[发明专利]一种非晶合金材料制备与成形一体化的3D打印方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及微滴喷射增材制造与非晶合金制备技术领域，具体涉及一种非晶合金材料制备和结构成形一体化的3D打印方法及装置。

背景技术

非晶合金兼有金属和玻璃优点，又克服了它们各自的弊病。现已开发出的块体非晶合金材料体系有La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基等。因其优异的力学、物理和化学性能，在工业生产、体育器材、生物医学、消费电子领域得到了广泛的应用。

3D打印是快速成形技术的一种，它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式来构造零部件。金属零件的3D打印方法，主要有激光选区烧结、激光选区熔化、电子速选区熔化、金属沉积成形、喷墨3D打印、微滴喷射技术等。金属零部件的近净成形为解决工业装备中难加工金属构件的制造提供了一条快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技术新途径。

目前，块状非晶合金成形方法主要有水淬法、铜模铸造法、高压模铸法、吸铸法、压铸法等。非晶合金材料制备受冷却介质热传导速率和自身玻璃态形成能力的影响，传统方法制备非晶合金临界尺寸仅达10余毫米。同时非晶合金材料具有的高硬度、高耐磨性与易脆性，使其很难利用机械加工技术获得复杂的零件。现有的非晶合金3D打印基于选择性激光熔融技术成形非晶合金粉末，该方法需要先制备均匀精细的非晶合金粉末，再利用高能束激光加热熔融粉末成形，产生的高温会使部分成形材料温度超过过冷液态温区，导致部分材料晶化、翘曲变形。现有方法技术不能同时实现非晶合金材料制备及复杂结构三维成形。

发明内容

本发明提供一种非晶合金材料制备与成形一体化的3D打印方法及装置，以解决传统制备方法对块状非晶合金临界尺寸的限制、非晶合金粉末选择性激光熔融3D打印过程中产生晶化行为、翘曲变形的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

（1）坩埚外环形加热炉将晶态合金加热至熔融状态，调控半导体制冷装置，设定沉积基板的温度；

（2）建立要打印的非晶合金零件的三维模型，切片分层处理形成STL格式文件，通过控制金属熔滴喷射频率和运动平台速度，按扫描路径逐滴沉积成形；

（3）液氮喷管二和液氮喷管一位于中空旋转平台上，当喷射路径发生改变时，中空旋转平台旋转一定角度，保证金属熔滴喷头、液氮喷管二和液氮喷管一所在直线同运动平台运动方向始终一致，金属熔滴喷头运动到指定位置后，惰性气体压力储存瓶通过惰性气体管将坩埚内熔融金属经送料管压至金属熔滴喷头处，热电偶检测熔融金属温度低于设定温度时，环形加热器启动保证熔融金属较好流动性，气压控制器9启动，带有压力的惰性气体推动活塞实现金属熔滴喷射；

（4）打印非晶合金零件上打印点时，圆形转盘带动金属熔滴喷头、液氮喷管一和液氮喷管二首先下降至距离此打印点0.1-0.5mm处，高压氮气瓶通过液氮管位液氮喷管一和液氮喷管二提供液氮，液氮喷管二在这一点先喷射液氮使沉积基板环境冷却，该打印点移动至金属熔滴喷头下方并喷射熔融金属液滴，然后该打印点移动至液氮喷管一下方并在这一点再喷射液氮使沉积金属液滴快速冷却变至非晶态；

（5）按扫描轨迹以同样方式完成一层喷射打印后，喷头上升一个打印层厚度，重复上述步骤（3）-（4），最终完成非晶合金零件的制备及成形过程。

本发明所述非晶合金包括La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基非晶合金。

本发明所述沉积基板19的移动速度10-100mm/s，所设定的沉积基板温度为零摄氏度到零下30摄氏度。

本发明所述步骤（3）设定液氮喷管二和液氮喷管一轴心连线与X轴正方向夹角α，0°<α<180°，α=0°时为初始位置，金属熔滴喷射路径与X轴正方向夹角β，当喷射路径发生改变时，中空旋转平台22旋转一定角度，使得α=β，保证金属熔滴喷头、液氮喷管二和液氮喷管一所在直线，同运动平台运动方向始终一致。

本发明所述步骤（3）中惰性气体压力储存瓶的压力为0.8MPa。

本发明所述步骤（3）中气压控制器的调压范围为0-0.8MPa。

本发明所述步骤（4）中所述高压氮气储存瓶的压力为0.3-0.8MPa。