一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法和装置

摘要

本发明提供了一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法和装置，在熔化增材制造过程中，对熔覆层成形坯料采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的方法进行成形。本发明提出随形约束辊轧增材制造的方法和装置，对在熔化增材过程的半固态坯料，采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的新工艺方法。采用此项技术可在成形过程中产生连续的辊轧作用，可以有效地轧碎支晶，增加形核，大幅降低增材制造构件的柱状晶/树枝晶倾向，侧面约束有效地提高了成形精度和材料的利用率，此项技术的实施，可以实现对难成形材料较复杂零件的性能稳定增材制造，适合在大中型航空结构件的短流程、优质、高效、整体制造中应用。

权利要求

1.一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法，其特征在于，在熔化增材制造过程中，对熔覆层成形坯料采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的方法进行成形，随性约束使用的约束板对称设置在成形坯料的两侧，同步辊轧用的三级轧辊设置在两侧约束板之间，成形过程中约束板和轧辊随增材制造运动同步前进，通过侧边随性约束提高成形精度与材料利用率，通过同步辊轧轧碎柱状晶/树枝晶，增加形核率，提高结晶速率，细化晶粒。

2.如权利要求1所述的增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法，其特征在于，约束板以及轧辊的材料熔点高于成形坯料的熔点至少600℃，且需满足其辊轧的强度和刚性要求。

3.如权利要求2所述的增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法，其特征在于，所述约束板的两侧下端面与成形坯料的顶面平齐，高度为熔覆层成形坯料厚度的1-1.6倍，在成形过程中分别对两侧的约束板按相向的方向等值施力。

4.如权利要求1-3中任一项所述的增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法，其特征在于，所述轧辊与两侧约束板之间保留间隙形成溢料区，在成形过程中轧辊与熔覆层成形坯料紧密贴合滚动施压，其中，轧辊的下压力和滚动速度根据成形坯料的材料确定。

5.如权利要求4所述的增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法，其特征在于，所述轧辊包括第一级轧辊，第二级轧辊和第三级轧辊，第一级轧辊用来辊轧液态-半固态坯料，第二级轧辊用来辊轧半固态坯料，第三级轧辊用来轧平溢料区。

6.一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置，其特征在于，包括：

约束板，所述约束板包括左侧约束板和右侧约束板，所述左侧约束板和右侧约束板对称设置在成形坯料的两侧，且其下端面与成形坯料的上表面平齐；

轧辊，所述轧辊设置在所述左侧约束板和右侧约束板之间，其两侧端面与对应侧约束板之间留有间隙为溢料区，在成形过程中轧辊与熔覆层成形坯料紧密贴合滚动施压；

热源，所述热源设置在熔覆层成形坯料的上方；

基板，所属基板设置在成形坯料下侧，与成形坯料的底面相连。

7.如权利要求6所述的增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置，其特征在于，所述约束板与成形坯料接触位置具有滚轮，所述滚轮前沿与约束板前沿之间的距离为滚轮直径的

0.2-0.5倍，所述滚轮数量为2个或2个以上，相邻两个滚轮之间的距离为滚轮直径的1.5-5倍，滚轮的高度为对应约束板高度的1-1.2倍。

8.如权利要求6所述的增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置，其特征在于，所述轧辊包括第一级轧辊，第二级轧辊和第三级轧辊，所述第一级轧辊和第二级轧辊之间的距离等于所述第二级轧辊和第三级轧辊之间的距离。

9.如权利要求6所述的增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置，其特征在于，所述约束板和轧辊的材料的熔点高于成形坯料的熔点至少600℃。

10.如权利要求6-9中任一项所述的增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置，其特征在于，所述约束板的前后两端安装有导向单元，所述导向单元包括安装在左侧约束板前后两端的左侧约束板导向单元和安装在右侧约束板前后两端的右侧约束板导向单元。

