块材合金制备系统及其制备方法

块材合金制备系统及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种块材合金制备系统，其包括喷头、激光设备及成型设备，所述成型设备包括成型台以及设置于成型台下方的若干个可通入冷却物质的导热管道，所述成型设备的降温速率为1×106k/s以上。本发明还提供一种块材合金制备方法，其提供至少一种金属粉末，使之由喷头喷出；激光加热熔融所述喷头喷出的金属粉末；提供成型设备，所述成型设备包括成型台以及设置于成型台下方的若干个可通入冷却物质的导热管道，所述成型设备的降温速率为1×106k/s以上，将熔融的金属粉末在所述成型台上冷却成型为非晶态块材合金。本发明所提供的块材合金制备系统及其制备方法中，通过降温速率的调控，以获得所需制备的非晶态块材合金。
【专利说明】
块材合金制备系统及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属3D打印领域，具体涉及一种块材合金及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]金属3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属作为可粘合原材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其一般步骤为先将高纯度的多种不同金属粉末比例混合，经过熔融和多次重融的方式制备所需金属母锭，再将母锭熔融成液体并送入喷嘴，并由喷嘴喷出至冷却装置，以获得所需的块材合金。
[0003]但是现有的金属3D打印制备块材合金过程中，无法制备具有特定成分的块材合金，尤其是非晶态块材合金的制备。因此，亟待提供一种可实现有效控制制成晶态或非晶态块材合金的金属3D打印技术。
【
【发明内容】
】
[0004]为克服目前无法有效控制晶态块材合金3D打印的缺陷，本发明提供一种块材合金制备系统及其制备方法。
[0005]本发明为解决上述技术问题的一技术方案是提供一种块材合金制备系统，其包括喷头、激光设备及成型设备，所述喷头用于喷出至少一种金属粉末，所述激光设备用于熔融喷头喷出的金属粉末，所述成型设备包括成型台以及设置于成型台下方的若干个可通入冷却物质的导热管道，所述成型设备的降温速率为IX 106k/s以上，所述成型设备用于在成型台上冷却所述熔融后的金属粉末而获得非晶态块材合金。
[0006]优选地，所述成型设备包括一壳体，所述成型台为所述壳体一表面，所述导热管道平行设置在壳体内，并贯穿所述壳体相对两端。
[0007]优选地，所述导热管道的形状为直线型、蛇型或折线型中的一种或几种的组合。
[0008]优选地，所述块材合金制备系统进一步包括粉末定量模块及粉末混合与配送模块，所述粉末定量模块与所述粉末混合与配送模块相连，用于设定所需制备块材合金的至少一种金属粉末的所需用量并输送给所述粉末混合与配送模块，所述粉末混合与配送模块与所述喷头连接，用于为所述喷头配送混合均匀的金属粉末。
[0009]优选地，所述块材合金制备系统进一步包括控制模块与环境控制模块，所述环境控制模块对所述块材合金制备系统的环境温度、湿度、洁净度进行监控并将监控数据传送给所述控制模块，所述控制模块依据监控数据控制所述激光设备与所述成型设备。
[0010]优选地，所述成型设备的降温速率与所述导热管道内通入的冷却物质的流量成正比。
[0011 ]优选地，所述冷却物质为液氮、氩气、二氧化碳或氨气中的任一种。
[0012]本发明为解决上述技术问题的又一技术方案是提供一种块材合金制备方法，其至少包括以下步骤:提供至少一种金属粉末，使之由喷头喷出；激光加热熔融所述喷头喷出的金属粉末；以I X 106k/s以上的降温速率快速冷却所述熔融的金属粉末以成型为非晶态块材合金。
[0013]优选地，在所述块材合金制备方法中，通过控制降温速率大小，实现多级冷却。
[0014]优选地，所述喷头的送粉量为微克至克量级每分钟。所述激光的光谱范围为SOOnm?1300nm，所述激光的功率为50W?20kW，所述激光的光斑直径大小为Ο.?μπι?1mm。
[0015]相对于现有技术，本发明所提供的块材合金制备系统及其制备方法，采用一成型设备，并控制其降温速率为IX 10/s以上，将激光加热熔融的金属粉末在其成型台上冷却成型为所需制备的非晶态块材合金，通过设置可通入冷却物质的导热管道，以提高所述成型设备的降温速率的可控性，通过降温速率的调控，获得所需制备的非晶态块材合金，从而实现晶态可控的块材合金的制备。
【【附图说明】】
[0016]图1是本发明第一实施例提供的块材合金制备系统的结构示意图。
[0017]图2是本发明所提供的块材合金制备系统的另一结构示意图。
[0018]图3A是本发明所提供的块材合金制备系统中静态旋转流化床反应器结构图。
[0019]图3B是图3A中所示静态旋转流化床另一实施例的反应器结构图。
[0020]图4A是本发明所提供的块材合金制备系统中多个粉末混合装置、粉末输送装置及喷头连接关系的示意图。
