激光3D打印成形非晶态金属构件冷却系统及其冷却方法

摘要

本发明公开了一种激光3D打印成形非晶态金属构件冷却系统，其特征在于：包括设置在真空手套箱内的冷却液储存池和冷却液工作池，冷却液储存池和冷却液工作池之间通过冷却液输送管和冷却液回流管相连通；工作台安装在冷却液工作池内，工作台外周环绕有多层循环冷却水管。本发明还公开了上述冷却系统的冷却方法，通过控制冷却液的液面上升速度，使冷却液液面始终低于激光打印层面保持在预设高度，从而保证金属构件熔池热量可以快速地经金属基体流向冷却液；循环冷却水管及时带走冷却液热量，降低冷却液温度。本发明可保证制备的金属构件始终处于规定温度内，快速高效地扩散掉熔池热量，避免熔体在冷凝过程中发生晶化，从而获得全非晶态的金属构件。

权利要求

1.一种激光3D打印成形非晶态金属构件冷却系统，其特征在于：该系统包括设置在真空手套箱内的冷却液储存池和冷却液工作池，所述冷却液储存池通过冷却液输送管经冷却液泵Ⅰ与所述冷却液工作池相连通，所述冷却液工作池再通过冷却液回流管经冷却液泵Ⅱ与所述冷却液储存池相连通；

工作台安装在所述冷却液工作池内，所述工作台外周环绕有多层循环冷却水管，所述循环冷却水管的主体置于所述冷却液工作池内，所述循环冷却水管的进、出水管穿过所述冷却液工作池并置于所述真空手套箱外；

所述冷却液输送管上设有调节冷却液流量的控制阀，通过所述控制阀控制冷却液的液面上升速率与激光3D成形金属构件的堆积速率相等；

所述冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度。

2.一种利用权利要求1所述的冷却系统进行激光3D打印成形非晶态金属构件冷却方法，其特征在于：在打印的过程中，所述激光3D打印成形的金属构件始终浸泡于冷却液中，所述冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度，所述冷却液的液面上升速率与激光3D成形金属构件的堆积速率相等。

3.根据权利要求2所述的激光3D打印成形非晶态金属构件冷却方法，其特征在于：所述冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度是指该高度小于冷却液通过表面张力的最大传输距离。

说明书

激光3D打印成形非晶态金属构件冷却系统及其冷却方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光3D打印领域，具体地说是一种实现采用激光3D打印技术制备非晶态金属构件的冷却系统及其冷却方法。

背景技术

[0002] 非晶态金属集众多优异性能于一身，如高强度、高硬度、耐磨以及耐腐蚀等。这些优异的性能使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、能源、电子、生物医学等领域都存在广泛的应用前景。然而，目前通常采用的铜模铸造法制备出的非晶态金属的尺寸仅为厘米级，严重地制约其工程化应用。另外，由于非晶态金属存在严重的室温脆性问题，其在室温下难以进行机械加工，所以难以获得精密复杂的非晶态金属构件。因此，颠覆传统以铸造为主的制造工艺，从而无尺寸限制地制备具有复杂形状的非晶态金属构件，是突破非晶态金属工程化应用瓶颈的关键。

[0003] 激光3D打印技术属于快速成形技术的一种，与传统的切削等机械加工技术不同，该技术是一种以数字模型文件为基础的先进制造技术，其具有选材范围广、材料利用率高、低成本、精度高、周期短等优势。由于激光3D打印技术是一种逐点离散熔覆沉积的成型方法，其每点所受激光加热面积较小，熔池的热量可以迅速向基体扩散；如果熔池的冷却速率高于所打印金属材料形成非晶态所需的临界冷却速率，则熔体在冷凝的过程中不发生晶化，即获得非晶态；逐层沉积则可制备具有复杂形状、无尺寸限制的非晶态金属构件。

[0004] 在利用激光3D打印技术成形金属构件的过程中，熔池附近的热量主要通过所制备的金属构件基体向外传导，激光熔池的冷却速率主要取决于金属构件基体内部的温度梯度。对于成型需要较高冷却速率的非晶态金属构件，较低的基体温度梯度会使熔池的热量无法快速扩散出去，导致熔池在冷凝的过程中发生晶化，从而无法获得全非晶态的金属构件，严重降低金属构件的性能。因此，如何提高熔池的冷却速率，是采用激光3D打印技术成形非晶态金属构件的关键。

发明内容

[0005] 根据上述提出的如何提高熔池的冷却速率的技术问题，而提供一种激光3D打印成形非晶态金属构件冷却系统及其冷却方法。本发明在真空操作环境中主要利用将工作台外侧设置冷却液工作池，保证所制备的金属构件始终处于较低温度，提高金属构件熔池附近的温度梯度，从而快速高效地扩散掉金属构件熔池附近热量，进而避免晶化的发生。

