CN114226756A - 增材制造装置及增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种增材制造装置及增材制造方法，涉及冶金的技术领域。本申请的增材制造装置包括喷射模块、结晶模块和牵引模块，喷射模块包括第一腔室，第一腔室上设有至少一个喷嘴；结晶模块包括第二腔室，第二腔室具有第二进料口；牵引模块包括引锭头，引锭头被配置为能在第二腔室内移动；其中，喷嘴穿过第二进料口伸入第二腔室内，且喷嘴的喷射方向朝向引锭头。故本申请能够采用增材制造的方式进行金属铸造，改善铸锭的质量。

Description

增材制造装置及增材制造方法

技术领域

本申请涉及冶金的技术领域，具体而言，涉及一种增材制造装置及增材制造方法。

背景技术

现有技术中，半连续铸造是工业上常规采用的大尺寸铝合金锭的制造方法，主要包括两种方式：一种是热顶铸造，另一种是直接激冷铸造。热顶铸造的优点是浇铸过程液面平稳，但在铸锭中心产生较深的液穴，凝固组织中含有大面积柱状晶区，从铸锭中心到边部宏观偏析严重，且有较高的内应力残留，铸锭易开裂，成材率低，不适用于高合金含量铝合金铸锭的生产。直接激冷铸造的优点是可很大程度上减少铸锭中心处液穴的深度，进而减轻铸锭的宏观偏析和内应力；但是在浇铸过程中液面不平稳，容易卷渣，柱状晶区也难以避免。因此，应用常规工艺制备均质性好的大尺寸铸锭极为困难。

发明内容

本申请的目的是提供一种增材制造装置及增材制造方法，其能够采用增材制造的方式进行金属铸造。

本申请的实施例是这样实现的：

一种增材制造装置，包括喷射模块、结晶模块和牵引模块，所述喷射模块包括第一腔室，所述第一腔室上设有至少一个喷嘴；所述结晶模块包括第二腔室，所述第二腔室具有第二进料口；所述牵引模块包括引锭头，所述引锭头被配置为能在所述第二腔室内移动；其中，所述喷嘴穿过所述第二进料口伸入所述第二腔室内，且所述喷嘴的喷射方向朝向所述引锭头。

于一实施例中，所述喷射模块还包括支撑板、塞杆和塞杆移动机构，所述第一腔室固定在所述支撑板上；所述塞杆设于所述第一腔室内；所述塞杆移动机构与所述塞杆传动连接，用于驱动所述塞杆移动；当所述塞杆处于第一预设位置，所述喷嘴被所述塞杆封闭。

于一实施例中，所述喷射模块还包括第一进料口、供液机构和第一液位检测元件，所述第一进料口设于所述第一腔室，所述第一进料口上连接有阀门；所述供液机构与所述第一进料口相连，用于供液；所述第一液位检测元件设于所述第一腔室。

于一实施例中，所述喷射模块还包括通气孔、调压元件和气压检测元件，所述通气孔设于所述第一腔室；所述调压元件连接于所述通气孔；所述气压检测元件设于所述第一腔室。

于一实施例中，所述喷射模块还包括至少一个第一加热器和至少一个第一温度检测元件，所述第一加热器设于所述第一腔室；所述第一温度检测元件设于所述第一腔室。

于一实施例中，所述喷嘴设有多个，且多个所述喷嘴成阵列式分布。

于一实施例中，所述增材制造装置还包括冷却模块，所述冷却模块与所述第一冷却器和所述第二冷却器相连，用于驱动所述第一冷却器和所述第二冷却器。

于一实施例中，所述结晶模块还包括第二冷却器、绝热层、至少一个第二加热器和至少一个第二温度检测元件，所述第二加热器设于所述第二腔室，且靠近所述第二进料口设置；所述第二冷却器设于所述第二腔室，且与所述第二加热器间隔设置；所述绝热层包括包裹在第二腔室外的第一层和设于所述第二加热器和第二冷却器之间的第二层；所述第二温度检测元件设于所述第二腔室。

