一种金属基原位自生颗粒增强构件的增材制造方法与流程

本发明属于金属增材制造技术领域，特别涉及一种金属基原位自生颗粒增强构件的增材制造方法。

背景技术：

发明专利《金属构件移动微压铸成型方法》(申请号：CN201310139419)公开了一种无模成形方法，其特征在于：将精炼的金属熔体从坩埚底部出口(喷嘴)连续挤出，喷嘴下方约几百微米是一个可作x-y-z三维运动的水平基板，熔体在喷嘴与基板构成的狭小空间内边凝固边随基板剪切运动，在三维成形制造软件支持下，熔体逐层凝固堆积成形，无需模具。该方法的关键在于：在喷嘴与基板(或已凝固的前一堆积层)之间是一个狭小的半开放、半封闭空间，其中熔体的温度必须严格控制在固液两相区，使一部分熔体发生凝固，其余的熔体则被基板的运动和来自坩埚内部的压力裹挟着向前运动，使刚刚凝固的枝晶被这种运动打碎，晶粒得到细化，从而使构件的性能得到改善。该方法存在的主要问题是：对于许多常用合金来说，±1℃的差别足以使熔体的固相分数发生变化，以致粘度发生变化，温度低，粘度高，有利于成形，但不利于层间结合；温度高，粘度低，有利于层间结合，但不利于成形。因此，需要采取一定的方法，使粘度的变化不依赖于温度，将成形与层间(界面)结合的控制条件分开，为实现金属熔体直接成形(增材制造)创造便利条件。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种金属基原位自生颗粒增强构件的增材制造方法，通过在金属熔体中添加不少于两种单质颗粒，在熔体所处的温度范围内，这些颗粒之间发生化学反应，或者单质颗粒与金属熔体中的元素发生化学反应，生成不溶于金属的化合物，形成原位自生颗粒，使金属熔体的粘度由原位自生颗粒的尺寸和体积来控制，实现金属基原位自生颗粒增强构件的增材制造。

本发明的技术方案是：一种金属基原位自生颗粒增强构件的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.在底部带有喷嘴的坩埚中熔化金属，且温度保持在液相线以上，在金属熔体中添加不少于两种单质颗粒，在熔体所处的温度范围内，这些颗粒之间发生化学反应，生成不溶于金属的原位自生颗粒；通过搅拌使原位自生颗粒均匀分布在金属熔体中，其粘度由原位自生颗粒的粒径、颗粒的摩尔质量与金属熔体的摩尔质量的比例关系来控制；

B.在喷嘴下方设置一个可作三维运动的水平基板及其控制设备，喷嘴距离水平基板的距离为喷嘴内径的1～8倍；

C.在水平基板控制设备中设置预定的程序，用于控制水平基板三维运动的方向和速度；

D.施加一定的压力使含有原位自生颗粒的金属熔体从喷嘴中流出，同时控制设备使水平基板以预定的方向和速度运动；

E.含有原位自生颗粒的金属熔体在喷嘴与水平基板之间边凝固边随基板运动，金属熔体逐层凝固，堆积成形，得到金属基原位自生颗粒增强构件。

更进一步地，所述步骤A中加入的单质颗粒也能与金属熔体中的元素发生化学反应，生成不溶于金属熔体的原位自生颗粒。

更进一步地，所述步骤A中的金属熔体为合金熔体。

更进一步地，所述步骤A中坩埚加热的方式为电阻加热或感应加热。

更进一步地，所述步骤A中使原位自生颗粒均匀分布在金属熔体中的方法为机械搅拌或电磁搅拌。

更进一步地，所述步骤A中金属熔化与凝固过程中均受到惰性气体保护。

更进一步地，所述步骤C中，水平基板控制设备可控制喷嘴开关和坩埚内压力，从而控制金属熔体的流量。

本发明通过在金属熔体中几种单质颗粒，在熔体所处的温度范围内，这些颗粒之间或颗粒与金属熔体之间发生化学反应，生成不溶于金属的化合物，形成原位自生颗粒，再通过控制原位自生颗粒的尺寸和体积来控制金属熔体的粘度，达到控制流动与成形的目的，解决了过去层间结合不好、不利于成形等问题，实现了金属基颗粒增强构件的增材制造。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实际应用示意图。

1--坩埚，2--原位自生颗粒，3--喷嘴，4--新凝固层，5--单质颗粒1，6--单质颗粒2，7--叶片，8--前一凝固层，9--水平基板

具体实施方式

实施例1：参见图1、图2，一种金属基原位自生颗粒增强构件的增材制造方法，包括以下步骤：

A.在底部带有喷嘴的坩埚中熔化金属铝，且温度保持在660℃以上，将直径为50μm的Ti、1μm的C颗粒，以质量比Ti:C:Al＝4:1:(20～45)加入铝熔体，通过机械搅拌使金属铝熔体中的原位自生颗粒均匀分布，加热的方式为电阻加热，金属熔化受到惰性气体保护；

B.在喷嘴下方设置一个可作三维运动的水平基板及其控制设备，喷嘴的内径为2mm，喷嘴距离水平基板的距离为10mm；

C.在水平基板控制设备中设置预定的程序，用于控制水平基板三维运动的方向和速度，水平基板控制设备可控制喷嘴开关和坩埚内压力，从而控制金属铝熔体的流量；

D.施加一定压力使金属铝熔体从喷嘴中流出，同时水平基板控制设备控制水平基板以预定的方向和速度运动；

E.含有金属铝熔体在喷嘴与水平基板之间边凝固边随基板运动，熔体逐层凝固，堆积成形，得到铝基TiC增强构件，凝固过程受到惰性气体保护。