图4B是本发明所提供的块材合金制备系统中粉末混合装置中金属粉末入口的结构示意图。
[0021]图5A是本发明所提供的块材合金制备系统中成型设备的结构示意图。
[0022]图5B是图5A中所示沿B-B方向的剖面示意图。
[0023]图6A是本发明第一实施例提供的块材合金制备系统的第一【具体实施方式】的示意图。
[0024]图6B是本发明第一实施例提供的块材合金制备系统的第二【具体实施方式】的示意图。
[0025]图6C是本发明第一实施例提供的块材合金制备系统的第三【具体实施方式】的示意图。
[0026]图7是本发明第二实施例块材合金制备方法的流程示意图。
【【具体实施方式】】
[0027]为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]如图1及图2中所示，本发明第一实施例提供了一种块材合金制备系统10，其包括粉末定量模块11、粉末混合与配送模块12、激光熔融成型模块13、环境控制模块14、后处理模块15和控制模块16。其中，所述控制模块16连接控制所述粉末定量模块11、所述粉末混合与配送模块12、所述激光熔融成型模块13、所述环境控制模块14及所述后处理模块15。
[0029]在本发明中，所述粉末定量模块11用于设定所需制备块材合金的至少一种金属粉末用量，具体地可对具有至少一种金属粉末的块材合金的成分进行快速精确定量分析，并根据设定定点配送定量的粉末。在本发明中，所述粉末定量模块11可同步设定多个成分的块材合金参数，便于高通量制备获得所需的块材合金。
[0030]所述粉末定量模块11包括连接的粉末变化设定模块111及建模预设模块112。其中，所述粉末变化设定模块111用于设定粉末量变化方案，所述建模预设模块112用于建模及设定所述激光熔融成型模块的喷涂路径。具体地，所述粉末变化设定模块111与建模预设模块112可根据预先设定的粉末种类、粉末的各项物理属性，定量获得各个粉末的变化量、初始出粉量等参数。所述块材合金制备系统10首先根据材料样品库设计制作3D打印CAD(Compyter Aided Design，计算机辅助设计)模型，生成STL(Stereo Lithography，光固化立体成型)文件，再由CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造，利用数控机床控制刀具运动，完成零件制造)软件将上述生成的STL文件中的模型分层转化为2D薄片，所述块材合金制备系统10可自动生成进行金属3D打印的加工路径。
[0031]所述粉末定量模块11进一步包括粉末定量装置113，所述粉末定量装置113包括但不受限于:刮吸式送粉装置、声波/超声送粉装置、静电阀送粉装置、静电吸管粉末定量装置等中的任意一种。
[0032]在本发明中一些优选的实施例中，所述粉末定量装置113中预定所需质量及种类的金属粉末的定量输送是以超声振动毛细管为核心的高精度粉末递送系统实现。所述粉末定量装置113可根据所述粉末定量模块11设定并给出相应的出粉量，实现送粉量为微克至克量级每分钟的定量送粉，
[0033]具体地，在所述粉末定量装置113中，金属粉末以超声振动的方式对高精度粉末进行递送，其中，超声振动的输送剂量为2?160yg/次，其具体输送剂量的选择可根据超声振动的幅度相关。所述粉末定量装置113中，所述超声振动频率为3.125Hz?3200Hz，其超声振动频率的选择与单次输送计量的重量、金属粉末粒径大小及输送速度相关。所述超声振动频率还可进一步为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]所述粉末混合与配送模块12用于金属粉末的混合、分散与输送。具体地，所述粉末混合与配送模块12与所述激光熔融成型模块13连接，用于为所述激光熔融成型模块13提供设定用量的至少一种金属粉末。如图2中所示，所述粉末混合与配送模块12包括粉末混合装置121及粉末输送装置122。在本发明一些较优的实施例中，所述粉末输送装置122可由管路进行替代，所述粉末混合装置121可与所述激光熔融成型模块13直接连接或所述粉末混合装置121与所述激光熔融成型模块13之间设置多个管路连接。
[0035]所述激光熔融成型模块13包括至少一激光设备131、至少一喷头132、一支撑架133及一成型设备134，所述喷头132与所述支撑架133之间通过一滑动块(图未示)连接，所述支撑架133设置在所述成型设备134—侧。所述控制模块16对所述激光设备131进行控制。所述滑动块由所述控制模块16控制，所述滑动块带动所述喷头132相对于所述成型设备134的X轴、Y轴及Z轴方向移动，从而实现金属粉末3D打印操作。
[0036]由所述粉末混合与配送模块12送入所述激光熔融成型模块13的金属粉末进入所述喷头132中，所述喷头132可根据计算机设定的路径进行运动，并在指定的位置喷出所需的种类及定量的金属粉末，金属粉末喷出的同时，所述激光设备131通过激光将指定位置的所述金属粉末进行激光烧结。所述喷头132逐层喷出金属粉末，所述激光设备131配合移动并进行激光烧结，从而逐层打印出所需的形态。所述喷头132与所述粉末混合与配送模块12之间通过管路(未标号)连接，所述激光设备131与至少一喷头132匹配设置。