于一实施例中，所述牵引模块还包括引锭头移动机构和第一冷却器，所述引锭头移动机构与所述引锭头传动连接，用于驱动所述引锭头沿预设路线移动；所述第一冷却器设于所述第二腔室外，且位于所述预设路线上。

于一实施例中，所述第二腔室为环状结构，还具有第二出料口，当所述引锭头在所述预设路线上移动时，所述引锭头可以穿过所述第二出料口移动至所述第二腔室外。

于一实施例中，所述增材制造装置还包括主控模块，所述主控模块与所述喷射模块、所述结晶模块和所述牵引模块电性连接，用于控制。

一种增材制造方法，包括：

将初始材料通入第一腔室内，并令所述第一腔室处于第一预设环境内；

开启所述第一腔室的喷嘴，令初始材料从所述喷嘴通入第二腔室内，所述初始材料在所述第二腔室内的引锭头上累积形成第一液体层，且令所述喷嘴伸入所述第一液体层；

当所述喷嘴没入所述第一液体层达到预设深度，关闭所述喷嘴，并令部分或者全部的所述第一液体层凝固形成固相；

当所述固相的在所述第二腔室内的高度达到预设高度，令所述引锭头向预设方向移动，且在移动过程中，所述固相在所述第二腔室内的高度在第一预设范围内；

控制所述喷嘴的开启或者关闭，令所述初始材料通过所述喷嘴按预设时间间隔通入第二腔室内，令所述固相上方第二液体层的厚度在第二预设范围内。

其中，所述初始材料在所述固相上方累积连同未凝固的所述第一液体层形成所述第二液体层。

本申请与现有技术相比的有益效果是：

本申请能够采用增材制造的方式进行金属铸造，改变了金属液大体积凝固的铸造模式，通过微元区域的连续熔融和叠加制备大尺寸铸锭，避免了液穴形成，同时冷却速度的提升有利于形成全等轴晶组织。

再者，本申请通过令喷嘴伸入第二腔室内，改变了喷射方式，使得金属液喷射方式采用浸入式，喷嘴浸入到金属液液面之下，减少了金属液的氧化风险，提升了金属液注入的稳定性，从而可以改善铸锭质量，而且可以令铸锭边部和心部的导热差异性较小，减小液穴现象的产生率，从而制备铸锭的组织均匀性和成分均匀性较好，减小铸锭内应力，降低铸锭的开裂率、缺陷率，提高产品的质量和成材率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例示出的增材制造装置的结构示意图。

图2为本申请一实施例示出的增材制造装置的部分结构示意图。

图3为本申请一实施例示出的增材制造装置的部分结构示意图。

图4为本申请一实施例示出的增材制造装置的结构示意图。

图5为本申请一实施例示出的增材制造装置的结构示意图。

图6为本申请一实施例示出的增材制造装置的结构示意图。

图7为本申请一实施例示出的增材制造装置的结构示意图。

图8为本申请一实施例示出的增材制造装置的结构示意图。

图9为本申请一实施例示出的增材制造方法的流程示意图。

图10为本申请一实施例提供的铸锭金相组织图。

图标：1-增材制造装置；100-喷射模块；110-第一腔室；111-第一进料口；112-通气孔；113-喷嘴；120-支撑板；130-塞杆；131-塞杆移动机构；140-供液机构；141-阀门；150-第一液位检测元件；160-调压元件；170-气压检测元件；180-第一加热器；190-第一温度检测元件；200-结晶模块；210-第二腔室；211-第二进料口；212-第二出料口；220-第二加热器；230-第二冷却器；240-绝热层；241-第一层；242-第二层；250-第二温度检测元件；290-冷却模块；300-牵引模块；310-引锭头；320-引锭头移动机构；330-第一冷却器；340-预设路线；400-主控模块；410-人机交互界面；420-处理器；430-控制器；500-分流盘；610-金属液；620-第一液体层；630-固相；640-液固界面；650-水冷线；660-第二液体层。

