利索能及
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专利号: 2024109485459
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种异质金属熔丝增材多能场原位微铸轧复合方法,其特征在于,其包括以下步骤:

S1、铸轧前准备工作:将增材制造系统和微铸轧系统分别设置在工作台的两侧;

S2、界面温度梯度调控:启动增材制造系统的控温模块对固态金属进行预热,同时通过控温模块内部的非接触式红外测温传感器实时监测固态金属的预热温度,配合热源的输入能量实现固‑液界面温度梯度控制;

S3、异质熔丝增材制造:固态金属预热到设定温度T1后,增材制造系统中的第一工业机器人带动多丝材送丝模块根据目标组元性能独立或同步输送同质或异质丝材,固态覆层金属丝材在热源作用下熔化为液态覆层金属液滴,熔覆在固态金属表面形成稳定熔池区域,通过调整多种丝材的输送速度实现异质金属界面连接过程的目标梯度混熔;

S4、原位微铸轧复合阶段:稳定熔池区域内液态金属与固态金属处于固‑液界面时,从进口管接头通入冷却介质,微铸轧系统中的第二工业机器人带动微铸轧辊组件进行原位固‑液微铸轧复合,微铸轧辊套的第一边部整形段和第二边部整形段对稳定熔池区域两侧产生向内的压力,中间构型段直接接触液态金属,对其进行原位固‑液微铸轧复合,经过快速冷却和轧制变形后,液态金属凝固成为固态金属,并且中间构型段的空间构型产出局部强应力,改变组元金属应力应变状态,提升复合界面应力应变强度,实现同质或异质组元之间空间界面高强冶金结合并且获得具有表面微构型的熔覆金属;

S5、连续稳定近终成形:完成步骤S1‑S4后,固态金属上方完成第一层熔覆,增材制造系统按照预设路径在已凝固的第一层熔覆金属上方继续增材制造,非接触式红外测温传感器检测第一层熔覆金属的实时温度T2;

若T2<T1,控温模块对第一层熔覆金属进行预热,直至T2=T1后,重复步骤S3‑S4进行增材制造和微铸轧复合;

若T2>T1,控温模块对第一层熔覆金属进行冷却,直至T2=T1后,重复步骤S3‑S4进行增材制造和微铸轧复合;

S6、重复步骤S5,继续在预设路径上熔覆,经过多道次逐层堆积形成三维实体,上一道次获得的熔覆金属的表面微构型能够改善当前道次液态金属的浸润性,使得固‑液界面形成更好接触,通过增材制造和微铸轧复合实现连续稳定近终成形;

微铸轧辊套包括沿微铸轧辊套的轴线方向依次设置的第一边部整形段、中间构型段和第二边部整形段,第一边部整形段和第二边部整形段的直径均大于中间构型段的直径,第一边部整形段和第二边部整形段的结构相同且两端均设置有锥度;

中间构型段的外表面具有空间构型,空间构型的曲线为平滑、正弦、余弦、圆弧、三角形、波纹或者样条曲线中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的异质金属熔丝增材多能场原位微铸轧复合方法,其特征在于,在步骤S3热源熔化固态覆层金属丝材成为液态覆层金属液滴的过程中,液态覆层金属液滴受到重力作用将做下落运动,通过施加外加磁场,液态覆层金属液滴在磁场中下落运动过程受到洛伦兹力影响产生运动轨迹偏转,通过改变磁场方向和场强,使液态覆层金属液滴朝向微铸轧辊组件运动,直接进入原位固‑液微铸轧区内的稳定熔池区域,提高稳定熔池区域内部凝固点附近液态覆层金属流动性,液态覆层金属经快速冷却与轧制变形后成为固态覆层金属,实现原位固‑液微铸轧复合。

3.根据权利要求2所述的异质金属熔丝增材多能场原位微铸轧复合方法,其特征在于,在步骤S4中,通过振动场辅助单元带动微铸轧辊组件以高频率进行振动,在原位固‑液微铸轧复合过程中将振动能场直接传递至原位固‑液微铸轧区内部的凝固点附近,破碎液态覆层金属的凝固枝晶,细化固态覆层金属的晶粒尺寸,改善组元金属性能,提高复合界面结合强度。

4.根据权利要求2所述的异质金属熔丝增材多能场原位微铸轧复合方法,其特征在于,在步骤S4中,将微铸轧辊组件和固态金属分别连通脉冲电源正极和负极形成闭合回路,施加脉冲电场后脉冲电流直接作用于原位固‑液微铸轧区内部的凝固点附近,改善凝固前沿枝晶生长状态细化晶粒尺寸,改变液态覆层金属的表面张力和浸润性,提高固态覆层金属的组织性能,促进复合界面原子扩散形成高强冶金结合。

5.一种用于权利要求1‑4任一项所述的异质金属熔丝增材多能场原位微铸轧复合方法的异质金属熔丝增材多能场原位微铸轧复合设备,其特征在于,其包括工作台、增材制造系统和微铸轧系统,增材制造系统和微铸轧系统分别设置在工作台的两侧;

增材制造系统包括第一工业机器人、热源、多丝材送丝模块、控温模块和调整装置,调整装置设置在第一工业机器人末端,热源设置在调整装置第一端,多丝材送丝模块与调整装置第二端连接,控温模块安装在多丝材送丝模块一侧;

微铸轧系统包括微铸轧辊组件、第二工业机器人和连接调整装置,连接调整装置设置在第二工业机器人末端,微铸轧辊组件安装在连接调整装置前端;

微铸轧辊组件包括进口管接头、进口套、轴承、微铸轧辊轴、轴承座、微铸轧辊套、出口套和出口管接头,进口管接头与进口套螺纹连接,进口套与微铸轧辊轴第一端连接,轴承安装在轴承座第一端,轴承座第二端与连接调整装置连接,微铸轧辊轴两端穿过轴承内圈,微铸轧辊套套设在微铸轧辊轴中间位置,出口套与微铸轧辊轴第二端连接,出口管接头与出口套螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的异质金属熔丝增材多能场原位微铸轧复合设备,其特征在于,还包括能场辅助系统,能场辅助系统包括电磁场辅助单元、振动场辅助单元和脉冲电场辅助单元中的一种或多种,电磁场辅助单元设置于热源与多丝材送丝模块附近,液态覆层金属在电磁场中运动受到洛伦兹力从而能够改变运动轨迹;振动场辅助单元设置于微铸轧系统的第二工业机器人与连接调整装置之间,能够带动微铸轧辊组件产生高频振动;脉冲电场辅助单元通过脉冲电源正极和脉冲电源负极分别与微铸轧辊组件和固态金属连通形成闭合回路,脉冲电场直接作用于原位固‑液铸轧区凝固点。

7.根据权利要求5所述的异质金属熔丝增材多能场原位微铸轧复合设备,其特征在于,多丝材送丝模块上方设有多个进丝口用于输送同质或者异质材料的供丝,能够以不同的速度单独或同步进行供丝,控温模块能够进行预热和冷却,控温模块内部安装有非接触式红外测温传感器。

8.根据权利要求5所述的异质金属熔丝增材多能场原位微铸轧复合设备,其特征在于,微铸轧辊轴包括沿微铸轧辊轴的轴线方向依次设置的辊轴进口段、辊轴循环作用段和辊轴出口段,辊轴进口段中间设有进口孔,辊轴出口段设有出口环槽,辊轴循环作用段绕微铸轧辊轴的轴向中心线分别设有多个输入通孔和回流通孔,输入通孔仅与进口孔连通,回流通孔仅与出口环槽连通,输入通孔与回流通孔沿着辊轴循环作用段的周向依次交替均匀设置。