面的加工，如此层层堆积，直到完成整个零件的加工； 上述金属粉末(12)的粒度应小于300 iim。
全文摘要
本发明是一种电子束同步送粉快速成形方法，该方法是将金属粉末通过同轴方式或旁轴方式送进到待加工表面与束流相交的部位，可以是熔池中，也可以是熔池前方。其特点是，电子束轰击工件形成熔池，熔池相对工件表面移动，同时将金属粉末送进到热作用区参与熔化，实施加工。由于送进的是粉末，同步送粉快速成形除具有速度快、质量好的优点外，零件的化学成分和组织性能可以更加方便地进行调控，对于制备高梯度、多阶梯度材料和结构具有明显的优势。同时可以加工外形尺寸较为精细的零件。与送丝工艺相比，粉末与零件之间不会发生干涉，工艺难度更低，便于控制。
文档编号C23C4/00GK102764889SQ201210243440
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者吴冰, 巩水利, 李怀学, 李晋炜, 杨光, 杨洋, 锁红波, 陈哲源 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所