[0037]优选地，所述喷头132可设有至少一个接入口(图未示)，其接入口的数量可为I个、2个、3个、4个及5个等。
[0038]其中，所述激光熔融成型模块13中，所述激光设备131所发出的激光光谱范围为800nm-1300nm，所述激光设备131的功率为50W_20kW，所述激光设备131所产生的激光的光斑直径大小为Ο.?μπι-lmm。更进一步地，所述激光设备131的功率为60W-14kW。在本发明中，通过对所述激光熔融成型模块13中所述激光设备131所产生激光的光谱、功率及光斑直径进行限定，可以更为精准地控制所述激光熔融成型模块13的打印操作。
[0039]其中，针对所述激光的光斑直径的限定，可保证当制备多个块材合金时，制备各个块材合金的过程中，不会由于光斑过大，而对相邻排布的块材合金造成影响。
[0040]具体打印的方式如下:分立块材合金样品库中单个样品可以实现独立的成分和工艺参数控制；或可通过打印时分层进行样品成分组合及热力学工艺组合，以此实现多元合金相图块材合金的制备。在本发明一些实施例中，所述成型设备134为可通入液氮、氩气的超导热底座，如所述成型设备134可使用银、铜或其他超导热材料。
[0041]所述环境控制模块14与所述激光熔融成型模块13连接，所述环境控制模块14进一步包括一可控环境温度的箱体(图未示)，所述可控环境温度的箱体内设有环境温度、湿度、洁净度等的监控系统。所述环境控制模块14可实现对所述激光熔融成型模块13的运作气压、环境温度、反应气氛等环境因素的调控，以获得最优的反应环境。具体地，所述环境控制模块14对所述块材合金制备系统10的环境温度、湿度、洁净度进行监控并将监控数据传送给所述控制模块16，所述控制模块16依据监控数据控制所述激光熔融成型模块13中的所述激光设备131与所述成型设备134。
[0042]在本发明一些实施例中，所述控制模块16控制所述环境控制模块14，以实现对所述环境控制模块14的精准控制。所述环境控制模块14还可用于对由所述喷头132喷出的未进行反应的粉末进行存储，以便于在下一次打印中，未进行反应的粉末可循环使用。
[0043]所述后处理模块15用于对经过所述激光熔融成型模块13处理后的金属3D打印产品进行后处理，如抛光、喷砂、上色等操作，从而获得具有更优表面性能的金属3D打印产品。
[0044]在本发明一些特别的实施例中，如需要制备获得具有特殊层结构及晶态特性的产品，可采用本发明所提供的块材合金制备系统10进行制备。如所述块材合金制备系统10中可包括多个可拆卸的粉末混合装置121与粉末输送装置122的组合，其中，第一组合中所述粉末混合装置121内装有金属粉末铝，第二组合中所述粉末混合装置121内装有金属粉末铜与金属粉末镍的混合物，第三组合中所述粉末混合装置121内装有金属粉末铜、金属粉末钛及金属粉末镍的混合物。可拆卸的粉末混合装置121以相同的静态旋转流化参数逐步将金属粉末混合并送至对应设置的喷头132中，所述喷头132由所述控制模块14控制并移动至指定位置，按照程序设定的顺序，所述激光设备131在所述喷头132喷出金属粉末的同时，产生具有一定光斑及功率大小的激光，从而使金属粉末受到激光加热熔融，与此同时，所述成型设备134迅速降温，并达到一定的降温速率，使通过激光加热熔融的金属粉末快速成型，并形成晶态或非晶态的块材合金，即可获得晶态可控的块材合金。
[0045]可见，采用本发明所提供的块材合金制备系统10，可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，而且可以精确控制粉末的供给，在一次加工中实现不同金属的组合及变化，还可实现不同金属粉末的精确配比，实现局部特定金属供给，从而可实现高通量制备块材合金，提高实验的通量与块材合金材料的研发效率。
[0046]所述粉末混合装置121可包括若干个流化床或离心机。如图3A中所示，在本发明中所述流化床优选为静态旋转流化床1210。所述静态旋转流化床1210包括一圆柱形筒体，且所述圆柱形筒体底部为一圆锥体。沿所述圆柱形筒体的径向等间距分布的至少一个金属粉末入口 1202及若干个气体入口 1201，优选地，所述金属粉末入口 1202与所述气体入口1201等距交替间隔分布。当所述静态旋转流化床1210为采用单种金属粉末注入时，则如图3A中所示，所述金属粉末入口 1202的数量为一个;而当所述静态旋转流化床1210为用于多种金属粉末混合时，则如图3B中所示，所述静态旋转流化床1210进一步包括三个金属粉末入口 1202。
[0047]在所述静态旋转流化床1210内气体带动金属粉末同时做径向和切向运动，具体地，气体的切向运动对金属粉末产生切向作用力并驱动金属粉末做切向旋转运动从而使金属粉末受到向外离心力作用，并在所述静态旋转流化床1210的外周形成做旋转运动的金属粉末床层(如图3A中A处所示)；通过气体径向运动对金属粉末产生指向所述静态旋转流化床1210中心的径向作用力，而当作用力超过离心力时，金属粉末便会得到径向流化。所述静态旋转流化床1210的直径为0.2m-0.5m。采用静态旋转流化床1210，可实现两种及以上金属粉末的精准混合。
