专利名称：陶瓷模片约束下的等离子沉积成形新方法
技术领域：
该发明属于高熔点、难加工、复杂形状高温零件的成形方法，主要是基于激光束实现了材料-成形-组织-性能一体化的制造，通过在线成形陶瓷模片的二维约束与支撑作用，解决了等离子沉积成形过程中的金属液流淌和带悬空结构复杂零件尤其是厚大复杂零件难以直接成形的瓶颈问题。该技术的实施可以深化快速制造的应用，广泛应用于航空航天、能源动力、国防军工等领域的高熔点、难加工、复杂形状高温零件的成形。也可直接用于金属模具和梯度功能零件的直接成形。
背景技术：
目前已有的高熔点、难加工、复杂形状高温零件的成形方法主要是基于激光束、电子束、等离子束的高能束成形，该技术可由零件CAD模型经分层切片处理后驱动快速成形设备实现难加工金属零件的直接制造。因此，这是一种零件结构与材料设计、成形、加工一·体化的短流程、数字化制造技术，代表着先进制造技术的发展方向[1]。目前，采用高能束流的直接制造方法主要有选区激光烧结法(Selective Laser Sintering, SLS)、激光熔化成形法(Selective Laser Melting, SLM)、激光近终成形法(Laser Engineered Shape,LENS)、电子束熔化法(Electron Beam Melting, EBM)和等离子束沉积成形法(PlasmaDeposition Manufacturing, PDM)。SLS法可采用较小功率的激光成形复杂形状金属零件，但要获得高致密度需要进行浸渗、热等静压等复杂后处理，且零件强度和精度多数情况下达不到要求;改良的SLM技术由德国Fraunhofer研究所在SLS基础上于1995年首次提出，并于2002年研究成功，相比SLS法，SLM可直接成形致密性接近100%的金属零件近年来，由于SLM技术的众多优点，吸引着越来越多的机构进行研究，如德国的EOS公司、Concept Laserts公司、MCP公司、比利时鲁汶大学、英国CRDM公司、日本0SAKADA实验室、新加坡国立大学、国内的华中科技大学、华南理工大学等围绕材料、工艺及原理开展了研究并开发出相应设备。然而，SLM技术也存在不足之处扫描成形过程中熔池飞溅、球化和粘粉等因素导致成形件表面粗糙度较高，成形效率低，设备投资、运行和维护成本高[2];另外，由于SLM设备的导光系统使用振镜，其转动范围限制了激光的扫描范围，决定了 SLM技术只适合加工尺寸较小的薄壁零件[9]。LENS技术通过高功率激光熔化同步输送的金属粉末或丝材，在沉积基板的配合运动下，逐点逐层堆积材料，不断生长制造出零件。该技术最早由美国Sandia及Los Alomos国家实验室提出并展开研究_，并于1998年由Optomec公司推出商业化的LENS系统，随后美国的 Stanford University> University of Michigan、英国的 University ofBirmingham^University of Manchester^University of Liverpool及力口拿大的NationalResearch Council 等发展了分别称作为 SDM(Shape Deposition Manufacturing)、DMD (Direct Metal Deposition)、DLF (Direct Laser Fabrication)、DLD (Direct LaserDeposition)、LDC(Laser Direct Casting)、LC(Laser Consolidation)等原理和方法与LENS 一致的技术[n]_M。国内在LENS技术方面的研究起步较晚，从20世纪90年代末开始，西北工业大学凝固技术国家重点实验室、中国有色金属研究总院、清华大学、北京航空航天大学和上海交通大学等单位集中开展了镍基高温合金及钛合金的成形研究。目前，LENS技术较多地用于高价值金属航空航天零件的制造、修复和改型。近年来，国内研究机构也取得了许多阶段性成果，如西北工业大学、中国有色金属研究院采用不同的合金制成了具有一定形状的激光熔覆成形件，清华大学开发出了应用于激光熔覆成形的同轴送粉系统，并研究了加工过程的闭环控制，北京航空航天大学的王华明教授开发了 “自由平面接触/动态密封/惰性气氛保护”钛合金结构件[15]。西北工业大学黄卫东教授采用激光快速成形沉积出了 Ti6A14V合金零件[16]。经过十几年来各国研究者的不懈努力，LENS技术获得了长足进步。然而，要使该技术在工业上获得广泛应用，还需解决几个关键问题一是成形效率低，LENS堆积速度约为O. 