[发明专利]增材制造用锻压热处理一体化装置及进行增材制造的方法

说明书

本发明涉及增材制造用锻压热处理一体化装置，包括用于对沉积层进行加热的加热元件、用于对加热区域进行锻打的锻压元件和用于检测加热区域温度的测温元件；还包括控制元件，所述加热元件、锻压元件和测温元件分别与控制元件电联接。本发明可大大提高增材制造金属材料的致密度，消除内部应力，减少缺陷，控制和改善内部晶粒结构，从而提高材料的力学性能；另外，本发明的技术具有更高的可操作性，可以根据工艺需要控制锻打的时间、温度；可以适用于更多的3D打印方式。

技术领域

本发明属于增材制造领域技术领域，具体涉及增材制造用锻压热处理一体化装置，尤其涉及一种金属增材制造过程中用的锻压热处理装置。

背景技术

航空、航天、船舶、电力和石化等现代工业高端装备正在向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠性、长寿命服役的方向快速发展，其钛合金、高强钢和耐热合金等关键金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高。相应的制造技术要求越来越高、挑战日益严峻，采用铸造、锻造和机加工等传统制造技术生产上述大型、整体、高性能金属构件，不仅需要重型铸造、锻造和机加工装备及大型模具，技术难度大，而且，材料切削量大、材料利用率低、周期长、成本高，金属构件高能束“快速制造”技术，也称为“增材制造”技术，俗称“3D打印技术”，是一种采用高能束（激光、电子束、等离子束）等作为热源，通过材料逐层添加堆积、实现构件无模成形的数字化制造技术。高能束快速制造技术将“材料制备/精确成形”有机融为一体、并将三维复杂形状零件制造离散为简单的二维平面形状的逐层叠加，为设计人员奇思妙想的实现特别是高性能或超常性能构件和结构的实现提供了有效的途径。同时该技术更能大幅度缩短生产周期、降低制造成本、节省材料消耗和加工制造费用，在高端装备的研制、生产和使用维护等方面都拥有巨大的市场价值和广阔的市场应用前景。

现有的高能束快速制造技术一般只通过控制熔化原料进行堆垛成型，加工过程对零件无其他处理方式。所以，常规的增材制造零件通常存在诸多不足如：1.没有经过锻造，金属抗疲劳性能严重不足；2.零件内部不可避免的存在气孔、未熔合等缺陷；3.内应力不能及时释放，容易造成应力集中而开裂。而对于如激光和电子束等热源，由于打印过程中，金属熔池的冷却速度非常快，熔池存在时间非常短，无法对其进行进一步的处理。针对以上问题，本发明提供了一种可在高能束快速制造过程中对零件进行锻造和热处理的装置，从而可对金属增材制造过程的组织进行控制和优化，减少缺陷的产生，提高打印零件的性能。

华中科技大学张海鸥教授团队针对电弧增材制造的技术特点，采用“智能微铸锻铣复合制造技术”的方式对金属零件进行加工制造，实现了3D打印锻态等轴细晶化、高均匀致密度、高强韧、形状复杂的金属锻件的制造。其成形原理如图1所示，在等离子熔融热源的后面，添加了一个锻压装置，在熔池冷却到半固态以后，施行连续锻压，将粗大的柱状晶锻造成细小等轴晶，提高材料的力学性能。图1所示的装置只是针对电弧增材制造，对于激光和电子束等熔池冷却速度较快的增材制造技术并不适用，且锻造工艺单一，无法选择锻压温度和锻压时间，对于不同材料，效果可能存在较大差异。

发明内容

本发明针对现有增材制造技术无法对金属零件的显微组织提供过程优化处理的问题，提供一种可在高能束快速制造过程中对零件进行锻造和热处理的增材制造用锻压热处理一体化装置，可对金属增材制造过程的组织进行控制和优化，减少缺陷的产生，提高打印零件的性能。

本发明的技术方案为：增材制造用锻压热处理一体化装置，包括用于对沉积层进行加热的加热元件、用于对加热区域进行锻打的锻压元件和用于检测加热区域温度的测温元件；还包括控制元件，所述加热元件、锻压元件和测温元件分别与控制元件电联接。所述的沉积层是指金属增材制造过程中，金属粉末或者金属丝等原料经高温熔接之后，凝固形成的堆积层。