说明书

一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法和装置。

背景技术

[0002] 增材制造的设计与制造理念越来越向重量轻、寿命高、成本低的趋势发展。传统的零部件生产制造，主要依赖于传统的铸造、锻造、焊接的方法来完成，这就使得产品出现减重难、周期长、成本高等与设计理念及成本预算相悖的矛盾，因此亟需要开发研究考虑到重量、寿命、成本、周期、材料、工艺等多约束的合金高效的设计与制造方法及其装备制造技术。目前的等离子弧/电弧熔丝增材制造、电子束熔丝增材制造因生产效率高，而可以实现较大构件的一体化多批次、小批量的高效率制造，但其成形过程中的晶粒粗大、各向异性明显等不足，均是其科研院所及其高校研究的重点，基于目前主要采用的方法有：超声搅拌熔池法、磁电协同控制来搅拌熔池、微铸锻晶粒细化法等，虽然以上细化晶粒的方法均取得了一定的效果，但是任然存在效率低，以及成形精度低等问题，因此需要创新更有效的方法来细化晶粒。

[0003] 现有熔化增材制造技术主要依靠热源熔化金属并直接制造，其制件组织一般都为铸态柱状晶/树枝晶或枝晶与等轴晶混合组织，呈现明显的方向性和各向异性。从晶粒度上说，这些问题是缺乏晶粒细化环节，以及移动传热传质条件下无约束自由微铸造熔积成形所固有的热力学、动力学、几何学特点所决定的，仅靠改变材料成分和工艺参数等途径尚难以根本解决。现有技术均是正面单辊轧制或者是正面锤锻，在制造过程中会产生毛皮开裂、制造精度不高、轧制不均匀等工艺问题。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种将熔化增材制造过程侧面约束与同步辊轧同步复合进行的方法和装置。本发明针对增材制造过程中的熔覆层坯料，采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的方法，可以提高成形精度与材料利用率，提高结晶速率，细化晶粒。

[0005] 本发明提供了一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法，在熔化增材制造过程中，对熔覆层成形坯料采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的方法进行成形，通过侧边随性约束提高成形精度与材料利用率，通过同步辊轧轧碎柱状晶/树枝晶，增加形核率，提高结晶速率，细化晶粒。

[0006] 进一步地，侧边随性约束中使用的约束板以及同步辊轧中使用的轧辊的材料熔点高于成形坯料的熔点至少600℃，且需满足其辊轧的强度和刚性要求，成形过程中约束板和轧辊随增材制造运动同步前进。

[0007] 进一步地，所述约束板对称设置在成形坯料的两侧，其下端面与成形坯料的顶面平齐，高度为熔覆层成形坯料厚度的1-1.6倍，在成形过程中分别对两侧的约束板按相向的方向等值施力。

[0008] 进一步地，所述轧辊设置在两侧约束板之间，且与约束板之间保留间隙形成溢料区，在成形过程中轧辊与熔覆层成形坯料紧密贴合滚动施压，其中，轧辊的下压力和滚动速度根据成形坯料的材料确定。

[0009] 进一步地，所述轧辊包括第一级轧辊，第二级轧辊和第三级轧辊，第一级轧辊用来辊轧液态-半固态坯料，第二级轧辊用来辊轧半固态坯料，第三级轧辊用来轧平溢料区。

[0010] 本发明提出随形约束辊轧增材制造的方法，对在熔化增材过程的半固态坯料，采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的新工艺方法。采用此项技术可在成形过程中产生连续的辊轧作用，可以有效地轧碎支晶，增加形核，大幅降低增材制造构件的柱状晶/树枝晶倾向，侧面约束有效地提高了成形精度和材料的利用率，此项技术的实施，可以实现对难成形材料较复杂零件的性能稳定增材制造，适合在大中型航空结构件的短流程、优质、高效、整体制造中应用。

[0011] 本发明还提供了一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置包括：约束板，所述约束板包括左侧约束板和右侧约束板，所述左侧约束板和右侧约束板对称设置在成形坯料的两侧，且其下端面与成形坯料的上表面平齐；轧辊，所述轧辊设置在所述左侧约束板和右侧约束板之间，其两侧端面与对应侧约束板之间留有间隙为溢料区，在成形过程中轧辊与熔覆层成形坯料紧密贴合滚动施压；热源，所述热源设置在熔覆层成形坯料的上方；基板，所属基板设置在成形坯料下侧，与成形坯料的底面相连。

[0012] 进一步地，所述约束板与成形坯料接触位置具有滚轮，所述滚轮前沿与约束板前沿之间的距离为滚轮直径的0.2-0.5倍，所述滚轮数量为2个或2个以上，相邻两个滚轮之间的距离为滚轮直径的1.5-5倍，滚轮的高度为对应约束板高度的1-1.2倍。