具体实施方式

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1，其为本申请一实施例示出的增材制造装置1的结构示意图。一种增材制造装置1包括喷射模块100、结晶模块200和牵引模块300，喷射模块100用于向结晶模块200喷射熔化好的金属液，结晶模块200可以是结晶器，用于将金属液610冷却凝固，牵引模块300用于将结晶模块200内初凝的带液芯的铸坯连续拉出。

本实施例的增材制造装置1可以用于金属铸造，即纯金属的铸造以及铝合金等合金材料的铸造，金属材料可以是纯铝及铝合金、钢铁材料、纯铜及铜合金、纯锌及锌合金、镁合金、纯钛及钛合金；也可以用于运用粉末状金属或塑料等可粘合材料的3D打印，3D打印的材料可以是尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类等材料。本实施例中，喷射模块100位于结晶模块200的上方。增材制造装置1可以用于制造各种尺寸的方锭、扁锭及圆铸锭。

喷射模块100包括第一腔室110、支撑板120、塞杆130和塞杆移动机构131，第一腔室110通过螺栓连接、焊接、卡接等方式固定在支撑板120上，令第一腔室110保持固定不动。

第一腔室110的侧壁上设有第一进料口111，第一进料口111上连接有供液机构140，供液机构140可以是储液箱和泵等组件，用于将熔化好的金属液通过第一进料口111充入第一腔室110。第一进料口111上连接有阀门141，阀门141可以是电磁阀、气动调节阀或者自力式压力调节阀等，用于控制第一进料口111的开启或关闭，从而控制供液流程。于一其他的实施例中，第一进料口111内通入的为固态金属，在第一腔室110内通过加热元件进行熔化形成金属液。

喷射模块100还包括第一液位检测元件150，第一液位检测元件150设于第一腔室110，用于检测第一腔室110内金属液的液位。

第一腔室110的底部设有至少一个喷嘴113，喷嘴113用于将第一腔室110内的金属液通入第二腔室210内。塞杆130设于第一腔室110内；塞杆移动机构131与塞杆130传动连接，用于驱动塞杆130移动。塞杆移动机构131可以是电机、电机丝杠、气缸、液压缸等部件。

本实施例中，塞杆130为上下直线运动，当塞杆130向下运动，塞杆130可以到达第一预设位置(如图1所示)，使喷嘴113被塞杆130封闭；当塞杆130向上移动，塞杆130离开喷嘴113，塞杆130可以到达第二预设位置(如图4所示)，使喷嘴113被打开。塞杆130的纵向截面为T形，塞杆130底部形状与第一腔室110的底面形状相似，用于一次性封闭多个喷嘴113。

喷射模块100还包括通气孔112和调压元件160，通气孔112设于第一腔室110，用于检测第一腔室110内材料的温度；调压元件160连接于通气孔112，调压元件160为储气盒和气泵等充气组件，调压元件160通过向第一腔室110内充入适量氮气或者氩气等惰性气体，调控第一腔室110的气压。

喷射模块100还包括气压检测元件170，气压检测元件170为气压计或者气压传感器，设于第一腔室110，用于检测第一腔室110内的气压。

喷射模块100还包括至少一个第一加热器180，第一加热器180设于第一腔室110，用于加热第一腔室110内的材料。第一加热器180可以是电热片、加热管等元件，第一加热器180设有多个，均匀地直接固定在第一腔室110的各个外表面上。

喷射模块100还包括第一温度检测元件190，第一温度检测元件190设于第一腔室110，用于检测第一腔室110内材料的温度，或者检测第一腔室110的环境温度。第一温度检测元件190可以是温度传感器或者热电偶，可以设有一个或者多个。

结晶模块200包括第二腔室210，第二腔室210为环状结构，第二腔室210具有同轴设置的第二进料口211和第二出料口212，且第二进料口211与第二出料口212的大小形状相等。本实施例中，第二腔室210的内孔为圆柱形，即第二腔室210的横向截面中内孔为圆形。于一其他的实施例中，根据所制备的铸锭截面形状，第二腔室210的横向截面中内孔形状可以是矩形、方形、三角形或者其他多边形。第二进料口211大于或者小于第二出料口212。

