利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法，包括等離子體炬系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)和部件移動系統(tǒng)；等離子體炬系統(tǒng)包括電源、等離子體炬和炬移動裝置、保護(hù)氣體和保護(hù)氣罩；進(jìn)料系統(tǒng)為線材進(jìn)料裝置或環(huán)形送粉器；部件移動系統(tǒng)包括三維移動平臺、控制器、伺服電機(jī)和電腦；等離子體炬為直流非轉(zhuǎn)移弧放電的層流狀態(tài)的等離子體炬。等離子體束準(zhǔn)直、能量集中，具有溫度高、溫度梯度小、高溫區(qū)長、噪音小等特點(diǎn)，能夠大大提高成形的精度。
【專利說明】利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種快速成形與制造技術(shù)，尤其涉及一種利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著快速成形技術(shù)的發(fā)展，快速成形的對象也從非金屬材料擴(kuò)展到金屬材料。在這方面工作中，基于激光、電子束和等離子體束的三種能量束的直接成形制造方法尤其引人注意，代表著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向。由直流電弧放電產(chǎn)生的等離子體束直接成形制造方法，能量利用效率高、成形速率快，冶金質(zhì)量好，且具有堆積致密、材料適應(yīng)范圍廣，成本低等優(yōu)勢，尤其適合復(fù)雜形狀、高熔點(diǎn)金屬及合金部件的快速成形。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)的等離子體快速成形多利用直流轉(zhuǎn)移弧放電，需要將成形部件作為其中的一個電極，很難實(shí)現(xiàn)高精度的快速成形，尤其是高熔點(diǎn)的金屬及合金部件的制造。另外在金屬部件的制造過程中，由于高溫加熱及冷卻都是在大氣環(huán)境中進(jìn)行，容易發(fā)生氧化，從而影響了成形的質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種質(zhì)量好、精度高的利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明的利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法，包括等離子體炬系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)和部件移動系統(tǒng)；
[0007]所述等離子體炬系統(tǒng)包括電源、等離子體炬和炬移動裝置、保護(hù)氣體和保護(hù)氣罩；
[0008]所述進(jìn)料系統(tǒng)為線材進(jìn)料裝置或環(huán)形送粉器；
[0009]所述部件移動系統(tǒng)包括三維移動平臺、控制器、伺服電機(jī)和電腦；
[0010]所述等離子體炬采用直流非轉(zhuǎn)移弧放電的層流狀態(tài)的等離子體為能量束。
[0011]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法，由于采用直流非轉(zhuǎn)移弧放電的層流狀態(tài)的等離子體為能量束，等離子體束準(zhǔn)直、能量集中，具有溫度高、溫度梯度小、高溫區(qū)長、噪音小等特點(diǎn)，能夠大大提高成形的精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中直流電弧在典型放電條件下所產(chǎn)生的層流等離子體束照片。

【具體實(shí)施方式】
[0014]下面將對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0015]本發(fā)明的利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0016]包括等尚子體炬系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)和部件移動系統(tǒng)；
[0017]所述等離子體炬系統(tǒng)包括電源、等離子體炬和炬移動裝置、保護(hù)氣體和保護(hù)氣罩；
[0018]所述進(jìn)料系統(tǒng)為線材進(jìn)料裝置或環(huán)形送粉器；
[0019]所述部件移動系統(tǒng)包括三維移動平臺、控制器、伺服電機(jī)和電腦；
[0020]所述等離子體炬采用直流非轉(zhuǎn)移弧放電的層流狀態(tài)的等離子體為能量束。