[0013] 进一步地，所述轧辊包括第一级轧辊，第二级轧辊和第三级轧辊，所述第一级轧辊和第二级轧辊之间的距离等于所述第二级轧辊和第三级轧辊之间的距离。

[0014] 进一步地，所述约束板和轧辊的材料的熔点高于成形坯料的熔点至少600℃。

[0015] 进一步地，所述约束板的前后两端安装有导向单元，所述导向单元包括安装在左侧约束板前后两端的左侧约束板导向单元和安装在右侧约束板前后两端的右侧约束板导向单元。

[0016] 本发明提出随形约束辊轧增材制造的装置，本装置对在熔化增材过程的半固态坯料，采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的新工艺方法进行成形。采用此项技术可在成形过程中产生连续的辊轧作用，可以有效地轧碎支晶，增加形核，大幅降低增材制造构件的柱状晶/树枝晶倾向，侧面约束有效地提高了成形精度和材料的利用率，此项技术的实施，可以实现对难成形材料较复杂零件的性能稳定增材制造，适合在大中型航空结构件的短流程、优质、高效、整体制造中应用。

[0017] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0018] 图1为本发明实施例的一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置的结构示意图；

[0019] 图2为本发明实施例的一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置的主视图；

[0020] 图3为本发明实施例的一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置的俯视图。

[0021] 附图中标记为：

[0022] 1 增材制造方向

[0023] 2 基板

[0024] 3 成形坯料

[0025] 4 左侧约束板

[0026] 5 左驱动滚轮

[0027] 6 第三级轧辊

[0028] 7 右驱动滚轮

[0029] 8 第三级轧辊转动方向

[0030] 9 第三级轧辊转动轴

[0031] 10 第二级轧辊

[0032] 11 第二级轧辊转动方向

[0033] 12 第二级轧辊转动轴

[0034] 13 第一级轧辊

[0035] 14 热源中心轴线

[0036] 15 第一级轧辊转动轴

[0037] 16 第一级轧辊转动方向

[0038] 17 右侧约束板

[0039] 18 热源

[0040] 19 左侧夹紧力

[0041] 20 右侧夹紧力

[0042] 21 第一层增材制造成形坯料

[0043] 22 第二层增材制造成形坯料

[0044] 23 第N层增材制造成形坯料

[0045] 32 左侧约束板导向单元

[0046] 36 相邻两个滚轮之间的距离

[0047] 37 滚轮前沿与约束板前沿之间的距离

[0048] 42 右侧约束板导向单元。

具体实施方式

[0049] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0050] 一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的方法，在熔化增材制造过程中，对熔覆层成形坯料采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的方法进行成形，通过侧边随性约束提高成形精度与材料利用率，通过同步辊轧轧碎柱状晶/树枝晶，增加形核率，提高结晶速率，细化晶粒。其中，侧边随性约束中使用的约束板以及同步辊轧中使用的轧辊的材料熔点高于成形坯料的熔点至少600℃，成形过程中约束板和轧辊随增材制造运动同步前进。优选地，所述轧辊包括第一级轧辊，第二级轧辊和第三级轧辊，第一级轧辊用来辊轧液态-半固态坯料，第二级轧辊用来辊轧半固态坯料，第三级轧辊用来轧平溢料区。

[0051] 在本发明实施例的一个方面，所述约束板对称设置在成形坯料的两侧，其下端面与成形坯料的顶面平齐，高度为熔覆层成形坯料厚度的1-1.6倍，在成形过程中分别对两侧的约束板按相向的方向等值施力。

[0052] 具体工作时，轧辊选用具备辊轧单层金属到达轧碎支晶的目的轧辊及其下压力来完成，左右约束板提供相向的夹紧力，约束板可以有效防止辊轧过程金属开裂，设置溢料区可以使得辊轧过程中多余的金属材料可以通过溢料区溢出，增加辊轧效率，连续成形-辊轧-成形-精准的成形毛坯件。最终到达到轧碎支晶，充分细化晶粒的目的。

