一种多点逐层精注液体金属增材制造方法与流程

本发明属于液体金属增材制造技术领域，具体涉及一种能够制造超细晶金属件的多点逐层精注液体金属增材制造方法。

背景技术：

当前国内外生产机械工业用核心基础性零部件的方法主要包括铸锻方法和自耗电极电渣熔铸方法。其中，对于超长流程的铸锻生产方法，该方法是在使用6台120吨电弧炉及炉外精炼后，将720吨钢水一次性铸成直径3～4米600吨重钢锭，经5～6火在万吨锻压机上锻成200多吨成品件，再经复杂的热处理、机加工成成品。该方法是典型的减材制造过程，成材率30～40％，成品晶粒度不均、粗大，平均晶粒度最小为60μm，不能生产双金属零部件，锻件最大尺寸已到极限。对于自耗电极电渣熔铸方法，该方法在生产空心件时，质量优于实心件，晶粒较细，晶粒度可达8～10级。但是该方法存在以下问题：1、钢水铸成钢锭，再压力加工制造自耗电极，成本高、能耗高和生产周期长；2、生产巨型件时，中途多次更换电极；3、生产巨型件时金属熔池深(一般深度为直径的一半)，造成成分偏析、中间疏松，需要进一步压力加工；4、变性处理困难，需要在自耗电极上打孔压入变性剂，实际上行不通；5、生产高合金成分材料困难；6、不能生产优质的双金属复合件；7、熔池温度超金属液相线200～300℃。

此外，对于当前国内外正在大力研发的3d金属粉末激光打印技术，其在生产金属零部件时存在以下问题：1、该技术实质是超长流程；2、该技术所用粉末是最典型的超长流程减材制造流程，从钢锭到合格粉末的成材率不到20％；3、5000℃以上激光逐层熔化粉末，造成金属凝固时巨大应力和相变应力；4、小时产量极低，生产巨型件周期极长；5、为了提高部件性能而提出的边打印边锻压的方式，使得3d打印变成压力加工。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种多点逐层精注液体金属增材制造方法，以解决如何通过超短流程生产大型超细晶金属零部件的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；

步骤2、在内径不大于0.5米的水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入液体金属，并在抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的金属薄层向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的单金属实心圆形件。

进一步地，步骤1中，在小型保温炉中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性。

进一步地，大型保温炉为大型气压式保温炉。

此外，本发明还提出一种直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件，该单金属实心圆形件采用上述方法制造。

此外，本发明还提出一种直径大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；

步骤2、在内径不大于0.5米的第一水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向第一水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第一水冷导电结晶器的导电段加热并在第一水冷导电结晶器内以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向第一水冷导电结晶器内注入液体金属，并在第一水冷导电结晶器的抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的金属薄层向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的单金属实心圆形件；

步骤6、在内径为0.7米～1.5米的第二水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘，将直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件作为芯轴，放置在第二水冷导电结晶器内的抽拉盘上；通过化渣炉向第二水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第二水冷导电结晶器的导电段加热并在第二水冷导电结晶器内以一定速度旋转；此时液体合成渣使直径不大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件的表面处于熔融状态；

步骤7、重复步骤3～步骤5，通过多个小型保温炉向第二水冷导电结晶器内注入液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径为0.7米～1.5米的单金属实心圆形件；其中，围绕布置在第二水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着第二水冷导电结晶器尺寸的增大而增加；

步骤8、在内径为1.7米～2.5米的第三水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘，将直径为0.7米～1.5米的超细晶单金属实心圆形件作为芯轴，放置在第三水冷导电结晶器内的抽拉盘上；通过化渣炉向第三水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第三水冷导电结晶器的导电段加热并在第三水冷导电结晶器内以一定速度旋转；此时液体合成渣使直径为0.7米～1.5米的超细晶单金属实心圆形件的表面处于熔融状态；

步骤9、重复步骤3～步骤5，通过多个小型保温炉向第三水冷导电结晶器内注入液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径为1.7米～2.5米的单金属实心圆形件；其中，围绕布置在第三水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着第三水冷导电结晶器尺寸的增大而增加。

进一步地，该方法进一步包括，根据最终单金属实心圆形件的尺寸要求，多次执行将前一步骤所形成的超细晶单金属实心圆形件作为芯轴放置在更大尺寸内径的水冷导电结晶器内的抽拉盘上，向更大尺寸的水冷导电结晶器内注入液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，由此逐步扩大单金属实心圆形件的直径，直至形成超细晶化的满足尺寸要求的单金属实心圆形件；其中，围绕布置在水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着水冷导电结晶器尺寸的增大而增加。