牵引模块300包括引锭头移动机构320和引锭头310，引锭头移动机构320与引锭头310传动连接，用于驱动引锭头310沿预设路线340移动。引锭头移动机构320可以是电机、电机丝杠、气缸、液压缸等部件。

引锭头310的纵向截面为T形，引锭头310顶部形状、大小与第二腔室210的内孔大小和形状相等，使得引锭头310可以封闭第二出料口212，防止金属液漏出。当引锭头310在预设路线340上移动时，引锭头310可以穿过第二出料口212移动至第二腔室210外，也可以在在第二腔室210内沿着第二腔室210的内壁上下移动。

其中，喷嘴113穿过第二进料口211伸入第二腔室210内，且喷嘴113的喷射方向朝向引锭头310。

牵引模块300还包括第一冷却器330，第一冷却器330设于第二腔室210外，且位于预设路线340上，用于冷却引锭头310上且位于第二腔室210外的待处理材料。

结晶模块200还包括第二冷却器230和第二温度检测元件250，第二冷却器230设于第二腔室210，用于冷却引锭头310上且位于第二腔室210内的待处理材料；第二温度检测元件250设于第二腔室210，用于检测第二腔室210的环境温度，或者第二腔室210内材料的温度。

于一操作过程中，对第一腔室110进行预热、调压等初步处理，且先令喷嘴113关闭，引锭头310位于第二腔室210内。待处理的初始材料从第一进料口111进入第一腔室110中；打开喷嘴113，初始材料通过喷嘴113进入第二腔室210，初始材料在引锭头310上累积形成第一液体层620，且由于喷嘴113伸入第二腔室210内，喷嘴113没入在第一液体层620中；接着关闭喷嘴113，并通过第一冷却器330令部分或者全部的第一液体层620凝固形成固相630；接着移动引锭头310，使铸胚缓慢匀速下移，同时间隔性的打开喷嘴113，使金属液610通过喷嘴113以脉冲式供液的方式以间隔性的注入第二腔室210；当引锭头310沿预设路线340移动到第二冷却器230所在的位置，通过第二冷却器230冷却引锭头310的铸胚；最后铸胚达到制备要求尺寸后，关闭第一进料口111，第一腔室110不再充入初始材料，待第一腔室110中的初始材料消耗完毕，且第二腔室210中的金属液610完全凝固后，通过引锭头310取出铸锭，关闭增材制造装置1，整个制备过程结束。

本实施例能够采用增材制造的方式进行金属铸造，改变了金属液610大体积凝固的铸造模式，通过微元区域的连续熔融和叠加制备大尺寸铸锭，避免了液穴形成，同时冷却速度的提升有利于形成全等轴晶组织。

一般注入结晶模块200的合金熔体从结晶模块200边部开始，先形成凝固壳，然后随着引锭头310的下拉(冷却持续进行)而从边部逐步向心部凝固。因此，形成稳态凝固后，液固界面640无法保持平面状态，而是成为一个下凹的曲面。结晶模块200内会形成一个较大的熔体池(液穴)。造成液穴的根本原因是铸锭边部和心部的导热存在较大差异，这一现象是造成铸锭组织不均匀(边部和心部晶粒尺寸差异)和成分不均匀(边部和心部区域成分差异)的主要原因；同时也带来较大的内应力，易造成铸锭开裂，降低产品的质量和成材率。液固界面640的下凹程度与铸锭的尺寸有密切关联。当铸锭尺寸较小时，边部导热和心部导热差异较小，液固界面640相对平直，制备铸锭的组织均匀性和成分均匀性较好，液穴现象带来的危害性不明显；当铸锭尺寸较大时，边部导热和心部导热的差异明显增加，液固界面640曲率增大，制备铸锭的组织均匀性和成分均匀性较差，液穴现象带来的危害性极为严重。