[0048]在本发明一些优选的实施例中，所述静态旋转流化床1210中，多个所述金属粉末入口 1202可为同高度设置，同高度设置的所述金属粉末入口 1202可实现多种金属粉末的水平注入，进一步通过控制流量及粉末输送速度等，可实现多种粉末的有效混合。在本发明另外的一些实施例中，所述静态旋转流化床1210中，多个所述金属粉末入口 1202之间还可为不同高度设置，所述金属粉末入口 1202高度的选择可根据注入的金属粉末的质量决定，如金属粉末的质量越大，则其注入粉末的金属粉末入口的高度越高，从而避免具有不同质量的粉末由于重量差异而无法充分混合及分散均匀。
[0049]在本发明中，为了实现多种金属粉末的精准激光烧结，则可根据需求选用多个具有数量及分布位置不同的金属粉末入口 1202的多种静态旋转流化床1210，以获得最优的金属粉末混合及分散效果。
[0050]在本发明中，为了获得最优的金属粉末混合分散效果，则所述静态旋转流化床1210的载气流流量为l.0L/min?15L/min，金属粉末的粒度较优地为20μπι?200μπι，所述金属粉末入口 1202中金属粉末的输送量为0.lg/min?30g/min。更进一步地，所述静态旋转流化床1210的载气流流量为1.3L/min?10L/min，金属粉末的粒度较优地为50μπι?200μπι，所述金属粉末入口 1202中金属粉末的输送量为0.5g/min?25g/min。
[0051]其中，所述静态旋转流化床1210内的载气成分不受限定，较优地为惰性气体，如氮气、氩气等，在一些较优的实施例中，所述静态旋转流化床1210内还可支持多元气载体保护。
[0052]在所述粉末混合与配送模块12中，金属粉末由载气并经过管路流入所述粉末混合装置121中，经由湍流快速混合后由气路输送至所述激光熔融成型模块13。
[0053]所述粉末混合与配送模块12中，将所述粉末混合装置121与所述粉末配送装置122结合使用，可有效提高金属粉末混合效果，可有效将粒径较小的金属粉末打散后，使其在一定的速度和振动频率下传送，在这一过程中金属粉末不会再次发生团聚。
[0054]在本发明一些实施例中，所述粉末混合装置121可直接与所述喷头132连接，所述喷头132用以喷出由所述粉末混合装置121混合后的金属粉末。
[0055]如图4A中所示，在本发明另外一些【具体实施方式】中，所述粉末混合与配送模块12a可包括若干个粉末混合装置121a及若干个粉末输送装置122a，所述粉末混合装置121与所述粉末输送装置122a连接。如图4A中所示，在本发明一些较优的实施例中，所述粉末混合装置121与所述粉末输送装置122a为一一对应设置，多个所述粉末输送装置122a进一步与一喷头132a连接，可实现由所述喷头132a同时喷出一种或多种金属粉末。在本发明另外的实施例中，多个所述粉末输送装置122a还可与一个喷头132a连接，所述喷头132a可包括所述喷头132a与多个所述粉末输送装置122a之间还可设置一金属粉末选择装置(图未示)，其中，所述金属粉末选择装置可用于控制由一个或多个所述粉末输送装置122a往所述喷头132a内输送金属粉末。
[0056]在本发明另外一些【具体实施方式】中，所述粉末混合与配送模块12b仅包括一个粉末混合装置121b，优选地，如图4B中所示，所述粉末混合装置121b包括四个同高度设置的金属粉末入口 1202b，所述金属粉末入口 1202b内依次通入金属粉末铝、金属粉末镍、金属粉末铜、金属粉末钛，上述金属粉末的粒径大小满足20?200μπι的要求。所述粉末混合装置121b与一粉末输送装置(图未示)、一喷头(图未示)连接，可实现实时混合后输出粉末，具体地，当需要铜铝合金粉末时，在其中两个所述金属粉末入口 1202b内通入适量比例的金属粉末铜与金属粉末铝，进入所述粉末混合装置121b内进行混合分散后，将混合后的金属粉末经由所述粉末输送装置、一喷头输出至所述成型设备134上。当完成上述铜铝块材合金的制备后，调整所述喷头的位置，重复上述的输入金属粉末、金属粉末混合、输送等步骤，可进行下一种块材合金的制备。由于所述粉末混合装置122b特殊的结构设置，因此进入所述粉末混合装置122b中进行混合的金属粉末不易出现残留，从而保证块材合金制备的精准度。
[0057]本发明上述所列举的实施例可适用于不同成分的块材合金的制备过程中，上述实施方式仅作为解释说明，并不作为本发明的限定。
[0058]如图5A-图5B中所示，在本发明一个较优的实施例中，所述成型设备134包括一壳体1342、成型台1340与若干个导热导管1341。所述壳体1342为一中空腔体，所述成型台1340为所述壳体1342—表面。所述导热导管1341位于所述成型台1340下，并平行设置在壳体1342内，并贯穿所述壳体1342相对两端。在所述导热管道1341与所述壳体1342内壁之间空隙的填充材料1343。所述金属粉末在壳体1342的其中一面上成型并形成所需块材合金。