此外，本发明还提出一种直径大于0.5米的超细晶单金属实心圆形件，该单金属实心圆形件采用上述方法制造。

此外，本发明还提出一种直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的第一大型保温炉内的第一液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；

步骤2、在内径不大于0.5米的水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入第一液体金属，并在水冷导电结晶器的内部拉抽盘上形成厚度均匀的第一液体金属薄层；其中，第一液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，第一液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待第一液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第一金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第一金属薄层向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，第一液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第一金属实心圆形件；此时第一金属实心圆形件的上表面未完全凝固，处于熔融状态；

步骤6、将已储存第二液体金属的第二大型保温炉内的第二液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；

步骤7、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入第二液体金属，并在第一金属实心圆形件的上部形成厚度均匀的第二液体金属薄层；其中，第二液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，第二液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；第二液体金属薄层与第一金属实心圆形件表面实现冶金复合；

步骤8、待第二液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第二金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第二金属薄层向下移动；

步骤9、多次重复执行步骤7和8，以抽拉盘为基准，第二液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第二金属实心圆形件，并与第一金属实心圆形件形成直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件。

进一步地，步骤1中，在小型保温炉中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性。

此外，本发明还提出一种直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件，该轴向双金属实心圆形件采用上述方法制造。

此外，本发明还提出一种直径大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的第一大型保温炉内的第一液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；

步骤2、在内径不大于0.5米的第一水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向第一水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第一水冷导电结晶器的导电段加热并在第一水冷导电结晶器内以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向第一水冷导电结晶器内注入第一液体金属，并在第一水冷导电结晶器的内部抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的第一液体金属薄层；其中，第一液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，第一液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待第一液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第一金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第一金属薄层向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，第一液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第一金属实心圆形件；第一金属实心圆形件的上表面未完全凝固，处于熔融状态；

步骤6、将已储存第二液体金属的第二大型保温炉内的第二液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；

步骤7、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向第一水冷导电结晶器内注入第二液体金属，并在第一金属实心圆形件的上部形成厚度均匀的第二液体金属薄层；其中，第二液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，第二液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；第二液体金属薄层与第一金属实心圆形件表面实现冶金复合；

步骤8、待第二液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第二金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第二金属薄层向下移动；

步骤9、多次重复执行步骤7和8，以抽拉盘为基准，第二液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第二金属实心圆形件，并与第一金属实心圆形件形成直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件；

步骤10、在内径为0.7米～1.5米的第二水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘，将直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件作为芯轴，放置在第二水冷导电结晶器内的抽拉盘上；通过化渣炉向第二水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第二水冷导电结晶器的导电段加热并在第二水冷导电结晶器内以一定速度旋转；液体合成渣使直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件的表面处于熔融状态；

步骤11、重复步骤3～步骤9，通过多个小型保温炉向第二水冷导电结晶器内依次注入第一液体金属和第二液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径为0.7米～1.5米的轴向双金属金属实心圆形件；其中，围绕布置在第二水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着第二水冷导电结晶器尺寸的增大而增加；

步骤12、在内径为1.7米～2.5米的第三水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘，将直径为0.7米～1.5米的轴向双金属实心圆形件作为芯轴，放置在第三水冷导电结晶器内置的抽拉盘上；通过化渣炉向第三水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由第三水冷导电结晶器的导电段加热并在第三水冷导电结晶器内以一定速度旋转；液体合成渣使直径为0.7米～1.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件的表面处于熔融状态；

步骤13、重复步骤3～步骤9，通过多个小型保温炉向第三水冷导电结晶器内依次注入第一液体金属和第二液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径为1.7米～2.5米的轴向双金属金属实心圆形件；其中，围绕布置在第三水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着第三水冷导电结晶器尺寸的增大而增加。

进一步地，该方法进一步包括，根据最终超细晶轴向双金属实心圆形件的尺寸要求，多次执行将前一步骤所形成的超细晶轴向双金属实心圆形件作为芯轴放置在更大尺寸内径的水冷导电结晶器内，向更大的水冷导电结晶器内依次注入第一液体金属和第二液体金属，并且使液体金属薄层自下到上逐层凝固，逐步扩大轴向双金属实心圆形件的直径，直至形成超细晶化的满足尺寸要求的轴向双金属实心圆形件；其中，围绕布置在水冷导电结晶器周边的小型保温炉的数量随着水冷导电结晶器尺寸的增大而增加。

