一种非晶合金材料制备与成形一体化的3d打印方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微滴喷射增材制造与非晶合金制备技术领域，具体涉及一种非晶合金材料制备和结构成形一体化的3D打印方法及装置。
【背景技术】
[0002]非晶合金兼有金属和玻璃优点，又克服了它们各自的弊病。现已开发出的块体非晶合金材料体系有La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基等。因其优异的力学、物理和化学性能，在工业生产、体育器材、生物医学、消费电子领域得到了广泛的应用。
[0003]3D打印是快速成形技术的一种，它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式来构造零部件。金属零件的3D打印方法，主要有激光选区烧结、激光选区熔化、电子速选区熔化、金属沉积成形、喷墨3D打印、微滴喷射技术等。金属零部件的近净成形为解决工业装备中难加工金属构件的制造提供了一条快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技术新途径。
[0004]目前，块状非晶合金成形方法主要有水淬法、铜模铸造法、高压模铸法、吸铸法、压铸法等。非晶合金材料制备受冷却介质热传导速率和自身玻璃态形成能力的影响，传统方法制备非晶合金临界尺寸仅达10余毫米。同时非晶合金材料具有的高硬度、高耐磨性与易脆性，使其很难利用机械加工技术获得复杂的零件。现有的非晶合金3D打印基于选择性激光熔融技术成形非晶合金粉末，该方法需要先制备均匀精细的非晶合金粉末，再利用高能束激光加热熔融粉末成形，产生的高温会使部分成形材料温度超过过冷液态温区，导致部分材料晶化、翘曲变形。现有方法技术不能同时实现非晶合金材料制备及复杂结构三维成形。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种非晶合金材料制备与成形一体化的3D打印方法及装置，以解决传统制备方法对块状非晶合金临界尺寸的限制、非晶合金粉末选择性激光熔融3D打印过程中产生晶化行为、翘曲变形的问题。
[0006]本发明采取的技术方案是，包括下列步骤:
(1)坩祸外环形加热炉将晶态合金加热至熔融状态，调控半导体制冷装置，设定沉积基板的温度；
(2)建立要打印的非晶合金零件的三维模型，切片分层处理形成STL格式文件，通过控制金属熔滴喷射频率和运动平台速度，按扫描路径逐滴沉积成形；
(3)液氮喷管二和液氮喷管一位于中空旋转平台上，当喷射路径发生改变时，中空旋转平台旋转一定角度，保证金属熔滴喷头、液氮喷管二和液氮喷管一所在直线同运动平台运动方向始终一致，金属熔滴喷头运动到指定位置后，惰性气体压力储存瓶通过惰性气体管将坩祸内熔融金属经送料管压至金属熔滴喷头处，热电偶检测熔融金属温度低于设定温度时，环形加热器启动保证熔融金属较好流动性，气压控制器9启动，带有压力的惰性气体推动活塞实现金属熔滴喷射；
(4)打印非晶合金零件上打印点时，圆形转盘带动金属熔滴喷头、液氮喷管一和液氮喷管二首先下降至距离此打印点0.1-0.5mm处，高压氮气瓶通过液氮管位液氮喷管一和液氮喷管二提供液氮，液氮喷管二在这一点先喷射液氮使沉积基板环境冷却，该打印点移动至金属熔滴喷头下方并喷射熔融金属液滴，然后该打印点移动至液氮喷管一下方并在这一点再喷射液氮使沉积金属液滴快速冷却变至非晶态；
(5)按扫描轨迹以同样方式完成一层喷射打印后，喷头上升一个打印层厚度，重复上述步骤(3)-(4)，最终完成非晶合金零件的制备及成形过程。
[0007]本发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]本发明所述沉积基板19的移动速度10-1OOmm/s，所设定的沉积基板温度为零摄氏度到零下30摄氏度。
[0009]本发明所述步骤(3)设定液氮喷管二和液氮喷管一轴心连线与X轴正方向夹角α，0°〈α〈180°，α=0°时为初始位置，金属熔滴喷射路径与X轴正方向夹角β，当喷射路径发生改变时，中空旋转平台22旋转一定角度，使得α=β，保证金属熔滴喷头、液氮喷管二和液氮喷管一所在直线，同运动平台运动方向始终一致。
[0010]本发明所述步骤(3)中惰性气体压力储存瓶的压力为0.8MPa。
[0011 ] 本发明所述步骤(3)中气压控制器的调压范围为0-0.SMPa。
[0012]本发明所述步骤(4)中所述高压氮气储存瓶的压力为0.3-0.8MPa。