[0059]其中，所述壳体1342的材质可为表面镀有镍或其他金属的铜，其中，镀在铜表面的镍及其他金属层可起到隔离的作用，防止所述壳体1342在激光加热熔融过程中受损。
[0060]所述导热管道1341内可通入冷却物质，所述冷却物质可为液氮、氩气、二氧化碳或氨气等中的任一种。为了获得更优的导热效果，所述导热管道1341采用高强度材质制成，如尚强度钢等。
[0061]所述导热管道1341的形状可为直线型、蛇型或折线型中的一种或几种的组合。如图5B中所示，所述导热管道1341a为蛇型、所述导热管道1341b为直线型、所述导热管道1341c为折线型及所述导热管道1341d为直线型。所述导热管道1341的特殊形状设计，可增大冷却物质与所述壳体1342接触的面积，从而有利于液氮、氩气、二氧化碳或氨气等冷却物质通入所述导热管道1341后，获得更优的降温效果，并进一步使降温幅度及其频率更为稳定。
[0062]特别地，在本发明中，为了获得晶态可调节的块材合金，需要对所述成型设备134进一步的限定。
[0063]在本发明所提供的块材合金制备系统10中，所述成型设备134的降温速率与所述导热管道1341内通入的冷却物质的流量(如冷却物质单位时间的通入量及通入速率)成正比。通过控制冷却物质的流量控制降温速率大小，实现所述成型设备的多级冷却。
[0064]在本发明一些实施例中，所述壳体1342内包括至少三个并排等间距设置的所述导热管道1341，其冷却物质的流量与降温速率的关系如下:
[0065]如采用液氮为冷却物质时，所述液氮通入所述导热管道1341的总流量优选为20-500L/min，具体地，当液氮通入单个导热管道的流量具体为20L/min时，其对应的所述成型设备的降温速率为lX10/s;当液氮通入单个导热管道的流量具体为60L/min时，其对应的所述成型设备的降温速率为5 X 106k/s。
[0066]如采用氩气为冷却物质时，所述氩气通入所述单个导热管道1341的总流量优选为20-500L/min，具体地，当氩气通入单个导热管道的流量为30L/min时，其对应的所述成型设备的降温速率为1.6X10/s;当氩气通入单个导热管道的流量为50L/min时，其对应的所述成型设备的降温速率为4.6 X 106k/s;当氩气通入单个导热管道的流量为100L/min时，其对应的所述成型设备的降温速率为lX107k/s。
[0067]具体地，通过调整所述成型设备134的所述导热管道1341内通入的冷却物质的类型、用量、通入速率等条件或参数，可对所述激光熔融成型模块13内所述成型设备134所提供的降温速率进行调控，从而可制备获得所需的块材合金，如当需要制备具有非晶态块材合金时，需要使通过激光加热熔融制备获得的块材合金急速降温，其降温速率为I X 106k/s以上。在本发明中，采用所述成型设备134，并控制所述成型设备134的降温速率为IX 10/S以上，将激光加热熔融的金属粉末在其成型台上冷却成型为所需制备的非晶态块材合金，通过设置可通入冷却物质的导热管道，以提高所述成型设备的降温速率的可控性，从而通过降温速率的调控，获得所需制备的非晶态块材合金，实现晶态可控的块材合金的制备。在本发明一些较优的实施例中，为了获得更优的高通量制备块材合金的方法，所述块材合金制备系统10可进一步包括多个所述成型设备134，每个所述成型设备134的降温速率可为相同或不相同。如在一具体实施例中，所述块材合金制备系统10中包括4个所述成型设备134，所述成型设备134的降温速率依次为2\1061^、1\10/8、5\10/8及1\1081^等。在实际应用中，所述块材合金制备系统10所包括的成型设备134的数量及降温速率可根据所需进行高通量块材合金制备的要求相应的增加或减少。
[0068]更进一步地，一个所述成型设备134包括一壳体1342，多个成型设备134则包括多个位于所述壳体1342—表面的成型台1340，不同的所述成型台之间的降温速率不同。所述成型台1340上可设置用于承载块材合金的基板，多个所述基板分别设置在一所述成型台上;或当所述基板为一个时，则所述基板设置在多个所述成型台之上;或当所述基板为一个时，则所述基板与所述成型台一一对应设置。
[0069]通过上述的设置，可在同一基板或不同基板上形成不同降温速率，以在一所述块材合金制备系统10中制备获得具有不同晶态的块材合金，为高通量制备块材合金提供更多可选择的变化因素，从而提高本发明块材合金制备系统的适用性。
[0070]在本发明中一些优选的实施例中，所选用的激光设备可包括但不受限于:ND/YAG(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet,惨钦的乾招石植石，激光光谱为1060nm)激光器、0)2激光器(激光光谱为106011111)、0&)1^8激光器(激光光谱为85011111)或0&)8激光器(激光光谱为904nm)中的任一种。一般而言，对于现有常用的小型块材合金制备系统中，可采用激光功率为50W、100W、400W或1000W的激光设备。