此外，本发明还提出一种直径大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件，该轴向双金属实心圆形件采用上述方法制造。

此外，本发明还提出一种超细晶径向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；其中，液体金属与待复合实心圆坯的成分不同；

步骤2、在水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；在抽拉盘上放置待复合的实心圆坯；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；液体合成渣使实心圆坯的表面处于熔融状态；

步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入液体金属，并在水冷导电结晶器的内部形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；液体金属薄层与待复合的实心圆坯表面实现冶金复合；

步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化液体金属薄层与实心圆坯共同向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的径向双金属实心圆形件。

进一步地，该实心圆坯采用前述超细晶单金属实心圆形件。

进一步地，步骤1中，在小型保温炉中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性。

此外，本发明还提出一种超细晶径向双金属实心圆形件，该径向双金属实心圆形件采用上述方法制造。

此外，本发明还提出一种超细晶单金属空心件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；

步骤2、在水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；在抽拉盘上放置水冷芯轴；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入液体金属，并在拉抽盘上形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的液体金属薄层向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的单金属空心件。

进一步地，步骤1中，在小型保温炉中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性。

此外，本发明还提出一种超细晶单金属空心件，该单金属空心件采用上述方法制造。

此外，本发明还提出一种超细晶单金属板材，该单金属板材通过将上述超细晶单金属空心件切开并展平获得。

此外，本发明还提出一种超细晶轴向双金属空心件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的第一大型保温炉内的第一液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；

步骤2、在水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；在水冷结晶器内设置水冷芯轴；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入第一液体金属，并在抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的第一液体金属薄层；其中，第一液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，第一液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待第一液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第一金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第一金属薄层向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，第一液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的第一金属空心件；此时第一金属空心件的上表面未完全凝固，处于熔融状态；

步骤6、将已储存液体金属的第二大型保温炉内的第二液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；

步骤7、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入第二液体金属，并在第一金属空心件的上部形成厚度均匀的第二液体金属薄层；其中，第二液体金属薄层位于液体合成渣的下方，第二液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；第二液体金属薄层与第一金属空心件上表面实现冶金复合；

步骤8、待第二液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第二金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第二金属薄层向下移动；

步骤9、多次重复执行步骤7和8，以抽拉盘为基准，第二液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的第二金属空心件，并与第一金属空心件形成超细晶轴向复合的双金属空心件。

进一步地，步骤1中，在小型保温炉中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性。

此外，本发明还提出一种超细晶轴向双金属空心件，该轴向双金属空心件采用上述方法制造。

此外，本发明还提出一种超细晶双金属板材，该双金属板材通过将上述超细晶轴向双金属空心件切开并展平获得。

此外，本发明还提出一种超细晶径向双金属空心件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉内的液体金属注入水冷导电结晶器的速度和流向均可控制；多个小型保温炉围绕布置在水冷导电结晶器的周边；液体金属与待复合的空心管坯的成分不同；

步骤2、在水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；在抽拉盘上放置待复合的单金属空心管坯；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；液体合成渣使空心管坯的表面处于熔融状态；

步骤3、控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入液体金属，并在抽拉盘上与待复合的空心管坯周围形成厚度均匀的液体金属薄层；其中，液体金属薄层始终位于液体合成渣的下方，液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；液体金属薄层与空心管坯表面实现冶金复合；

步骤4、待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化金属薄层与空心管坯共同向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的径向双金属空心件。

进一步地，待复合的空心管坯采用如权利要求22的超细晶单金属空心件。

进一步地，步骤1中，在小型保温炉中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性。

此外，本发明还提出一种超细晶径向双金属空心件，该径向双金属空心件采用上述方法制造。

此外，本发明还提出一种超细晶双金属板材，该双金属板材通过将上述超细晶径向双金属空心件切开并展平获得。

(三)有益效果

本发明提出的多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法将精炼的液体金属先注入大型保温炉，再将大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉；在水冷导电结晶器的成型段内设置抽拉盘；通过化渣炉向水冷导电结晶器内注入液体合成渣，液体合成渣由水冷导电结晶器的导电段加热并在水冷导电结晶器内以一定速度旋转；控制多个小型保温炉以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内注入液体金属，并在抽拉形盘上的成型段形成厚度均匀的液体金属薄层；待液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉，从而带动超细晶化金属薄层向下移动；多次重复执行液体金属的注入、冷却和抽拉步骤，液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的金属件。