1-4. IcmVmim ;二是裂纹的控制[17];三是内部质量的控制，该技术因激光光斑直径小且冷却凝固速度很快，使冶金过程难以充分进行，导致成形零件内可能存在未熔粒子和气孔[18M23]。EBM方法与LENS原理类似。自2001年瑞典Arcam公司提出EBM技术以来，由于该技术的独特优势，美国北卡罗来纳州大学、英国华威大学、德国纽伦堡大学、波音公司及瑞典VOLVO公司积极开展了相关研究工作[24]_[3°]。目前，在电子束快速制造设备方面，Arcam公司已开发出集成化的EBM S-12和EBM S-12T ;在工艺方面，美国Calcam公司[31]采用EBM技术已制备出了全致密、力学性能优于锻造件的Ti6A14V叶轮部件。清华大学在国内率先开展了电子束快速制造的研究工作，并开发出电子束快速成形系统。西北有色金属研究院开展了电子束快速成形工艺的研究，并制造出复杂的钛合金叶轮样件。然而，因EBM工艺对硬件和环境的要求高，整个成形过程须在真空室内进行，设备投资和运行成本高，尚未用于制作大中型零件；同时，在成形过程中存在表面熔化金属“聚球”现象；另外，会出现特有的吹粉问题[32]。PDM成形法是利用经电磁、几何和热压缩的转移电弧产生高温高速的等离子束流，使金属达到熔融态，并按设定的轨迹逐层沉积成形。作为一种新型的金属零件直接成形方法，PDM技术始于20世纪80年代后期，随着数字化分层制造的发展而提出。由于PDM方法具有诸多优点如冶金过程充分，易于低成本地获得组织性能优于真空铸件的满密度高温合金零件；使用的气体为Ar气，可以有效防护沉积成形过程中金属表面的氧化；能量利用率、成形效率、材料利用率高；设备投资和运行成本远低于SLM和EBM法，能够基于常规等离子弧焊工艺进行金属零件的直接制造等优点[33]，PDM工艺很快成为研究热点。目前，华中科技大学、西安交通大学、大连理工大学、西北工业大学、南昌大学、装甲兵工程学院等围绕成形工艺、成形系统、成形件组织性能、成形件变形及控制等方面展开了研究并取得了阶段性成果，如胡晓冬等建立了基于等离子弧焊和操作机控制的直接金属快速成形系统。在满密度、厚大高温合金零件的低成本、高效率直接制造方面，等离子束沉积成形法具有明显优势且潜力巨大。然而，随着等离子沉积成形工艺研究的不断深入，PDM法也暴露出一些不足首先是等离子沉积过程中金属液流淌及成形件尺寸精度不高的问题，由于等离子沉积成形是以高温液态金属熔积的方式进行的，因此，金属液会因重力作用发生流 淌，从而影响成形件的精度和成形效率；其次是复杂形状零件难以直接成形的问题，因金属液流淌和支撑条件的缺乏，大倾角或带悬臂结构的复杂形状零件成形困难，极大地限制了其应用范围；第三是等离子沉积过程中的热裂纹问题，等离子沉积成形过程是一个冶金过程，液态金属的凝固过程是随着液、固界面的推进而进行的，在凝固过程中的固-液阶段，由于枝晶骨架的影响，从而产生裂纹，裂纹的产生往往导致成形过程半途而废，裂纹的存在也会大大降低零件的性能；最后是成形件的微观组织和性能有待进一步改善的问题，虽然等离子沉积成形工艺具有快速凝固的特点，微观组织主要由生长方向不一的细长枝晶组成，成形件的微观组织优于铸造件，但由于成形过程中的反复热输入，晶粒有长大趋势，因此，如何进一步改善成形件的微观组织和性能也是有待解决的问题。可见，采用等离子沉积成形法实现金属零件无支撑直接成形过程中的流淌、热裂纹等问题已成为严重制约PDM技术进一步发展和应用的瓶颈。关于复杂形状零件无附加支撑直接成形的流淌问题，美国Michigan大学、Southern Methodist大学、新加坡国立大学等,采用变方向切片技术,选择支撑条件最多的方向作为零件成形主方向，或将复杂形状零件分解成若干简单形状部件依次成形，并开发出五轴和多轴直接成形加工软件M。该技术有效改善了生长成形的支撑条件，但导致空间 干涉检验和成形路径规划复杂，编程与加工时间长、难度大等问题，而且对于复杂形状零件仍难以从根本上解决流淌问题，致使零件成形尺寸规格和形状复杂度仍受限制M。参考文献[I]颜永年，张人佶，林峰.制造技术的发展道路与发展趋势.电加工与模具，2007(2) :25-29.[2]杨永强，王迪，杨斌，罗子艺，卢建斌.激光快速成型技术在精密金属零件快速制造中的应用.航空制造技术，2010 (16) :48-52.[3]ff. 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发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷模片约束下的等离子沉积成形新方法，克服现有技术采用等离子沉积成形法实现金属零件无支撑直接成形过程中的流淌、热裂纹等问题，集约快速成形和金属凝固理论，建立复杂高温合金零件直接成形的关键技术，获得低成本、厚大复杂高温合金零件直接快速开发的材料-成形-组织-性能一体化新技术。本发明的技术方案是一种陶瓷模片约束下的等离子沉积成形新方法，其特征在于I、首先进行数据处理由零件的三维CAD模型经修改、翻型后得到约束用陶瓷型CAD模型，经分层软件处理得到二维约束用陶瓷模片截面轮廓数据，将此信息转换为层面扫描数控代码；2、分层交替操作成形在计算机控制下，先挤出成形一层陶瓷模片，干燥陶瓷模片；接着在等离子沉积工位上沉积一层金属材料；按此过程重复沉积第2至最后一层金属材料；