[0071]请参阅6A-图6C，本发明提供三种采用本发明第一实施例所提供的系统进行块材合金制备的【具体实施方式】，图示的【具体实施方式】采用本发明第一实施例所提供的块材合金制备系统进行制备，如图6A-图6C中所示的【具体实施方式】中，所选用的激光器为CO2激光器。
[0072]在第一【具体实施方式】中，如图6A中所示，提供一具有若干横纵分布的凹槽的基板601，所述基板601放置在所述成型设备134的成型台1340之上。喷头132向所述基板601的纵向排布的凹槽内喷涂混合不同比例金属粉末的材料，并进行相同的激光功率的熔融急冷；喷头132向所述基板601的横向排布的凹槽内喷涂混合相同比例金属粉末的材料，并进行不相同的激光功率的熔融急冷。
[0073]如图6A中与RI方向平行的每行的凹槽内内激光加热熔融制备块材合金所需的瞬时激光功率依次为4kW、5.2kW、8.4kW、10.8kW&12.8kW。在本【具体实施方式】中，所述激光光斑直径大小均为0.5μπι，其熔融急冷的速度均为2 X 106k/s。
[0074]在第二【具体实施方式】中，如图6B中所示，提供一基板602，本【具体实施方式】与上述第一【具体实施方式】的区别在于:喷头132在所述基板602上喷涂形成阵列分布的条状体，所述条状体由所述喷头132逐层喷涂形成。其中，每个设置在基板602之上的条状体内逐层之间的金属粉末的种类及比例可为相同或不同，而熔融急冷形成每个条状体的激光功率也可为相同或不同，如当在同一条状体内成分相同而变激光功率打印时，则不同条状体间的成分不同；而当同一条状体内成分不同而同激光功率打印时，则不同条状体间变激光功率打印。
[0075]在第三【具体实施方式】中，如图6C中所示，提供一基板603，本【具体实施方式】与上述第一、第二【具体实施方式】的区别在于:喷头132所述基板603之上逐层熔融冷却形成所需形状的块材合金，所形成的块材合金内逐层可变激光功率变材料成分打印，从而可获得具有特定成分及特性性能的块材合金。
[0076]通过上述的第一至第三具体实施例，可知，所述基板(如基板601、基板602与基板603)之上可设置至少一个块材合金;不同的所述块材合金由所述激光设备以不同激光功率熔融成分比例相同的金属粉末制备而成或多个所述块材合金由所述激光设备以相同激光功率熔融成分比例不同的金属粉末制备而成。
[0077]在本发明一些较优的实施例中，所述激光设备的瞬时功率还可进一步达到kW-MW级别。所述激光设备的瞬时功率越大，则激光熔融相同金属的时间则越短，相对的激光熔融对与正在制备的块材合金相邻的已生成的材料或块材合金所造成的热损伤则越小，从而使制备的合金块材具有更加优异的结构特性和力学特性。
[0078]设置在所述基板之上的同一块材合金由多个层结构组成，多个所述层结构由所述激光设备以不同激光功率熔融成分比例相同的金属粉末制备而成或多个所述层结构由所述激光设备以相同激光功率熔融成分比例不同的金属粉末制备而成。
[0079]更进一步地，本发明的第二实施例提供一种块材合金制备方法，其包括如下的步骤:
[0080]步骤SlOl，设定粉末量变化方式；
[0081 ]步骤S102，建模及设定喷涂路径；
[0082]步骤S103，粉末定量及混合；
[0083]步骤S104，粉末输出、激光熔融、冷却及成型；
[0084]步骤S105，块材合金后处理。
[0085]其中，上述的步骤S101、步骤S102对应本发明第一实施例中的粉末定量模块11中的粉末变化设定模块111及建模预设模块112，上述的步骤S103对应本发明第一实施例中的粉末定量模块11中粉末定量装置113与粉末混合与输送模块12，上述的步骤S104对应所述激光熔融成型模块14，所述步骤S105对应后处理模块15。
[0086]在本发明第二实施例的第一个变形实施方式中，所述块材合金制备方法可包括如下的步骤:
[0087]提供至少一种金属粉末；以超声振动粉末定量方式获得预定所需质量及种类的金属粉末，对所述预定质量及种类的金属粉末进行熔融冷却，获得所需的块材合金。
[0088]在本发明第二实施例的第二个变形实施方式中，所述块材合金制备方法可包括如下的步骤:
[0089]提供至少一金属粉末;采用静态旋转流化方式对至少一种金属粉末进行混合分散;以激光加热熔融所述混合后的金属粉末，冷却所述熔融的金属粉末获得所需块材合金。
[0090]在本发明第二实施例的第三个变形实施方式中，所述块材合金制备方法可包括如下的步骤:
[0091]提供至少一种金属粉末，使之由所述喷头喷出；激光加热熔融所述喷头喷出的金属粉末；以IX 10/s以上的降温速率快速冷却所述熔融的金属粉末以成型为非晶态块材
I=IO
[0092]进一步地，提供成型设备，所述成型设备包括成型台以及设置于成型台下方的若干个可通入冷却物质的导热管道，所述成型设备的降温速率为IX 10/s以上，将熔融的金属粉末在所述成型台上冷却成型为非晶态块材合金。
[0093]所述块材合金制备方法中对金属粉末进行激光加热熔融中包括采用液氮或氩气等对通过激光加热熔融制备获得的块材合金进行降温，以获得非晶态块材合金。
[0094]在上述块材合金制备方法中，可通过控制降温速率大小，实现多级冷却。具体为通过控制所述成型设备中的导热管道中冷却物质通入的速率与通入量，从而对所述成型设备的降温速率进行控制。