本发明能够以径向或轴向方式生产不同金属的超细晶双金属或多金属零部件，能够显著缩短现有大型金属零部件的生产流程，大幅降低零部件的制造成本，生产的零部件具有超细晶组织，从而具有高强韧性和很长的使用寿命。

本发明的具体有益效果包括：

1、由于在水冷导电结晶器中始终有液体合成渣保护，渣池温度仅高于金属液相线30～50℃，每层金属凝固的表面与渣接触，处于熔融状态，新注入的液体金属在无应力条件下与前一层结合在一起。

2、由于水冷导电结晶器中的渣池处于旋转运动，使得注入的液体金属在控制注入速度条件下，在落入上一层金属表面时呈连续状态，而不仅仅是单点状态，因而各注入点很快连成一层。

3、由于渣池深、金属熔池浅，渣金反应好，能起到精炼液体金属的作用，使得已精炼的金属在水冷导电结晶器中得到进一步精炼。

4、由于在水冷导电结晶器中金属处于低温状态，处于高于液相线30～50℃，远低于常规电渣重熔200～300℃，更远低于3d打印激光加热的几千℃，因而能够达到快速凝固，细化晶粒，无应力。

5、采用本方法注入液体金属，易于在液体金属中加入变性剂，保证超超细晶，可生产出晶粒度达13～15级巨型件。

6、采用本方法制造二次枝晶轴间距离84，而常规电渣熔铸316不锈钢二次枝晶轴间距离126；常规电渣熔铸的晶粒度是本方法的1.5倍，常规电渣熔铸的晶粒度为8～10级，而本方法的最高晶粒度为12～15级，即5.6μm和2.8μm。

7、常规电渣熔铸生产巨型件时，由于熔池深，难于保证质量，本发明采用液体金属圈式扩坯可保证超细晶组织。

8、在生产巨型实心件、空心件时，本发明能够精密地、逐层地自下而上成型。

9、本发明能够解决高合金钢常规电渣熔铸偏析严重的问题。

10、本发明能够直接使用液体金属生产轴向、径向双金属或多金属巨型件，即根据不同要求生产轴向双金属转子，即如高温段为镍基合金，中低温段为铬钢的超超临界整体直径达2米的转子，不必焊接。

11、本发明能够保证超短流程地在冶炼车间直接使用其液态金属生产径向双金属、多金属巨型件，例如生产外层为高耐磨，而内层为高力学性能抗弯曲的双金属轧辊；此外，本发明还可对已磨损的轧辊进行修复性再制造。

12、本发明能保证以超短流程生产巨型高端轴承内、外圈，可使其晶粒细化到4～5μm，几倍地大幅提高使用寿命。从根本上解决我国轴承行业低端泛滥，高端进口的局面，也从根本上改变国内外现有轴承生产模式。

13、本发明能以超短流程模式生产核电压力容器、化工用加氢反应器筒体、潜水艇耐压壳以及航母用宽度10米飞机升降甲板等，是在大幅提高其使用寿命、大幅减轻重量条件下实现的。

14、本发明能很好地进行包括稀土在内一系列变性剂对液体金属进行变性处理，能使以上核心零部件使用性能大幅度提高，晶粒进一步细化。

附图说明

图1为本发明实施例1的超细晶单金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法原理示意图；

图2为本发明实施例2的超细晶径向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法原理示意图；

图3为本发明实施例3的超细晶轴向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法原理示意图；

图4为本发明实施例4的超细晶单金属空心件多点逐层精注液体金属增材制造方法原理示意图；

图5为本发明实施例5的超细晶径向双金属空心件多点逐层精注液体金属增材制造方法原理示意图；

图6为本发明实施例6的超细晶轴向双金属空心件多点逐层精注液体金属增材制造方法原理示意图。

图中，1-小型保温炉；2-液体合成渣；3-液体金属薄层；4-超细晶化金属薄层；5-水冷结晶器(5-1为导电段、5-2为绝缘段、5-3为成型段)；6-待复合金属实心圆坯；7-第二液体金属薄层；8-第二金属薄层；9-水冷芯轴；10-待复合空心管坯。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