[0013]一种非晶合金材料制备及结构成形一体的3D打印装置，高压液氮罐通过液氮管7分别与液氮喷头一、液氮喷头二相连，液氮管上设置有开关一，惰性气体压力储存瓶通过惰性气体管一与坩祸相连，用于盛放熔融金属的坩祸外设置有环形加热炉，坩祸通过送料管与金属熔滴喷头连接，送料管上设置有开关二，惰性气体压力储存瓶通过惰性气体管二经过气压控制器与金属熔滴喷头相连，沉积基板固定在三轴运动平台的底座上，半导体制冷装置安装在沉积基板下方，圆形转盘用螺栓固定在中空旋转平台上方，金属熔滴喷头和液氮喷管一、液氮喷管二通过中空旋转平台和圆形转盘固定在三轴运动平台的Z轴上，金属熔滴喷头设置有隔热装置，环形加热器和热电偶安装在金属熔滴喷头的隔热装置内侧。
[0014]所述半导体制冷装置由上电极，散热片、变阻器、风扇、电源、半导体，下电极组成，上电极安装在沉积基板下方，上电极下方依次设置半导体、下电极、散热片和风扇，电源的正负极与下电极左右两侧相连，形成回路，回路上设置有变阻器。
[0015]本发明采用冷基板和双喷液氮冷却装置，结合金属熔滴喷射增材制造技术实现非晶合金材料制备和大尺寸复杂结构成形一体化。通过冷基板和可旋转双液氮喷射，实现金属熔滴喷射前基板环境冷却和金属熔滴喷射后沉积熔滴冷却，两次“点对点”冷却方法更好保证成形零件的非晶特性。
[0016]本发明的优点如下:
(I)本发明采用冷基板和双喷液氮冷却装置，结合3D打印技术制备非晶合金材料同时成形大体积复杂形状非晶合金零件。该方法实现非晶合金材料制备和结构成形一体化，节省加工工序，提高工作效率。
[0017](2)水淬法、铜模铸造法仅能成形10余毫米结构简单的非晶合金零件，而本发明结合3D打印技术制造出结构复杂、更大尺寸的非晶合金零件，比水淬法、铜模铸造法制造的非晶合金零件尺寸至少大10_。
[0018](3)与非晶合金粉末选择性激光熔融3D打印相比，本发明节省了非晶合金粉末的制备过程，同时避免了高能束激光加热熔融粉末过程中晶化行为和翘曲变形。
[0019](4)采用可旋转式前、后置双喷液氮装置，实现金属熔滴喷射前基板环境冷却和金属熔滴喷射后沉积熔滴冷却，两次“点对点”冷却更好保证成形零件的非晶特性。
[0020](5)打印基板下设置半导体制冷装置，根据实验冷却环境要求，调节变阻器控制基板温度。若需要热基板，也可改变电流方向实现基板制热效果。
【附图说明】
[0021 ]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明半导体制冷装置结构示意图；
图3是本发明中空旋转平台结构示意图，因中空旋转平台位于圆形转盘，为清楚表达中空旋转平台，将圆形转盘画成透明；
图4是本发明喷头处局部放大图；
图5是本发明中空旋转平台22旋转α角度的示意图；
图6是本发明金属熔滴喷射路径与X轴正方向夹角β的示意图。
【具体实施方式】
[0022]一种非晶合金材料制备及结构成形一体的3D打印装置，高压液氮罐21通过液氮管7与液氮喷头一 15、液氮喷头二 16相连，为液氮喷头一 16、液氮喷头二 15提供高压液氮，液氮管7上设置有开关一8，控制液氮喷管7的开启闭合，实现按需喷射，“点对点”精确冷却，惰性气体压力储存瓶5通过惰性气体管一 4与坩祸2相连，提供送料动力，熔融金属I放置在坩祸2内，it祸2外设置有环形加热炉3，对坩祸2加热以保持熔融金属I的流动性，it祸2通过送料管6与金属熔滴喷头10连接，送料管6上设置有开关二 23，控制送料管6开闭为金属熔滴喷头10供料，惰性气体压力储存瓶5通过惰性气体管二 13经过气压控制器9与金属熔滴喷头10相连，通过压力调节实现熔融金属I微滴喷射，沉积基板19固定在三轴运动平台12的底座上，能实现XY方向的运动，半导体制冷装置20安装在沉积基板19下方，对沉积基板19进行制冷，圆形转盘14用螺栓固定在中空旋转平台22上方，金属熔滴喷头10和液氮喷管一 15、液氮喷管二 16通过中空旋转平台22和圆形转盘14固定在三轴运动平台12的Z轴上，能实现Z轴方向的运动，中空旋转平台22带动液氮喷管一 15、液氮喷管二 16转动，实现金属熔滴喷头10、液氮喷管一 15、液氮喷管二 16所在直线，同运动平台运动方向一致，金属熔滴喷头10设置有隔热装置11，避免熔融金属I受到冷环境影响，环形加热器18和热电偶17安装在金属熔滴喷头的隔热装置11内侧，外接温度控制器，通过热电偶17检测熔融金属I温度反馈给温度控制器，来控制环形加热器18是否工作。
[0023]所述半导体制冷装置20由上电极2001，散热片2002、变阻器2003、风扇2004、电源2005、半导体2006，下电极2007组成，上电极2001安装在沉积基板19下方，上电极下方依次设置半导体2006、下电极2007、散热片2002和风扇2004，电源2005的正负极与下电极左右两侧相连，形成回路，回路上设置有变阻器2003。
[0024]一种非晶合金材料制备与成形一体化的3D打印方法，包括下列步骤:
(1)坩祸2外环形加热炉3将晶态合金加热至熔融状态，调控半导体制冷装置20，设定沉积基板19的温度为零摄氏度到零