增材制造金属冷却方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种增材制造金属冷却方法。

背景技术

增材制造方法不同于传统的等材或减材制造技术，它可以直接成形复杂的结构件，且成形过程中无需模具，其生产效率不受工件复杂度的影响，因此适合小批量复杂零部件的生产。对于2系铝铜、6系铝镁硅合金、7系铝锌、不锈钢及部分钛合金等金属材料的增材制造，相应的零件需要经过固溶热处理或固溶热处理加时效强化热处理后，才满足相应的性能需求。而增材制造的零件在这个过程中，特别是在固溶热处理过程中，因为固溶热处理时温度高、冷速较快，会导致零件变形，影响零件的精度，且因为变形的不可预测性，增材制造试样时需预留的加工余量也不好控制，造成了材料的浪费，成品合格率的下降等；特别是对于激光熔覆和电弧增材制造制备的大型结构件来说，很难找到合适的热处理装置，且热处理的成本会很高。

增材制造过程是逐层打印，不同于传统的减材或等材制造，这就为控制冷却速度提供了可能性，如果我们可以使每一层都达到或接近其固溶热处理时的冷却速度，直接实现沉积态就是超饱和固溶状态，那么上述的难题就得到了解决，而且由于没有固溶热处理时高温长时间保温的过程，晶粒细小，进而优化了性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种增材制造金属冷却方法，以解决增材制造的金属零部件在进行固溶强化或固溶加时效强化热处理过程中的变形问题。

本发明的增材制造金属冷却方法，包括冷却装置，所述冷却装置通过以下步骤在增材制造过程中实现冷却：

S1：增材制造：采用激光熔覆设备或电弧增材设备在基板上进行增材制造；

S2：在线冷却：冷却装置设置于热源后方并跟随在热源后对熔覆层及熔覆层下方的热影响区实时冷却。

进一步，所述冷却装置包括由多个依次排列并首位相连的U形管构成，各个U形管的内腔形成U形冷却通道，所述熔覆层位于冷却通道内。

进一步，步骤S1中，基板与增材制造原料相同。

进一步，所述冷却装置开口向下罩在熔覆层上使得冷却装置闭合端与最上层熔覆层近似平行。

进一步，还包括设置于增材设备上用于对热源后侧熔覆层进行温度检测的温度检测装置。

进一步，所述U形管闭合端可伸缩。

进一步，所述冷却装置和温度检测装置以可转动的方式安装于激光熔覆设备上的送粉装置或者电弧增材设备的焊枪上。

进一步，步骤S1中，增材制造前，用丙酮和酒精清洗基板。

进一步，所述冷却装置还以高度可调的方式安装于送粉装置或者焊枪上。

本发明的有益效果：

本发明冷却装置紧跟在热源后方，可以实时冷却每层熔覆层，增加熔覆层的冷却速度并且减少热影响区的深度；通过对每层熔覆层在线冷却的方式提高冷却速度，实现材料的超饱和固溶，成型零件只需时效处理，就可以较大幅度提高材料的强度，对于不可以热处理强化的材料通过该方法也可以细化晶粒，优化性能；解决了增材制造的金属零部件在进行固溶强化或固溶加时效强化热处理过程中的变形问题，可以有效防止试样在高温固溶时候变形产生的废品率；解决了利用激光熔覆或电弧送丝增材制备大型金属结构件后热处理成本高的问题。同时提高了生产效率，达到了在线强化的目的；而且避免了增材过程中的层间冷却等待时间，提高了生产效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为增材制造设备和冷却装置相对位置结构示意图；

图2为冷却装置结构示意图；

具体实施方式

如图所示，本实施例中的增材制造金属冷却方法，包括冷却装置1，所述冷却装置通过以下步骤在增材制造过程中实现冷却：

S1：增材制造：采用激光熔覆设备或电弧增材设备在基板2上进行增材制造；

S2：在线冷却：冷却装置设置于热源后方并跟随在热源后对熔覆层3及熔覆层下方的热影响区实时冷却。热源为增材制造设备烧结原料的位置也为熔池的位置；当增材设备打印完两层后，将冷却装置调至合适的高度，并把冷却循环打开紧随在热源的后方，实现对熔覆层及下方的热影响区快速冷却；

S3：时效处理：在烧结成型后，对需要经过时效处理的样品，将试样做相应的处理。

激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层，激光熔覆设备用于增材制造时，通过喷涂粉末材料并实时烧结的方式，逐层实现烧结；电弧增材技术是采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件，因以电弧为载能束，热输入高，成形速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形；激光熔覆设备和电弧增材设备均为现有设备，具体不在赘述；

冷却装置的冷却温度范围为-40℃至室温，且紧跟在热源后方，可以增加熔覆层的冷却速度并且减少热影响区的深度；通过在线冷却的方式提高固溶线附近的冷却速度，实现材料的超饱和固溶，成型零件只需时效处理，就可以较大幅度提高材料的强度，对于不可以热处理强化的材料通过该方法也可以细化晶粒，优化性能；解决了增材制造的金属零部件在进行固溶强化或固溶加时效强化热处理过程中的变形问题，可以有效防止试样在高温固溶时候变形产生的废品率；解决了利用激光熔覆或电弧送丝增材制备大型金属结构件后热处理成本高的问题。同时提高了生产效率，达到了在线强化的目的；而且避免了增材过程中的层间冷却等待时间，提高了生产效率。