本实施例提出一种超细晶单金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法的原理如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的大型气压式保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉1；其中，相比于大型气压式保温炉，小型保温炉1内的液体金属注入水冷导电结晶器5的速度和流向均可控制；多个小型保温炉1围绕布置在水冷导电结晶器5的周边；在小型保温炉1中加入变性剂，以进一步细化金属晶粒，提高金属强韧性；

步骤2、在内径不大于0.5米的水冷导电结晶器5的成型段5-3设置抽拉盘；通过化渣炉向水冷导电结晶器5内注入液体合成渣2，液体合成渣2由水冷导电结晶器的导电段5-1加热并在水冷导电结晶器5内以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉1以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器5内注入液体金属，并在抽拉盘上的水冷导电结晶器成型段内形成厚度均匀的液体金属薄层3；其中，液体金属薄层3位于液体合成渣2的下方，液体金属薄层3的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待液体金属薄层3冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层4，通过水冷导电结晶器5的抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化金属薄层4向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层3自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的单金属实心圆形件。

实施例2

本实施例提出一种超细晶径向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法的原理如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤1、将已储存与待复合金属实心圆坯6材料不同的另一种液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉1；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉1内的液体金属注入水冷导电结晶器5的速度和流向均可控制；多个小型保温炉1围绕布置在水冷导电结晶器5的周边；

步骤2、在水冷导电结晶器5的成型段5-3设置抽拉盘；在抽拉盘上放置待复合的金属实心圆坯6；通过化渣炉向水冷导电结晶器5内注入液体合成渣2，液体合成渣2由水冷导电结晶器的导电段5-1加热并在水冷导电结晶器5内以一定速度旋转；液体合成渣2使金属实心圆坯6的表面处于熔融状态；

步骤3、控制多个小型保温炉1以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器5内注入液体金属，并在水冷导电结晶器成型段5-3的内部与待复合圆坯周围形成厚度均匀的液体金属薄层3；其中，液体金属薄层3始终位于液体合成渣2的下方，液体金属薄层3的厚度为10mm～20mm；液体金属薄层3与实心圆坯6的表面实现冶金复合；

步骤4、待液体金属薄层3冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层4，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化金属薄层4与实心圆坯6共同向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层3自下到上逐层凝固，形成超细晶化的径向双金属实心圆形件。

实施例3

本实施例提出一种直径不大于0.5米的超细晶轴向双金属实心圆形件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法的原理如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的第一大型保温炉内的第一液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉1；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉1内的液体金属注入水冷导电结晶器5的速度和流向均可控制；多个小型保温炉1围绕布置在水冷导电结晶器5的周边；

步骤2、在内径不大于0.5米的水冷导电结晶器5的成型段5-3设置抽拉盘；通过化渣炉向水冷导电结晶器5内注入液体合成渣2，液体合成渣2由水冷导电结晶器的导电段5-1加热并在水冷导电结晶器5内以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉1以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器5内注入第一液体金属，并在水冷导电结晶器5的绝缘段5-2以下的成型段5-3内形成厚度均匀的第一液体金属薄层；其中，第一液体金属薄层始终位于液体合成渣2的下方，第一液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待第一液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化的第一金属薄层4，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化第一金属薄层4向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，第一液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第一金属实心圆形件；此时第一金属实心圆形件的上表面未完全凝固，处于熔融状态；

步骤6、将已储存液体金属的第二大型保温炉内的第二液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉1；

步骤7、控制多个小型保温炉1以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器内5注入第二液体金属，并在第一金属实心圆形件的上部形成厚度均匀的第二液体金属薄层7；其中，第二液体金属薄层7始终位于液体合成渣2的下方，并处于水冷导电结晶器的成型段5-3内，第二液体金属薄层7的厚度为10mm～20mm；第二液体金属薄层7与第一金属圆形件上表面实现冶金复合；

步骤8、待第二液体金属薄层7冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第二金属薄层8，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第二金属薄层8向下移动；

步骤9、多次重复执行步骤7和8，以抽拉盘为基准，第二液体金属薄层7自下到上逐层凝固，形成超细晶化的直径不大于0.5米的第二金属实心圆形件，并与第一金属实心圆形件形成直径不大于0.5米的轴向双金属实心圆形件。

实施例4

本实施例提出一种超细晶单金属空心件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法的原理如图4所示，具体包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉1；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉1内的液体金属注入水冷导电结晶器5的速度和流向均可控制；多个小型保温炉1围绕布置在水冷导电结晶器5的周边；

