專利名稱：移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種金屬和合金噴射沉積坯料制造方法及其裝置，特別是移動坩堝自動化控制噴射沉積制造金屬、合金管坯和圓錠坯的方法及其裝置。
現(xiàn)有的噴射沉積制坯技術(shù)最早是在七十年代初提出的，其基本原理是將熔融金屬或合金在惰性氣氛中霧化，形成顆粒噴射流，直接噴射在較冷的基體上，經(jīng)過撞擊、聚結(jié)、凝固而形成沉積坯。作為一種新型的快速凝固的制坯方法，該技術(shù)被廣泛的用于制備各種合金及復合材料管坯、錠坯和板坯等，得到了迅猛地發(fā)展。申請人于80年代末提出了多層噴射沉積的概念及理論，并發(fā)明了相應的中小型實驗裝置，進一步發(fā)展了傳統(tǒng)的噴射沉積技術(shù)。采用該技術(shù)能夠制備出具有快速冷凝組織的鋁合金管坯和圓錠坯，但該設備及技術(shù)還存在著較多的缺點。多層噴射沉積設備的結(jié)構(gòu)原理如圖1、2所示，其共同特征是坩堝的移動由曲柄連桿帶動，沉積基體的升降、旋轉(zhuǎn)運動是由人工靠觀察進行控制的。沉積基體的加熱以外熱式為主，沉積坯的退火處理在沉積室外的專門裝置內(nèi)進行。采用這些設備制坯時，由于曲柄連桿的運動存在兩個運動死點(水平速度為零)，同時，運動速度連續(xù)變化，制備出的管坯常常出現(xiàn)兩頭大、中間小的形狀；制備圓錠坯時則存在成形困難的缺點。解決這些問題的方法是進行過噴和補噴沉積處理后，再進行大量的車削加工，這就會造成材料收得率極低，生產(chǎn)成本過高。由于噴射沉積過程基本上是靠人工憑經(jīng)驗控制，偶然因素多，使得沉積坯的組織不均勻，材料性能不穩(wěn)定，工藝可重復性較差。由于沉積過程不均勻，在坯件內(nèi)存在較大的宏觀熱應力，往往導致沉積坯開裂，有時在噴射過程中就發(fā)生開裂現(xiàn)象，廢品率高。此外，基體采用外熱式，在噴射沉積制坯過程開始前，要先撤離基體的外熱裝置，調(diào)整噴射高度，在這個過程中，基體很快散熱，溫度降低。散熱幅度和速度與環(huán)境溫度和高度調(diào)整過程的長短有關(guān)，基體表面溫度不能精確控制，初始沉積層的粘附狀態(tài)也存在較大的偶然性。
本發(fā)明的目的是提供一種新型噴射沉積制坯方法和設備，坩堝移動及基體的升降均采用計算機系統(tǒng)進行智能化控制，并把兩者有機地結(jié)合起來，使得產(chǎn)品組織、性能均勻，工藝可重復性高，產(chǎn)品尺寸精確，生產(chǎn)成本降低，消除產(chǎn)品的組織缺陷；同時，可以進行大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)?？朔F(xiàn)有的多層噴射沉積制坯方法和設備在制坯時存在坯件成型困難、尺寸精度不高，生產(chǎn)成本較高，工藝可重復性差，材料的組織及性能不穩(wěn)定等缺點。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用一種移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯方法及其裝置，其噴射沉積制坯方法是將熔融金屬或合金在惰性氣體中霧化，形成顆粒噴射流，直接噴射在較冷的基體上，經(jīng)撞擊，聚結(jié)，凝固而形成沉積坯，其特征在于(1)采用計算機模擬控制坩蝸運動的方向、速度分布和行程，藉運動控制器和導板控制操作坩堝與霧化器的運動。
(2)采用計算機智能控制器來控制沉積基體的升降、旋轉(zhuǎn)，藉鏈式傳動機構(gòu)和反饋探針來控制操作沉積基體的運動。
(3)采用內(nèi)熱方法加熱基體，即加熱器設置于基體內(nèi)。采用爐內(nèi)直接退火裝置來消除沉積坯的應力。
其噴射沉積制坯裝置是在噴射沉積室上方安裝坩堝霧化器，基體置于噴射沉積室內(nèi)，坩堝霧化器和基體分別由各自的運動機構(gòu)帶動，其特征在于(1)由計算機電聯(lián)接主要由電動機傳動機構(gòu)構(gòu)成的運動控制器，運動控制器聯(lián)接導板，導板置于噴射沉積室蓋板上，組成坩堝霧化器運動機構(gòu)。
(2)由計算機電聯(lián)接電動機構(gòu)成計算機智能控制器，它藉鏈式傳動機構(gòu)及反饋探針與加工基體聯(lián)接組成基體運動機構(gòu)。
(3)緊貼基體內(nèi)壁設置電加熱器，構(gòu)成基體內(nèi)熱裝置。


如下