[0095]进一步地，所述块材合金制备方法中，所述金属粉末粒度为20?200μηι。所述金属粉末的种类可为金属粉末铝、金属粉末铜、金属粉末钛、金属粉末镍、工具钢、马氏体钢、不锈钢、钛合金、招合金、镍基合金、铜基合金、钴珞合金等。
[0096]所述超声振动粉末定量方式中，每次的金属粉末输送剂量为2yg?160yg，所述超声振动频率为3.125Hz?3200Hz。
[0097]进一步地，所述静态旋转流化方式中，金属粉末的输送量为0.lg/min?30g/min，旋转流化的载气流流量为l.0L/min?15L/min。
[0098]上述针对所述静态旋转流化方式、所述超声振动方式中具体参数限定的优选范围与本发明第一实施例中所涉及的内容一致，在此不再赘述。
[0099]所述激光加热熔融制备过程中，所需的激光的光谱范围为800nm?1300nm，所述激光的功率为50W?20kW，所述激光的光斑直径大小为0.Ιμπι?1mm。
[0100]在本发明的一些实施例中，至少一种金属粉末进行混合后由气路实时混合及输送至一喷头，所述喷头根据所需路径采用混合后的金属粉末进行打印。
[0101]在本发明的一些实施例中，所述块材合金制备方法中，所述喷头的送粉量为微克至克量级每分钟。
[0102]本发明第三实施例提供一种块材合金制备系统的应用，如本发明第一实施例中所述的块材合金制备系统用于在一基板之上制备多个块材合金;多个所述块材合金由不同激光功率的激光加热熔融成分比例相同的金属粉末制备而成或多个所述块材合金由相同激光功率的激光加热熔融成分比例不同的金属粉末制备而成。
[0103]更进一步地，在上述的同一所述块材合金由多个层结构组成，多个所述层结构由不同激光功率的激光加热熔融成分比例相同的金属粉末制备而成或多个所述层结构由相同激光功率的激光加热恪融成分比例不同的金属粉末而制备而成。在本发明的一些实施例中，可通过采用计算机辅助块材合金分子设计的基础上，设计出所述块材合金样品库，其是利用文献结果和积累的经验设计获得的块材合金样品库。具体需要把所需求的块材合金配比设在一个很宽的范围内，然后利用组合技术层层逼近目的块材合金配比，并最终从成千上万样品中筛选获得最优的块材合金组分。其最大特点是可以一次合成成百上千个目标块材合金组分，通过采用本发明所提供的块材合金制备系统及其制备方法可实现快速获取最优配比，而这些块材合金组分的制备获得如仅依靠于传统方法来是无法快速完成的。
[0104]在本发明的一些较优的实施例中，所述块材合金制备方法进一步包括对块材合金样品库中的单个样品块材合金的成分及其制备工艺参数进行控制。如当制备三元、四元块材合金制备时，采用本发明所提供的块材合金制备方法，可实现多元块材合金的制备，还可在块材合金的不同部位进行不同块材合金的组合，进一步可实现所述块材合金层间热力学工艺组合，从而可制备获得具有特定部分及特定合金种类的块材合金。
[0105]为了获得性能更优异的块材合金，需要对金属3D打印环境的环境温度、湿度、洁净度进行监控。
[0106]与现有技术相比，本发明中所提供的块材合金制备系统及其制备方法，具有以下优点:
[0107](I)本发明所提供的块材合金制备系统包括喷头、激光设备及成型设备，所述成型设备用于冷却由所述喷头喷出并由激光设备激光加热熔融的至少一金属粉末;所述成型设备包括若干个可通入冷却物质的导热管道，所述成型设备的降温速率为IX 10/s以上。采用本发明所提供的块材合金制备系统，可实现非晶态块材合金的制备，从而实现快速精准合成变成分的块材合金，从而提高目前块材合金材料的研发效率。
[0108](2)本发明所提供的块材合金制备系统包括一壳体，所述成型台为所述壳体一表面，所述导热管道平行设置在壳体内，所述壳体具有较优的导热性能，且为所述金属粉末提供具有降温快速且均衡的载物平面，从而可对所制备获得的块材合金的结构及成分实现更精准的调控。
[0109](3)本发明所提供的块材合金制备系统中，所述导热管道的形状为直线型、蛇型或折线型中的一种或几种的组合。这样的设计，可有效增大通入所述导热管道中的冷却物质与所述壳体及在所述壳体上成型的块材合金的接触面积，从而提高冷却降温的效率，提高块材合金制备的精准度。
[0110](4)本发明所提供的块材合金制备系统中，所述块材合金制备系统进一步包括连接设置的金属粉末定量模块及粉末混合与配送模块，所述金属粉末定量模块用于设定所需制备块材合金的至少一种金属粉末用量，所述粉末混合与配送模块与所述喷头连接，用于为喷头提供设定用量的至少一种金属粉末。采用所述金属粉末定量模块及所述粉末混合与配送模块，可获得混合分散效果更好的多种金属粉末的混合物，从而可更为精确地控制形成块材合金的成分及各种金属粉末之间的比例，避免金属粉末原料的浪费。
[0111](5)本发明所提供的块材合金制备系统中，所述块材合金制备系统进一步包括控制模块与环境控制模块，所述控制模块分别连接所述喷头、所述激光设备及所述成型设备，所述控制模块控制所述激光设备的打印激光脉冲宽度、幅值和频率。通过设置所述控制模块，可有效控制不同成分的块材合金的工艺参数，以获得具有不同性质与成分的块材合金。进一步地，所述环境控制模块可对所述块材合金制备系统内的多项环境因素进行监控，并将监控信息反馈给控制模块，从而可进一步提高控制模块控制的精准度，以获得更优的块材合金制备效果。