[0053] 在本发明实施例的一个方面，所述轧辊设置在两侧约束板之间，且与约束板之间保留间隙形成溢料区，在成形过程中轧辊与熔覆层成形坯料紧密贴合滚动施压，其中，轧辊的下压力和滚动速度根据成形坯料的材料确定。

[0054] 本发明提出随形约束辊轧增材制造的方法，对在熔化增材过程的半固态坯料，采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的新工艺方法。采用此项技术可在成形过程中产生连续的辊轧作用，可以有效地轧碎支晶，增加形核，大幅降低增材制造构件的柱状晶/树枝晶倾向，侧面约束有效地提高了成形精度和材料的利用率，此项技术的实施，可以实现对难成形材料较复杂零件的性能稳定增材制造，适合在大中型航空结构件的短流程、优质、高效、整体制造中应用。

[0055] 本发明还提供了一种增材制造中随形约束辊轧细化晶粒的装置，如图1所示，包括：约束板，所述约束板包括左侧约束板4和右侧约束板17，所述左侧约束板4和右侧约束板17对称设置在成形坯料3的两侧，且其下端面与成形坯料3的上表面平齐；轧辊，所述轧辊设置在所述左侧约束板4和右侧约束板17之间，其两侧端面与对应侧约束板之间留有间隙为溢料区，在成形过程中轧辊与熔覆层成形坯料紧密贴合滚动施压；热源18，所述热源18设置在熔覆层成形坯料的上方；基板2，所属基板2设置在成形坯料3下侧，与成形坯料3的底面相连。优选地，所述约束板与成形坯料3接触位置具有滚轮，所述滚轮前沿与约束板前沿之间的距离37为滚轮直径的0.2-0.5倍，其直径为熔覆层成形坯料的厚度的1-3倍。 所述滚轮数量为2个或2个以上，相邻两个滚轮之间的距离36为滚轮直径的1.5-5倍，其中，左侧约束板4具有2个或2个以上左驱动滚轮5，右侧约束板17具有2个或2个以上右驱动滚轮7，滚轮的高度为对应约束板高度的1-1.2倍。所述约束板和轧辊的材料的熔点高于成形坯料的熔点至少600℃。

[0056] 在本发明实施例的一个方面，所述轧辊包括第一级轧辊13，第二级轧辊10和第三级轧辊6，所述第一级轧辊13和第二级轧辊10之间的距离等于所述第二级轧辊10和第三级轧辊6之间的距离。

[0057] 在本发明实施例的一个方面，如图3所示，所述约束板的前后两端安装有导向单元，所述导向单元包括安装在左侧约束板前后两端的左侧约束板导向单元32和安装在右侧约束板前后两端的右侧约束板导向单元42。

[0058] 具体工作过程中，热源18照射在熔覆层的增材材料的表面上，其可以是高能束，也可以是电弧，优选地，所述热源18的热源中心轴线15落在熔覆层的中心线上。成形过程中，在左侧约束板4上施加左侧夹紧力19，在右侧约束板17上施加右侧夹紧力20，同时驱动第一级轧辊13绕第一级轧辊转动轴15沿第一级轧辊转动方向16转动前进，第二级轧辊10绕第二级轧辊转动轴12沿第二级轧辊转动方向11转动前进，第三级轧辊6绕第三级轧辊转动轴9沿第三级轧辊转动方向8转动前进，其中前进方向为增材制造方向1。在成形同时还通过左侧约束板导向单元32和右侧约束板导向单元42校正左侧约束板和右侧约束板的位置，使它们位置相对应。如图2中示出了成形的结果，其中，第一层增材制造成形坯料21，第二层增材制造成形坯料22，直到第N层增材制造成形坯料23依次层叠，N为自然数。

[0059] 本发明提出随形约束辊轧增材制造的装置，本装置对在熔化增材过程的半固态坯料，采用侧边随性约束与同步辊轧复合制造的新工艺方法进行成形。采用此项技术可在成形过程中产生连续的辊轧作用，可以有效地轧碎支晶，增加形核，大幅降低增材制造构件的柱状晶/树枝晶倾向，侧面约束有效地提高了成形精度和材料的利用率，此项技术的实施，可以实现对难成形材料较复杂零件的性能稳定增材制造，适合在大中型航空结构件的短流程、优质、高效、整体制造中应用。

[0060] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。