圖1是多層噴射沉積管坯制備裝置結(jié)構(gòu)示意2是多層噴射沉積錠坯制備裝置結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明的移動坩堝自動化控制噴射沉積管坯制備裝置示意4是本發(fā)明的移動坩堝自動化控制噴射沉積錠坯制備裝置示意圖本發(fā)明結(jié)合具體實施例參見附圖進一步說明如下利用上述方法和裝置制備大型合金管坯和錠坯時，移動移動坩堝自動化控制噴射沉積的沉積坯最終形狀，最佳組織條件取決于噴射沉積的工藝參數(shù)(金屬熔體的過熱度、氣體與金屬液流的質(zhì)量比，噴射高度、沉積基體的材質(zhì)、形狀及預熱溫度等)與運動參數(shù)(噴槍的運動速度分布、行程，基體的轉(zhuǎn)速分布、升降速度的分布)的有機結(jié)合，通過編程由計算機系統(tǒng)控制坩堝霧化器運動和基體運動協(xié)調(diào)配合來實現(xiàn)。
實施例1，一種移動坩堝自動化控制噴射沉積制造管坯的方法及其裝置，其方法如上所述，采用如圖3所示的發(fā)明裝置，按照如表1所示的工藝參數(shù)，制備了8009(Al-8Fe-1.3V-1.7Si)合金管坯，規(guī)格為Φ外800/Φ內(nèi)360×1200mm。這種管坯經(jīng)擠壓加工后的性能如表2所示。
表1 Al-Fe-V-Si耐熱鋁合金噴射沉積工藝參數(shù)范圍

表2噴射沉積Al-8Fe-1.3V-1.7Si擠壓管坯力學性能

＊對比材料的性能，材料材質(zhì)為Al-8.5Fe-1.2V-1.7Si，用Osprey工藝制備其制坯裝置參見圖3在圖3所示的管坯制備裝置中，改變了多層噴射沉積中坩堝運動控制機構(gòu)、沉積基體的升降控制機構(gòu)，增加了基體的內(nèi)熱裝置、沉積坯的室內(nèi)直接退火裝置。坩堝運動機構(gòu)包括坩堝和霧化器4，共同固定在運動導板3上，作為霧化室6的上蓋板的一部分，運動控制器2作用在導板上，由步進式電動機和一組轉(zhuǎn)動裝置組成，以計算機1模擬控制坩堝運動的速度分布、方向和行程。沉積基體升降控制機構(gòu)由一組鏈式傳動系統(tǒng)計算機智能控制器7組成，通過探針5反饋的信息，控制基體的升降速度及其分布。探針直接測量沉積坯的直徑，測量精度可以達到3～5mm?；w的內(nèi)熱裝置9緊貼著基體內(nèi)壁放置，測溫器件10直接反映基體的在線溫度，加熱器的功率可連續(xù)調(diào)節(jié)，基體溫度可以精確控制。外熱退火設備8置放于沉積室內(nèi)，在沉積坯制備完畢時，可通過導軌立即合攏，對坯件進行保溫退火，退火溫度可以連續(xù)調(diào)節(jié)。
實施例2，一種移動坩堝自動化控制噴射沉積制造錠坯的方法及其裝置，其方法如前述，采用如圖4所示的發(fā)明裝置，按照如表3所示的工藝參數(shù)，制備出了規(guī)格為Φ 800×1000mm的耐熱鋁合金錠坯。
表3噴射沉積制備鋁合金錠坯的基本工藝參數(shù)范圍

其制坯裝置參見圖4圖4所示的錠坯制備裝置中，添加了斜噴坩堝運動的計算機自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由計算機1及控制器2組成，通過運動導板3來控制坩堝和霧化器噴槍4的運動方向、行程、速度、及其分布，添加了基體8運動計算機控制系統(tǒng)7，該系統(tǒng)按探針反饋的信息自動調(diào)節(jié)基體的轉(zhuǎn)速、上升和下降。添加了安全除塵裝置6，防止過多的粉末的滯留。上述坩堝及基體運動系統(tǒng)按既定程序通過計算機的智能控制，構(gòu)成一完整的運動體系，可以嚴格的控制錠坯的沉積方式，最終尺寸和形狀。
此外，錠坯噴射沉積室采用夾層結(jié)構(gòu)5，內(nèi)通水或其它冷卻介質(zhì)，降低沉積室內(nèi)的環(huán)境溫度，在沉積室內(nèi)設置輔助冷卻系統(tǒng)，可進一步提高冷凝速度，能夠制備對冷速敏感的合金坯件。
本發(fā)明的噴射沉積制坯方法及其裝置制備大型噴射沉積管、錠坯裝置具有以下優(yōu)點(1)徹底解決了多層噴射沉積設備由于控制坩堝運動的曲柄連桿的運動速度死點及速度分布不均勻而造成的沉積管坯形狀難以控制，沉積坯組織不均勻、工藝可重復性差，坯件質(zhì)量不穩(wěn)定等缺陷。本發(fā)明的智能控制型坩堝移動式新型噴射沉積設備，在制備大型管、錠坯時，由于采用了計算機，通過探針所反饋回來的沉積坯的信息自動控制坩堝和基體的運動狀態(tài)，使得沉積坯的組織均勻，消除了宏觀熱應力，避免坯件存在隱裂紋甚至開裂等現(xiàn)象。同時，設備的自動化控制使得產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定，工藝可重復性大大增加，可進行大規(guī)模生產(chǎn)。