[0112](6)本发明所提供的块材合金制备系统中，进一步限定所述成型设备的降温速率与所述导热管道内通入的冷却物质的流量成正比，可进一步对所述成型设备的降温速率进行控制，提高对所述块材合金制备的工艺参数可控性，以获得具有特定晶态的块材合金成品O
[0113](7)本发明所提供的块材合金制备系统中所述冷却物质为液氮、氩气、二氧化碳或氨气，基于液氮、氩气、二氧化碳或氨气的特性作为所述块材合金制备系统中的冷却物质，可快速获得所需的冷却降温速率，且温度稳定，可有效提高所制备获得性能更优异、结构更稳定的彳_晶态块材合金。
[0114](8)本发明所提供的块材合金制备方法中，限定成型设备可包括设置在成型台下方的若干个可通入冷却物质的导热管道并进一步限定所述成型设备的降温速率为I X106k/s以上从而可制备获得所需的非晶态块材合金，且非晶态块材合金的制备过程中块材合金晶态的可控度较高。
[0115](9)在所述块材合金制备方法汇总，可通过控制降温速率大小，从而实现多级冷却，根据不同的降温速率，可制备晶态可控的块材合金。
[0116](10)采用本发明所提供的块材合金制备方法的激光加热熔融制备过程中，所需的激光光谱范围为800nm?1300nm，所述激光的功率为50W?20kW，通过对激光加热熔融工艺参数的限定，可在一更为精准的激光功率、光谱的范围内精准地制备获得所需的块材合金。此外，所述激光光斑直径大小限定为0.Ιμπι?1mm，可保证当制备多个块材合金时，制备各个块材合金的过程中，不会由于光斑过大，而对相邻排布的块材合金造成影响。
[0117](11)本发明所提供的块材合金制备方法中，所述喷头的送粉量为微克至克量级每分钟，因此可制备多种不同尺寸大小及形状的块材合金成品。
[0118]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种块材合金制备系统，其特征在于:其包括喷头、激光设备及成型设备，所述喷头用于喷出至少一种金属粉末，所述激光设备用于熔融喷头喷出的金属粉末，所述成型设备包括成型台以及设置于成型台下方的若干个可通入冷却物质的导热管道，所述成型设备的降温速率为IX 10/s以上，所述成型设备用于在成型台上冷却所述熔融后的金属粉末而获得非晶态块材合金。2.如权利要求1所述块材合金制备系统，其特征在于:所述成型设备包括一壳体，所述成型台为所述壳体一表面，所述导热管道平行设置在壳体内，并贯穿所述壳体相对两端。3.如权利要求2所述块材合金制备系统，其特征在于:所述导热管道的形状为直线型、蛇型或折线型中的一种或几种的组合。4.如权利要求1所述块材合金制备系统，其特征在于:所述块材合金制备系统进一步包括粉末定量模块及粉末混合与配送模块，所述粉末定量模块与所述粉末混合与配送模块相连，所述粉末定量模块用于设定所需制备块材合金的至少一种金属粉末的所需用量并输送给所述粉末混合与配送模块，所述粉末混合与配送模块与所述喷头连接，用于为所述喷头配送混合均勾的金属粉末。5.如权利要求1所述块材合金制备系统，其特征在于:所述块材合金制备系统进一步包括控制模块与环境控制模块，所述环境控制模块对所述块材合金制备系统的环境温度、湿度、洁净度进行监控并将监控数据传送给所述控制模块，所述控制模块依据监控数据控制所述激光设备与所述成型设备。6.如权利要求1-5中任一项所述块材合金制备系统，其特征在于:所述成型设备的降温速率与所述导热管道内通入的冷却物质的流量成正比。7.如权利要求6中所述块材合金制备系统，其特征在于:所述冷却物质为液氮、氩气、二氧化碳或氨气中的任一种。8.—种块材合金制备方法，其特征在于:其至少包括以下步骤:提供至少一种金属粉末，使之由喷头喷出；激光加热熔融所述喷头喷出的金属粉末；以I X 10/s以上的降温速率快速冷却所述熔融的金属粉末以成型为非晶态块材合金。9.如权利要求8所述块材合金制备方法，其特征在于:在所述块材合金制备方法中，通过控制降温速率大小，实现多级冷却。10.如权利要求8或9所述块材合金制备方法，其特征在于:所述喷头的送粉量为微克至克量级每分钟，所述激光的光谱范围为800nm?1300nm，所述激光的功率为50W?20kW，所述激光的光斑直径大小为0.Ιμπι?Imm0
【文档编号】B22F3/105GK106077640SQ201610414603
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610414603.5, CN 106077640 A, CN 106077640A, CN 201610414603, CN-A-106077640, CN106077640 A, CN106077640A, CN201610414603, CN201610414603.5
【发明人】向勇, 苏阳, 王维
【申请人】电子科技大学