本实施例中，所述冷却装置包括由多个依次排列并首位相连的U形管1a构成，各个U形管的内腔形成U形冷却通道，所述熔覆层位于冷却通道内。各个U形管用钢结构焊接起来形成整体，U形管的密度可以依据所需的冷速进行调节，所需冷速较快时，U形管的排布密度可适当增大，反之则减小，冷却装置的中部形成了冷却通道，可在三个方向冷却，利于提高冷却效率；结合图2所示，冷却装置的进液口1b和出液口1c分别接低温冷却循环泵的出、入口，也可以外接散热器，具体不在赘述；这样就可以形成一个循环的冷却系统。其中低温冷却循环泵为冷却源，冷却液可以选择工业酒精和水的混合液，汽车防冻液等，但不限制于此，可以依据冷却需要去选择，以达到-40℃至室温的冷却温度，通过调节冷却循环泵的流量调节冷却温度，并使得U形管预冷至所需要的温度；

本实施例中，步骤S1中，基板与增材制造原料相同。增材制造过程中熔覆层冷却后与基板粘连为一体，使得成型的零部件固定在基板上，提高零部件成型过程中的稳定性，在烧结完成后，将成型零件从基板上切下。

本实施例中，所述冷却装置开口向下罩在熔覆层上使得冷却装置闭合端与最上层熔覆层近似平行。近似平行含义为冷却装置闭合端的冷却管与最上层熔覆层平行且允许具有一定的误差，结合图1所示，冷却装置向下罩在熔覆层上，可在熔覆层的上表面以及侧面同步实现冷却，利于最上层熔覆层的快速冷却。

本实施例中，还包括设置于增材设备上用于对热源后侧熔覆层进行温度检测的温度检测装置4。此处的增材设备指的是激光熔覆设备或电弧增材设备，温度检测装置优选红外测温装置；增材过程中通过同步移动红外测温装置实时监测热源后方的熔覆层温度，通过红外测温装置远距离在线监测冷却装置来测量冷却装置后方沉积层的温度，通过计算可以实时监测冷速，并通过调整冷却泵的冷却液的流速来实时控制冷却速度；并且该装置可测量熔覆层的精确高度，进而可以计算冷却装置的安装高度，依据红外测距装置输出距离来调整冷却装置与熔覆层的距离，使两者距离足够近，但是不会相互产生剧烈的摩擦，确保具有最佳的冷却效果的同时又防止了冷却装置的损坏；

本实施例中，所述U形管1闭合端可伸缩。U形管1闭合端由两根可密封滑动嵌套在一起的铜管组成，通过两根铜管的密封相对滑动调节U形管的宽度来适应打印零件的宽度。

本实施例中，所述冷却装置和温度检测装置以可转动的方式安装于激光熔覆设备上的送粉装置或者电弧增材设备的焊枪上。冷却装置可随着送粉装置或者焊枪的移动实时移动，始终与热源相对恒定的位置关系，以激光熔覆设备为例，结合图1所示，激光熔覆设备的具有两个送粉器5，两个送粉器位于激光器6的两侧，送粉器喷嘴喷射方向以及激光器的激光方向交于一点，其交点位于最上方熔覆层处；送粉器上安装有工装7，工装可以为圆形套筒并可通过电机驱动水平转动，冷却装置和温度检测装置安装于工装上，工装可随着打印方向的转换而旋转调节变换位置，或者送粉器可围绕激光器转动，此时转动送粉器互换两个送粉器的位置即可调节冷却装置和温度检测装置的位置，通过调节冷却装置和温度检测装置的位置，使得冷却装置和温度检测装置始终保持在热源后侧，每烧结完一层后，工装旋转至焊枪的另一侧或者对称的送粉器侧，如此往复直至打印结束；

本实施例中，步骤S1中，增材制造前，用丙酮和酒精清洗基板。通过对基板的清洗利于烧结层与基板的粘接，提高整个成型零件的稳定性，防止零件在成型过程中错位，便于送粉器和激光器的空间定位。

本实施例中，所述冷却装置还以高度可调的方式安装于送粉装置或者焊枪上。在工装上可安装电动伸缩杆，冷却装置固定在伸缩杆上，通过伸缩杆的伸缩利于调节冷却装置的高度，进而调节冷却装置距离熔覆层的距离，便于调节冷却速度。

以激光熔覆设备为例进行说明增材制造工艺，烧结的式样为铝合金；

首先设定冷却装置的冷却温度为-20℃，打开冷却循环，依据打印试样的宽度来设定冷却装置的宽度；装好粉末并设定打印工艺：激光功率1050W，扫描速度500mm/min；然后打开激光熔覆设备内的Ar保护气体，检查送粉、送气、冷却系统无故障；

抬高冷却装置至合适位置，先打印两层后，再将冷却管道装置的顶端调至红外测温测距装置输出的高度距离高1-3mm处，目的是防止冷却装置底部与基板刮蹭，损坏冷却装置；

然后在线跟随冷却，继续打印试样，在这个过程中冷却装置一直跟在熔覆头后方进行冷却，使熔池快速凝固，得到超饱和固溶体；在该过程中依据红外测温装置测得的温度结果实时调整冷却泵的温度及流量来控制冷却速度；

重复烧结及冷却步骤，直到得到所需高度的试样；

将试样从基板切下，放入170℃的马弗炉中时效12h，并检测样件强度，与该样件对比的为通过常规增材制造方法制造且未经固溶强化的铝合金。

表1冷却前后铝合金强度对比

由表1可以看出在冷却处理后的试样抗拉强度由未冷却的262MPa左右提升到了312MPa，屈服强度由未冷却的108MPa提升到了145MPa，说明在线冷却可以提高熔覆层的冷却速度，室温下得到超饱和固溶体；该方法可高效且简单的实现了材料性能的提升。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。