[发明专利]基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置及方法

说明书

本发明提供了一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置及方法，装置包括设置在真空室内的移动装置和同步冷却系统，移动装置的上端部固定在真空室的顶部，同步冷却系统与移动装置连接，移动装置带动同步冷却系统上下移动设置，电子束熔丝增材制造时，同步冷却系统与电子束同步接触构件的上表面；同步冷却系统包括冷却箱、法兰卡箍、过渡器、夹紧装置、编织铜网和冷却液，过渡器的上端与冷却箱通过法兰卡箍相连，过渡器的下端通过夹紧装置与所述编织铜网相连；冷却箱包括设置在上部的水冷块和设置在下部的冷却腔，且通过水冷块的下端面分隔水冷块和冷却腔。本发明能够减少热累积，抑制晶粒粗化，节约散热时间，提高生产效率。

技术领域

本发明属于电子束增材制造领域，尤其是涉及一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置及方法。

背景技术

增材制造的概念在20世纪80年代后期被提出来，该方法主要通过高能束实现材料逐点到逐层叠加的方法制备实体零件。与传统加工成型方法相比，增材制造方法不受成型零件形状的限制，成本低、周期短、精度高，在航空航天、惯性制导、武器维修、生物医学与再制造等领域展现出巨大的应用潜力，为工业领域带来了颠覆性的变革。增材制造技术的热源主要有激光、电子束、等离子体、电弧等。其中，因电子束的量密度大，在无污染的真空环境下工作的特点，使其成为高温合金和活性金属增材制造的最佳热源。目前，为提高增材制造效率，以丝材为原料的电子束熔丝增材制造具有更大的发展潜力，深受航空航天领域青睐，逐渐成为研究热点。

但由于电子束熔丝增材制造技术以电子束为热源，能量较高，并且在真空室下进行，热量只能通过热辐射和基板散出，通常基板与沉积体的接触面积较小，以上双重效应导致电子束熔丝增材过程的散热效率极低。构件的过热一方面会使得熔池向两侧流淌，降低表面质量；另一方面，易导致组织粗化，使得最终构件的性能恶化。尤其对于大尺寸构件，过热现象更加明显，因为随着沉积高度的不断增加，热输入量不断增多，熔池与基板距离越来越大，导致散热距离增加，散热困难。

目前，关于增材制造冷却装置和方法的技术已有报道，有的基于激光增材制造特点，提出通过向表面喷惰性气体或液氮的方式，使气体与构件直接接触，将热量快速导出；此外，还有采用环形喷水装置对电弧增材构件的局部组织进行冷却，目前，这类通过气体或液体与构件直接接触散热的方式是最便捷高效的方法，但由于电子束需要在真空环境下工作，而气体和水均会影响真空室内真空度，所以该冷却方式不适用于电子束增材制造。还有针对电子束增材特点，提出将液态金属镓通入水槽，使镓与构件直接接触进行散热，该方法能够保证在高真空度的前提下，提高散热效率；但镓的价格昂贵，在增材过程中会有损耗，导致打印成本增加。并且镓能够与铝合金发生反应，导致铝合金脆化，一方面会导致水槽内铝合金机械零部件失效，另一方面该冷却方法不适用于铝合金制备，因此该冷却方式有一定局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置及方法，能够减少热累积，抑制晶粒粗化，节约散热时间，提高生产效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，包括设置在真空室内的移动装置和同步冷却系统，所述的移动装置的上端固定在真空室的顶部，所述的同步冷却系统与移动装置连接，所述移动装置带动同步冷却系统上下移动设置，电子束熔丝增材制造时，同步冷却系统与电子束同步接触增材构件的上表面；

所述的同步冷却系统包括冷却箱、法兰卡箍、过渡器、夹紧装置、编织铜网和冷却液，过渡器的上端与冷却箱的下端通过法兰卡箍相连，过渡器的下端通过夹紧装置与所述编织铜网相连；所述的冷却箱包括设置在上部的水冷块和设置在下部的冷却腔，且通过水冷块的下端面分隔水冷块和冷却腔，所述的冷却液位于冷却腔、过渡器和编织铜网形成的通腔中；所述的冷却液在通腔中不渗漏。

进一步的，所述水冷块内部设有蛇形的水冷流道。