[0021]所述保護(hù)氣罩與所述等離子體炬固定在一起。
[0022]所述線材進(jìn)料裝置對合金金屬絲進(jìn)料，所述環(huán)形送粉器對混合金屬粉體進(jìn)料。
[0023]所述線材進(jìn)料裝置設(shè)有多路進(jìn)絲機(jī)構(gòu)。
[0024]工作氣體為氬氣，當(dāng)所述等離子體的放電電流在40-100A時，氬氣流速為100-400L/h ;當(dāng)所述等離子體的放電電流在100-200A時，氬氣流速為400_800L/h。
[0025]如圖2所示，本發(fā)明利用層流模式的直流等離子體炬進(jìn)行金屬及合金材料的3D打印，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬及合金材料的高精度的3D打印，并能夠有效地解決3D打印過程中的氧化冋題。
[0026]與轉(zhuǎn)移弧相比，非轉(zhuǎn)移的直流炬不需要用成形部件作為電極，這樣使得其直接成形制造更具有靈活性，可以在絕緣的材料上直接成形，不受基底電導(dǎo)率的影響，不會引起弧區(qū)的變化，從而能夠長時間的穩(wěn)定運(yùn)行。非轉(zhuǎn)移的直流炬分為湍流和層流兩種工作模式。在層流模式下，等離子體束準(zhǔn)直、能量集中，具有溫度高，溫度梯度小，高溫區(qū)長，噪音小等特點(diǎn)，能夠大大提高成形的精度。因此層流狀態(tài)的等離子體炬是一樣理想的3D打印能量源。
[0027]本發(fā)明采用直流非轉(zhuǎn)移弧放電的層流狀態(tài)的等離子體為能量束。這種層流狀態(tài)的等離子體放電，氣體流量和工作電流是二個重要的運(yùn)行參數(shù)，相對于湍流狀態(tài)，層流的氣體流量小。在本發(fā)明中，工作氣體為氬氣，當(dāng)所述等離子體的放電電流在40-100A時，氬氣流速為100-400L/h ;當(dāng)所述等離子體的放電電流在100-200A時，氬氣流速為400-800L/h。形成的層流狀態(tài)的等離子體，束流準(zhǔn)直，長度可調(diào)，噪聲小，可實(shí)現(xiàn)高精度、高沉積速率的復(fù)雜形狀的三維制造。
[0028]本發(fā)明采用的直流等離子體炬位置可調(diào)，來改變?nèi)刍饘俚竭_(dá)成形平臺的距離，調(diào)整成形溫度，解決成形過程中溫度過高或過低引起的形狀誤差。
[0029]本發(fā)明采用拖拽式等離子體保護(hù)罩，與等離子體炬結(jié)合在一起，有效地解決成形過程中的氧化問題。
[0030]本發(fā)明利用弧放電等離子體能量密度高的特點(diǎn)，可使高熔點(diǎn)金屬及合金進(jìn)行熔化，材料適應(yīng)范圍廣?？蛇M(jìn)料合金金屬絲或混合金屬粉體，也可同時多路進(jìn)料金屬絲，實(shí)現(xiàn)可控合金比例的金屬合金部件制造。具有冶金質(zhì)量好、積致密，組織性能明顯優(yōu)于真空鑄件，密度和鍛造件相當(dāng)，成形效率高，低成本等優(yōu)勢，
[0031]本發(fā)明的部件移動平臺，在三維方向上運(yùn)動。通過計算機(jī)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖形設(shè)計，分層數(shù)據(jù)處理，以保證部件成形。
[0032]本發(fā)明也適合于高熔點(diǎn)的陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的部件快速成形制造，不同于金屬部件快速成形的是，由進(jìn)料系統(tǒng)送入的為按一定比例混合的陶瓷和其他粉材。
[0033]具體實(shí)施例:
[0034]如圖1所示，包括等離子體炬系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)和部件移動系統(tǒng)三部分、。
[0035]等離子體炬系統(tǒng)包括電源、等離子體炬、保護(hù)氣體、保護(hù)氣罩和炬移動裝置。
[0036]進(jìn)料系統(tǒng)包括兩種形式，一種是針對線材進(jìn)料，包括24V直流電源、送絲機(jī)構(gòu)、金屬絲、準(zhǔn)直器等；可以是一路送絲，或是多路同時送絲。另一種是常規(guī)的環(huán)形送粉器，用來輸入粉材。
