[发明专利]激光辅助液态金属同步铸轧无模成型方法

说明书

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体而言，涉及一种激光辅助液态金属同步铸轧无模成型方法。

背景技术

增材制造(即Additive Manufacturing，简称AM)是通过逐层增加材料、基于三维CAD模型数据的直接制造方式，是与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。

中国专利CN201310139419，公开了一种金属构件移动微压铸成型方法，该方法以满足成分要求的熔体为原料，通过逐点逐层同步铸轧的制造方式无模成型金属构件。

其具体工作原理是：对金属构件的三维图形进行分层和运行轨迹设计，并编制逐点加工控制程序；在坩埚底部出口与可水平运动的基板或前一凝固层之间设置一个厚度为百微米、而四周开放的、对注入熔体实施同步铸轧的扁平空间。该空间厚度的设计原则是，熔体可以流入，但受其表面张力的约束不会溢出。熔体自坩埚压入该区域时，率先与基板或前一凝固层接触的部分快速凝固，同时随基板水平移动，由此在凝固组织与相邻的熔体之间形成剪切力，抑制初凝组织前沿晶粒的生长，细化晶粒，并改善成型件的力学性能。

用该方法成型之金属构件能否工程实用的关键在于两点：一、凝固组织的细化和致密程度能否达到或接近轧制或者锻造的水平？二、层间界面能否实现冶金结合？

对于前一问题，可以通过该方法提出的同步铸轧和快速冷却措施解决。解决后一问题的难点在于：金属是热的良导体，仅依靠后续熔体携带的热量使前一层凝固表层重熔的工艺窗口不大，而且这一工艺窗口还会随着金属热导率的提高而变窄。

此外，提高后续熔体的温度还会带来一些负面效应。譬如，降低熔体的表面张力，为此不得不减小同步铸轧空间的厚度，以防止熔体溢出，从而影响加工效率。又譬如，使已凝固组织因过热而长大，从而降低成型件的细晶强化效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光辅助液态金属同步铸轧无模成型方法，通过该方法铸轧成型的金属，其晶粒细化程度高，致密程度接近或达到轧制或者锻造的水平，同时层间界面能够很好地实现冶金结合，成型产品品质高。

为了达到本发明的目的，具体方案如下：

激光辅助液态金属同步铸轧无模成型方法，包括以下步骤：

(1)准备阶段：将激光器瞄准熔体即将覆盖的运动前沿区域，在控制软件中，设定激光器开启和关闭的时间与基板开始运动和停止运动的时间同步，打开激光器电源，调节激光器参数，做好出光准备；

(2)实施阶段：打开运动开关，熔体在压力下从坩埚中压出并落在坩埚出口下方的基板上，激光同时照射基板上的熔体运动的前沿区域，激光光斑后沿与熔体前沿之间的距离不大于光斑尺寸的十分之一，当熔体运动轨迹折转时，激光照射区域快速切换，在整个成型过程中，激光照射区域始终保持在熔体前沿区域；

其中，坩埚及其出口的温度会略高于金属的熔点，随不同的金属、合金的成分而变化。

(3)成型结束：成型过程结束，关闭运动开关，熔体停止流动，同时激光停止照射。

本发明提供的激光辅助液态金属同步铸轧无模成型方法中，在熔体运动的前沿，用一束激光加热已凝固的前一堆积层，激光束照射的位置始终在熔体运动的前沿和前一凝固层上，并且激光光斑后沿与熔体的运动前沿之间的距离不大于光斑尺寸的十分之一，使温度相对较低、粘度较高的熔体也能与前一凝固层形成冶金结合。

同时，熔体自坩埚压出后，率先与基板或前一凝固层接触的部分快速凝固，同时随基板移动，由此在凝固组织与相邻的熔体之间形成剪切力，抑制初凝组织前沿晶粒的生长，细化了晶粒。

因此，通过本发明提供的方法，能够使铸轧成型的金属达到晶粒细化程度高，致密程度能接近或达到轧制或者锻造的水平，同时，层间界面间能够很好地实现冶金结合，避免凝固组织因过热而晶粒长大的弊端。

熔体表面的张力，进一步地，步骤(1)中，所述激光的输出功率设置在被照射区域能够被熔化，但不至于发生流淌的功率范围内。以增强堆积层之间的结合力。

进一步地，步骤(2)所述激光的光强度分布为高斯分布、均匀分布或常用激光器的常规分布。

其中，激光的光斑可以是圆形、矩形或者其它外部轮廓规则的任意形状。

进一步地，步骤(2)中，所述激光光斑的尺寸与熔体运动轨迹的宽度相差±5％。

进一步地，步骤(1)中，所述激光器为连续激光器或脉冲激光器，即能够达到准直、瞄准和加热效果的激光器，波长范围在500nm～11000nm。

进一步地，步骤(2)中，所述坩埚出口的底端与所述基板或者前一凝固层之间的距离≤1mm。