3、待零件成形完毕，除去约束用陶瓷片。如上所述的陶瓷模片约束下的等离子沉积成形新方法，其特征在于所述的干燥采用等离子弧进行快速扫描干燥。如上所述的陶瓷模片约束下的等离子沉积成形新方法，其特征在于所述成形方法为在线进行。通过在线成形陶瓷模片的约束与支撑作用，解决大倾角和带悬臂结构复杂形状零件难以直接成形的瓶颈问题。集约快速成形和金属凝固理论，建立复杂高温合金零件直接成形的关键技术，获得低成本、厚大复杂高温合金零件直接快速开发的材料-成形-组织-性能一体化新技术。此项技术可直接应用于航空航天、能源动力、国防军工等领域的高熔点、难加工、复杂形状高温零件的成形。也可用于金属模具和梯度功能零件的直接成形，可大幅度缩短研制周期，降低研制成本。
附图I，是本发明实施例数据处理流程示意图；附图2，是实施例成形工艺过程示意图；附图3，是实施例后处理过程示意图。附图4，本发明方法成形件内部组织与传统方法的照片对比。
具体实施例方式以下结合
本发明的一个实施例。附图1-3为二维约束等离子沉积成形工艺流程示意图。本发明的二维约束等离子沉积成形出酸管合金零件的工艺流程实施例如附图1-3所示，将欲成型的零件分成26层，然后用本发明的方法分层交替操作成形。参见图1，首先进行数据处理，由零件的三维CAD模型经修改、翻型后得到约束用陶瓷型CAD模型，经分层软件处理得到二维约束用陶瓷模片截面轮廓数据，将此信息转换为层面扫描数控代码；即首先，设计出出酸管零件的CAD模型如步骤1(a)，根据零件的结构特点确定相应的陶瓷模型如步骤I (b)，根据零件高度进行分层处理，每层高度为4mm，共计26层如步骤I (c)。参见图2，成形过程中，在计算机控制下，陶瓷挤出头先挤出最下层(第I层)陶瓷模片，利用等离子弧进行快速扫描干燥，接着在最下层陶瓷模片的等离子沉积工位上用等离子枪沉积金属材料；然后陶瓷挤出头再挤出次下层(第2层)陶瓷模片，接着在次下层陶瓷模片的等离子沉积工位上用等离子枪沉积第2层金属材料；如此重复完成第3层至第26层金属材料的沉积；即利用复合成形机床的陶瓷挤出头基础一层陶瓷模片，并利用等离子弧快速扫描，扫描过程中不送粉，之后，利用等离子枪沉积成形一层合金层，如此交替反复，直到零件的最后一层完成，如图2。成形过程中的具体参数如表I表I等离子参数
权利要求
1.一种陶瓷模片约束下的等离子沉积成形新方法，其特征在于 (1)、首先进行数据处理由零件的三维CAD模型经修改、翻型后得到约束用陶瓷型CAD模型，经分层软件处理得到二维约束用陶瓷模片截面轮廓数据，将此信息转换为层面扫描数控代码； (2)、分层交替操作成形在计算机控制下，先挤出成形一层陶瓷模片，干燥陶瓷模片；接着在等离子沉积工位上沉积一层金属材料；按此过程重复沉积第2至最后一层金属材料； (3)、待零件成形完毕，除去约束用陶瓷片。
2.如权利要求I所述的陶瓷模片约束下的等离子沉积成形新方法，其特征在于所述的干燥采用等离子弧进行快速扫描干燥。
3.如权利要求I或2所述的陶瓷模片约束下的等离子沉积成形新方法，其特征在于所述成形方法为在线进行。
全文摘要
一种陶瓷模片约束下的等离子沉积成形新方法，其特征在于1、首先进行数据处理由零件的三维CAD模型经修改、翻型后得到约束用陶瓷型CAD模型，经分层软件处理得到二维约束用陶瓷模片截面轮廓数据，将此信息转换为层面扫描数控代码；2、分层交替操作成形在计算机控制下，先挤出成形一层陶瓷模片，干燥陶瓷模片；接着在等离子沉积工位上沉积一层金属材料；按此过程重复沉积第2至最后一层金属材料；3、待零件成形完毕，除去约束用陶瓷片。通过在线成形陶瓷模片的约束与支撑作用，解决大倾角和带悬臂结构复杂形状零件难以直接成形的瓶颈问题。集约快速成形和金属凝固理论，建立复杂高温合金零件直接成形的关键技术，获得低成本、厚大复杂高温合金零件直接快速开发的材料—成形—组织—性能一体化新技术。
文档编号B22F3/105GK102699324SQ20121003616
公开日2012年10月3日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者周细枝, 易国锋, 郑重, 钱应平, 黄菊华 申请人:湖北工业大学