而本实施例通过令喷嘴113伸入第二腔室210内，改变了喷射方式，使得金属液610喷射方式采用浸入式，喷嘴113浸入到金属液610液面之下，减少了金属液610的氧化风险，提升了金属液610注入的稳定性，从而可以改善铸锭质量，而且可以令铸锭边部和心部的导热差异性较小，减小液穴现象的产生率，从而制备铸锭的组织均匀性和成分均匀性较好，减小铸锭内应力，降低铸锭的开裂率、缺陷率，提高产品的质量和成材率。

请参照图2，其为本申请一实施例示出的增材制造装置1的部分结构示意图。喷嘴113设有多个，且多个喷嘴113成阵列式分布。第一腔室110为长方体，第一腔室110的底面为矩形，喷嘴113为沿第一腔室110的长度方向和宽度方向成双向阵列式分布。

其中，沿第一腔室110的长度方向相邻的两个喷嘴113之间的距离为a1，沿第一腔室110的宽度方向相邻的两个喷嘴113之间的距离为a2。a1与a2可以相等或者不等。本实施例中，可以将四个相邻的喷嘴113作为一个最小单元，四个喷嘴113之间可以形成一个长方形或者正方形，其顶角b1为90°。

本实施例中，第一腔室110和第二腔室210(请参照图1)固定，本增材制造装置1不设置水平运动平台，无需借助水平台与喷嘴113的相对位移实现金属液610的铺展及注入。而是通过喷嘴113的几何阵列排布及浸入式喷嘴113的熔体冲击和流动作用实现金属液610的注入，故本实施例可以通过喷嘴113的几何阵列排布将大体积金属液610均匀分散形成数十乃至数百股连续液流，提高组织均匀性和成分均匀性，减小铸锭边部和心部晶粒尺寸差异以及边部和心部区域成分差异，使工艺过程易于控制，而且通过浸入式喷嘴113浸入式喷嘴113的熔体冲击和流动作用，从而可以减少了金属液610的氧化风险，提升了金属液610注入的稳定性，从而可以改善铸锭质量。

请参照图3，其为本申请一实施例示出的增材制造装置1的部分结构示意图。第一腔室110为圆柱体，第一腔室110的底面为圆形，喷嘴113为成错位阵列式分布，可以将三个相邻的喷嘴113作为一个最小单元，三个相邻的喷嘴113之间可以形成三角形，本实施中三个相邻的喷嘴113之间形成等边三角形，其内角b2为60°，相邻的两个喷嘴113之间的距离为a3。

喷嘴113的内孔可以是圆台孔，孔径由上至下依次减小。于其他的实施例中，喷嘴113的排布还可以是圆形阵列式、单向线性阵列式分布等方式。

请参照图4，其为本申请一实施例示出的增材制造装置1的结构示意图。结晶模块200还包括至少一个第二加热器220和绝热层240，第二加热器220设于第二腔室210的上部，且靠近第二进料口211设置；第二加热器220可以是电热片、加热管等元件，多个第二加热器220均匀固定第二腔室210的上部，第二冷却器230固定在第二腔室210的下部，与第二加热器220间隔设置。

第二腔室210可以是石墨环，绝热层240可以是由石棉、泡沫玻璃、陶瓷纤维、中空玻璃、真空板等绝热材料制成的。绝热层240包括包裹在第二腔室210外的第一层241和位于第二加热器220和第二冷却器230之间的第二层242，第二层242用于隔绝第二加热器220和第二冷却器230之间的相互干扰。

故第二腔室210的上部采用加热及绝热材料保护设计，下部采用冷却设计，通过热平衡控制实现第二腔室210内的液固界面640在整个结晶过程中保持平直，从而改善铸锭质量，形成具有较高晶粒均匀性与较高成分均匀性的铸锭，从而制备铸锭的组织均匀性和成分均匀性较好，减小铸锭内应力，降低铸锭的开裂率、缺陷率，提高产品的质量和成材率。