[0006] 本发明采用的技术手段如下：

[0007] 一种激光3D打印成形非晶态金属构件冷却系统，其特征在于：该系统包括设置在真空手套箱内的冷却液储存池和冷却液工作池，所述冷却液储存池通过冷却液输送管经冷却液泵Ⅰ与所述冷却液工作池相连通，所述冷却液工作池再通过冷却液回流管经冷却液泵Ⅱ与所述冷却液储存池相连通；

[0008] 工作台安装在所述冷却液工作池内，所述工作台外周环绕有多层循环冷却水管，所述循环冷却水管的主体置于所述冷却液工作池内，所述循环冷却水管的进、出水管穿过所述冷却液工作池并置于所述真空手套箱外。

[0009] 进一步地，所述冷却液输送管上设有调节冷却液流量的控制阀，通过所述控制阀控制冷却液的液面上升速率与激光3D成形金属构件的堆积速率相等。

[0010] 进一步地，所述冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度。

[0011] 本发明还公开了一种激光3D打印成形非晶态金属构件冷却方法，其特征在于：在打印的过程中，所述激光3D打印成形的金属构件始终浸泡于冷却液中，所述冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度，所述冷却液的液面上升速率与激光3D成形金属构件的堆积速率相等。从而保证激光熔池的热量可以高效快速地通过金属构件基体和冷却液输送掉。

[0012] 进一步地，所述冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度是指该高度小于冷却液通过表面张力的最大传输距离。

[0013] 较现有技术相比，本发明的金属构件在工作台上制备，工作台安装在冷却液工作池内，通过调节冷却液流量控制阀，控制冷却液液面上升速度，使冷却液液面始终低于激光打印层面一定距离，保证金属构件熔池的热量可以快速地经金属构件基体流向冷却液；循环冷却水管环绕工作台多层并置于冷却液工作池内，可以及时带走冷却液热量，降低冷却液温度。本发明可以保证制备的金属构件始终处于规定温度内，从而快速高效地扩散掉金属构件熔池热量，避免熔体在冷凝的过程中发生晶化，从而获得全非晶态的金属构件。

[0014] 基于上述理由本发明可在激光3D打印领域广泛推广。

附图说明

[0015] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0016] 图1是本发明的结构示意图。

[0017] 图中：1、真空手套箱 2、激光器 3、激光束 4、工作台 5、冷却液储存池 6、冷却液工作池 7、冷却液输送管 8、冷却液回流管 9、冷却液泵Ⅰ/冷却液泵Ⅱ 10、控制阀 11、循环冷却水管。

具体实施方式

[0018] 如图1所示，一种激光3D打印成形非晶态金属构件冷却系统，该系统包括设置在真空手套箱1内的冷却液储存池5和冷却液工作池6。

[0019] 所述冷却液储存池5通过冷却液输送管7经冷却液泵Ⅰ9与所述冷却液工作池6相连通，所述冷却液输送管7上设有调节冷却液流量的控制阀10，冷却液由冷却液泵Ⅰ9带动从冷却液储存池5向冷却液工作池6流动，流量由流量控制阀10调节；

[0020] 所述冷却液工作池6再通过冷却液回流管8经冷却液泵Ⅱ9与所述冷却液储存池5相连通，冷却液由冷却液泵Ⅱ9带动从冷却液工作池6向冷却液储存池5流动；

[0021] 工作台4安装在所述冷却液工作池6内，所述工作台4外周环绕有多层循环冷却水管11，所述循环冷却水管11的主体置于所述冷却液工作池6内，所述循环冷却水管11的进、出水管穿过所述冷却液工作池6并置于所述真空手套箱1外。

[0022] 在工作时，激光器2的激光束3在工作台4上进行打印工作，冷却系统通过所述控制阀10控制冷却液的液面上升速率与激光3D成形金属构件的堆积速率相等，使得所述冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度，即所述预设的高度是指该高度小于冷却液通过表面张力的最大传输距离，保证金属构件熔池热量可以快速地经金属基体流向冷却液。待金属构件制备完毕，冷却液被冷却液泵Ⅱ9带动，经冷却液回流管8重新输送回冷却液储存池5，以备下次循环使用。

[0023] 本发明的冷却方法是保证在打印的过程中，所述激光3D打印成形的金属构件始终浸泡于冷却液中，所述冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度，所述冷却液的液面上升速率与激光3D成形金属构件的堆积速率相等。

[0024] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。