步骤2、在水冷导电结晶器5的的成型段5-3设置抽拉盘；在抽拉盘上放置水冷芯轴9；通过化渣炉向水冷导电结晶器5内注入液体合成渣2，液体合成渣2由水冷导电结晶器的导电段5-1加热并在水冷导电结晶器5内以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉1以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器5内注入液体金属，并在水冷导电结晶器成型段5-3的内部形成厚度均匀的液体金属薄层3；其中，液体金属薄层3始终位于液体合成渣2的下方，液体金属薄层3的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待液体金属薄层3冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层4，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化金属薄层4向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层3自下到上逐层凝固，形成超细晶化的单金属空心件。

实施例5

本实施例提出一种超细晶径向双金属空心件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法的原理如图5所示，具体包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的大型保温炉内的液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉1；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉1内的液体金属注入水冷导电结晶器5的速度和流向均可控制；多个小型保温炉1围绕布置在水冷导电结晶器5的周边；液体金属与空心管坯10的成分不同；

步骤2、在水冷导电结晶器5的成型段5-3设置抽拉盘；在抽拉盘上放置已预热的待复合的空心管坯10；通过化渣炉向水冷导电结晶器5内注入液体合成渣2，液体合成渣2由水冷导电结晶器的导电段5-1加热并在水冷导电结晶器5内以一定速度旋转；液体合成渣2使空心管坯10的表面处于熔融状态；

步骤3、控制多个小型保温炉1以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器5内注入液体金属，并在水冷导电结晶器成型段5-3的内部形成厚度均匀的液体金属薄层3；其中，液体金属薄层3始终位于液体合成渣2的下方，液体金属薄层3的厚度为10mm～20mm；液体金属薄层3与空心管坯10表面实现冶金复合；

步骤4、待液体金属薄层3冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化金属薄层4，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化金属薄层4与空心管坯10共同向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，液体金属薄层3自下到上逐层凝固，形成超细晶化的径向双金属空心件。

实施例6

本实施例提出一种超细晶轴向双金属空心件多点逐层精注液体金属增材制造方法，该方法的原理如图6所示，具体包括如下步骤：

步骤1、将已储存液体金属的第一大型保温炉内的第一液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉1；其中，相比于大型保温炉，小型保温炉1内的液体金属注入水冷导电结晶器5的速度和流向均可控制；多个小型保温炉1围绕布置在水冷导电结晶器5的周边；

步骤2、在水冷导电结晶器5的成型段5-3设置抽拉盘；在抽拉盘上放置水冷芯轴9；通过化渣炉向水冷导电结晶器5内注入液体合成渣2，液体合成渣2由水冷导电结晶器的导电段5-1加热并在水冷导电结晶器内5以一定速度旋转；

步骤3、控制多个小型保温炉1以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器5内注入第一液体金属，并在水冷导电结晶器成型段5-3的内部形成厚度均匀的第一液体金属薄层；其中，第一液体金属薄层始终位于液体合成渣2的下方，第一液体金属薄层的厚度为10mm～20mm；

步骤4、待第一液体金属薄层冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第一金属薄层4，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化的第一金属薄层4向下移动；

步骤5、多次重复执行步骤3和4，以抽拉盘为基准，第一液体金属薄层自下到上逐层凝固，形成超细晶化的第一金属空心件；此时第一金属空心件的上表面未完全凝固，处于熔融状态；

步骤6、将已储存液体金属的第二大型保温炉内的第二液体金属分别精密定量地注入多个小型保温炉1；

步骤7、控制多个小型保温炉1以相同的注入条件，同时向水冷导电结晶器5内注入第二液体金属，并在第一金属空心件的上部形成厚度均匀的第二液体金属薄层7；其中，第二液体金属薄层7位于液体合成渣2的下方，并处于水冷导电结晶器的成型段5-3内，第二液体金属薄层7的厚度为10mm～20mm；第二液体金属薄层7与第一金属实心圆形件表面上实现冶金复合；

步骤8、待第二液体金属薄层7冷却1～2分钟后，得到已凝固的超细晶化第二金属薄层8，通过抽拉装置将抽拉盘向下抽拉10mm～20mm，从而带动超细晶化第二金属薄层8向下移动；

步骤9、多次重复执行步骤7和8，以抽拉盘为基准，第二液体金属薄层7自下到上逐层凝固，形成超细晶化的第二金属空心件，并与第一金属空心件形成轴向双金属空心件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。