第二温度检测元件250设有多个，从而可以进行多点测温，利于全面检测第二腔室210的温度，利于第二加热器220和第二冷却器230的温度控制。

请参照图5，其为本申请一实施例示出的增材制造装置1的结构示意图。增材制造装置1还包括冷却模块290，冷却模块290与第一冷却器330和第二冷却器230相连，用于同步驱动第一冷却器330和第二冷却器230。

冷却模块290可以包括循环件、泵和水箱或换热器等部件，第一冷却器330和第二冷却器230均为管道类部件，冷却模块290用于将制冷液或者制冷气体充入第一冷却器330和第二冷却器230的管道中，以达到制冷效果。

请参照图6，其为本申请一实施例示出的增材制造装置1的结构示意图。增材制造装置1还包括主控模块400，主控模块400包括人机交互界面410、处理器420和控制器430。主控模块400与喷射模块100、结晶模块200和牵引模块300电性连接，用于控制及信息处理。主控模块400将增材制造装置1中各模块的数据收集和控制集成在一起，实现阀门141开闭控制、塞杆130移动控制、第一腔室110测温、第一腔室110加热控制、第一腔室110压力测量、第一腔室110压力控制、第二腔室210测温、第二腔室210加热控制(温度平衡补偿)、冷却模块290控制、二次冷却系统控制、牵引模块300控制等功能。

请参照图7，其为本申请一实施例示出的增材制造装置1的结构示意图。人机交互界面410可以为显示屏、触摸屏、按键、旋钮、开关和摇杆等计算机输入、输出设备，人机交互界面410配置成输入指令和读取信息，从而实现人机交互、信息的互通。

第一温度检测元件190检测第一腔室110的温度，并将信号传递给处理器420，处理器420处理信号并发送指令，通过控制器430控制第一加热器180进行温控。

第二温度检测元件250检测第二腔室210各处温度，并将信号传递给处理器420，处理器420处理信号并发送指令，通过控制器430控制第二加热器220和第二冷却器230(冷却模块290)进行温控。

气压检测元件170检测第一腔室110的气压，并将信号传递给处理器420，处理器420处理信号并发送指令，通过控制器430控制调压元件160进行气压调控。

主控模块400还可以包括计时器等元件，主控模块400还可以通过塞杆移动机构131控制喷嘴113的开启或者关闭，主控模块400还可以通过引锭头移动机构320控制牵引模块300的引锭头310的移动速度和移动方向。

请参照图8，其为本申请一实施例示出的增材制造装置1的结构示意图。增材制造装置1还包括分流盘500，分流盘500可以多孔盘。

请参照图9，其为本申请一实施例示出的增材制造方法的流程示意图。本方法可以使用于如图1至图7所示的增材制造装置1。增材制造方法可以包括如下步骤：

步骤S101：将初始材料通入第一腔室110内，并令第一腔室110处于第一预设环境内。

本步骤中的初始材料可以是完全熔化的金属液610。本步骤中的第一预设环境即温度为T1，且T1>合金熔点，压力为P1，且P1大于或者等于1个大气压(常压)。

本步骤中，先调整塞杆130令塞杆130处于第一预设位置，使喷嘴113封闭。开启第一加热器180，对第一腔室110进行预热，预热温度T1大于合金的熔点，第一腔室110达到预热温度T1后，打开阀门141，令第一进料口111打开，通过供液模块将完全熔化的金属液610充入第一腔室110，然后关闭阀门141，使腔室处于密闭状态。期间，可以通过调压元件160充入适量氮气或者氩气等惰性气体，令第一腔室110的压力P1大于或者等于1个大气压。

步骤S102：开启第一腔室110的喷嘴113，令初始材料从喷嘴113通入第二腔室210内，初始材料在第二腔室210内的引锭头310上累积形成第一液体层620，且令喷嘴113伸入第一液体层620。

本步骤中，将引锭头310穿过第二出料口212，放置于第二腔室210的下边缘处(请参照图4)，打开冷却模块290，同步开启第一冷却器330和第二冷却器230。通过塞杆移动机构131将塞杆130提起，令喷嘴113打开，使第一腔室110内的金属液610经喷嘴113进入第二腔室210，形成第一液体层620(金属液610层)，并使第一液体层620中的金属液610没过喷嘴113。