(2)由于采用內(nèi)熱式的基體加熱裝置，基體溫度能夠準確控制，初始沉積層粘附條件得到保證。沉積室內(nèi)的退火裝置，可以在噴射沉積制坯完成后立即對沉積坯進行退火處理，以充分消除熱應力，避免了沉積坯裝置外退火時，在調(diào)運過程中因時間過長，溫度降低過快而造成的錠坯開裂問題。
(3)沉積室加上水冷夾層或內(nèi)置式冷凝裝置，可顯著提高沉積坯的冷速，適合于制備對冷速敏感的合金坯。
權(quán)利要求
1.一種移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯方法是將熔融金屬或合金在惰性氣體中霧化，形成顆粒噴射流，直接噴射在較冷的基體上，經(jīng)撞擊、聚結(jié)、凝固而形成沉積坯，其特征在于(1)采用計算機模擬控制坩堝運動的速度分布、方向和行程，籍運動控制器和導板控制操作坩堝霧化器的運動；(2)采用計算機智能控制器控制沉積基體的升降、旋轉(zhuǎn)，籍鏈式傳動機構(gòu)和反饋探針控制操作沉積基體的運動；(3)采用內(nèi)熱方法加熱基體，即加熱器設置于基體內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯方法，其特征在于其制坯方法是制備大型噴射沉積管坯時，通過計算機按不同管材的外形、程序控制噴槍的運動速率和速度分布，噴槍沿著沉積基體的母線做勻速直線運動，熔體過熱溫度為100～300℃，噴射高度為100～300mm，霧化氣壓為0.5～5MPa，噴嘴直徑為3.2～5mm，基體轉(zhuǎn)速為5～10rpm，坩堝運動速率為10～100mm/s，沉積基體升降速度為1～20mm/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯方法，其特征在于制坯方法是在制備大型噴射沉積錠坯時，噴槍機構(gòu)做往復變速直線運動，速率分布由計算機按程序控制，其范圍速率為20～100mm/s，熔體過熱溫度為100～300℃，噴射高度為50～200mm，霧化氣壓為0.8～1.5MPa，噴嘴直徑為2.5～5mm，基體轉(zhuǎn)速和升降速率由探針所測得信息反饋給計算機在線控制，其范圍分別為50～200rpm,1～20mm/min。
4.一種移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯裝置是在噴射沉積室上方安裝坩堝霧化器，加工基體置于噴射沉積室內(nèi)，坩堝與霧化器和沉積基體分別由各自的運動機構(gòu)帶動，其特征在于(1)由計算機電聯(lián)接主要由電動機傳動機構(gòu)構(gòu)成的運動控制器，運動控制器聯(lián)接導板，導板置于噴射沉積室蓋板上，組成坩堝霧化器運動機構(gòu)；(2)由計算機電聯(lián)接電動機構(gòu)成計算機智能控制器，它籍鏈式傳動機構(gòu)及反饋探針與加工基體聯(lián)接組成基體運動機構(gòu)；(3)緊貼基體內(nèi)壁設置電加熱器，構(gòu)成基體內(nèi)熱裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯裝置，其特征在于其制坯裝置基體的內(nèi)熱裝置和沉積室的退火裝置可以采用電阻加熱或其它加熱裝置，沉積室夾層內(nèi)通水、氟利昂等冷卻介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯裝置，其特征在于其制坯裝置包含一個測溫元件，置于基體外壁。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯裝置，其特征在于其制坯裝置包含一個外熱退火裝置，設置在噴射沉積室內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯裝置，其特征在于其制坯裝置包含一個安全除塵裝置，與噴射沉積室聯(lián)接。
全文摘要
一種移動坩堝自動化控制噴射沉積制坯方法及其裝置,采用計算機模擬和智能控制,藉助坩堝霧化器運動機構(gòu)和基體運動機構(gòu)來控制坩堝霧化器運動與基體運動,使兩者協(xié)調(diào)以達到加工管坯和錠坯的工藝參數(shù)要求,制坯裝置中還包含基體內(nèi)熱裝置、外熱退火裝置和安全除塵裝置,其優(yōu)點是沉積坯組織均勻,管坯形狀易于精確控制,加工質(zhì)量更加穩(wěn)定;基體溫度能準確控制,初始沉積層粘附條件得到保證;坯件內(nèi)應力消除充分,避免錠坯件開裂。
文檔編號B22D23/00GK1321557SQ0111442
公開日2001年11月14日 申請日期2001年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月19日
發(fā)明者陳振華, 嚴紅革, 陳剛, 張福全, 胡仲勛 申請人:湖南大學