[0037]部件移動系統(tǒng)包括三維移動平臺、控制器、伺服電機(jī)、電腦。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過三維設(shè)計軟件進(jìn)行圖形設(shè)計，之后進(jìn)行分層數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生的路徑數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制三維移動平臺的移動路徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)定三維移動平臺的移動速度(移動速度與功率，送絲速度，成形不同的位置有關(guān))，以保證成形質(zhì)量。
[0038]具體實(shí)施的工作流程:
[0039]1、保護(hù)氣體通過保護(hù)罩進(jìn)入等離子體炬的下方以及成形件的周圍，排出內(nèi)部的空氣，形成保護(hù)層，并對成形件進(jìn)行冷卻，防止在成形過程中部件被氧化。
[0040]保護(hù)氣體通過保護(hù)罩進(jìn)入等離子體炬的下方以及成形件的周圍，形成保護(hù)層，并對成形件進(jìn)行冷卻，并防止在冷卻過程中發(fā)生氧化。
[0041]2、啟動電源，通過等離子體炬產(chǎn)生層流狀態(tài)的等離子體束，保護(hù)氣體一般采用氬氣。放電功率根據(jù)送入的金屬材料和金屬絲直徑來選擇。功率太低金屬無法熔化，功率太高會出現(xiàn)過熔現(xiàn)象，導(dǎo)致成形精度降低。若采用金屬粉末，可以適當(dāng)減小功率。調(diào)節(jié)基底與直流炬之間的距離，一般在1cm以內(nèi)。通過直流炬對基底預(yù)熱，防止金屬液滴落下時，急劇收縮。實(shí)施過程中，通過炬炬移動結(jié)構(gòu)來控制成形件溫度。
[0042]3、啟動進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)行送料，將其送入層流狀等離子體的正下方。啟動控制器，調(diào)節(jié)移動速度，控制三維移動平臺在XY平面內(nèi)移動，使熔融的金屬落在基底上形成單層的成形軌跡。每進(jìn)行完一層的成形后，移動平臺自動沿Z軸下降一個層間距，再進(jìn)行下一層的沉積，直到成形結(jié)束。在沉積過程中，也可調(diào)節(jié)送料系統(tǒng)，進(jìn)行不同配比的金屬沉積，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合梯度材料的制造。
[0043]4、成形結(jié)束后，停止送料機(jī)構(gòu)，關(guān)閉電源以及三維移動平臺的運(yùn)動。加大保護(hù)性氣體的流量，防止成形件氧化，并進(jìn)行冷卻，直到合適的溫度，關(guān)閉保護(hù)性氣體。
[0044]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法，其特征在于，包括等離子體炬系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)和部件移動系統(tǒng)； 所述等離子體炬系統(tǒng)包括電源、等離子體炬和炬移動裝置、保護(hù)氣體和保護(hù)氣罩； 所述進(jìn)料系統(tǒng)為線材進(jìn)料裝置或環(huán)形送粉器； 所述部件移動系統(tǒng)包括三維移動平臺、控制器、伺服電機(jī)和電腦； 所述等離子體炬采用直流非轉(zhuǎn)移弧放電的層流狀態(tài)的等離子體為能量束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法，其特征在于，所述保護(hù)氣罩與所述等離子體炬固定在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法，其特征在于，所述線材進(jìn)料裝置對合金金屬絲進(jìn)料，所述環(huán)形送粉器對混合金屬粉體進(jìn)料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法，其特征在于，所述線材進(jìn)料裝置設(shè)有多路進(jìn)絲機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的利用層流狀態(tài)的直流等離子體炬進(jìn)行金屬部件快速成形方法，其特征在于，工作氣體為氬氣，當(dāng)所述等離子體的放電電流在40-100A時，氬氣流速為100-400L/h ;當(dāng)所述等離子體的放電電流在100-200A時，氬氣流速為400-800L/h0
【文檔編號】B22F3/105GK104493166SQ201510021067
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月15日
【發(fā)明者】朱曉東, 王建龍, 楊寬 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)