步骤S103：当喷嘴113没入第一液体层620达到预设深度，关闭喷嘴113，并令部分或者全部的第一液体层620凝固形成固相630。

本步骤中，喷嘴113没入第一液体层620液面下的深度为δ(请参照图4)，本步骤中的预设深度为0＜δ＜20cm。

本步骤中，当喷嘴113没入第一液体层620液面下深度δ达到预设深度(0＜δ＜20cm)时，通过塞杆移动机构131控制塞杆130向下移动，关闭喷嘴113，停止喷嘴113处熔体注入。金属液610在第一冷却器330的作用下迅速在引锭头310上凝固形成固相630。

步骤S104：当固相630的在第二腔室210内的高度达到预设高度，令引锭头310向预设方向移动，且在移动过程中，固相630在第二腔室210内的高度在第一预设范围内。

本步骤中，固相630在第二腔室210内的高度h1，即第二腔室210下边缘以上的固相630高度h1，即水冷线650(请参照图1)以上的固相630高度h1，固相630的顶面(液固界面640)与水冷线650之间的距离h1。本步骤中，第一预设范围为0＜h1＜2m。

本步骤中，当水冷线650以上的固相630高度h1增加到h1(0＜h1＜2m)时，启动引锭头移动机构320，开始以速度v(0＜v)向下牵引引锭头310使铸锭缓慢匀速下移，从而进行稳定铸造阶段。在使铸锭缓慢匀速下移的过程中，可以通过需要调节第一冷却器330和第二冷却器230的温度，精准控制固相630在第二腔室210内的高度h1在第一预设范围(0＜h1＜2m)内。

步骤S105：控制喷嘴113的开启或者关闭，令初始材料通过喷嘴113按预设时间间隔通入第二腔室210内，令固相630上方的第二液体层660的厚度在第二预设范围内。

本步骤中，固相630上方第二液体层660的厚度为h2(请参照图5)。第二液体层660可以是步骤S105中喷嘴113喷射在固相630上方累积的初始材料，以及步骤S103中未凝固的第一液体层620组成。其中第二液体层660与固相630之间的界面称作液固界面640。本步骤中，第二预设范围为δ＜h2＜20cm。

本步骤属于稳定铸造阶段，本步骤需要间隔性的开启或关闭阀门141，精确控制第一腔室110进液，使第一腔室110消耗的金属液610得到不断补充。

本步骤还需要间隔性的开启或关闭喷嘴113，使第一腔室110内的金属液610通过喷嘴113以脉冲式供液的方式并以一定时间间隔Δt(0＜Δt)注入第二腔室210中的金属液610中，并令第二液体层660的厚度为h2处于第二预设范围(δ＜h2＜20cm)中。

为使金属液610顺利注入第二液体层660并冲击至液固界面640，本步骤还需要同步给第一腔室110通过调压元件160加压，使第一腔室110压力P1大于第二腔室210中的压力P2，此时第一腔室110压力P1大于1个大气压，第二腔室210压力P2为1个大气压(常压)。

持续进行步骤S105，当铸锭达到制备要求尺寸后，铸造过程可以结束。在结束过程中，可以先关闭阀门141，第一腔室110不再充入金属液610，待第一腔室110中的金属液610消耗完毕且第二腔室210中的金属液610完全凝固后，关闭第一加热器180和第二加热器220，关闭调压元件160，而冷却模块290保持开启状态，待整个铸锭充分冷却后，再关闭冷却模块290，通过引锭头310取出铸锭，整个制备过程结束，关闭增材制造装置1。

请参照图10，其为本申请一实施例提供的铸锭金相组织图。于一实施例中，申请人对图1至图7所示的增材制造装置1以及图9所示的增材制造方法进行了试验。

试验目标：铸造直径200mm的圆铸锭，材料为6082铝合金。

试验器材：喷嘴113采用错位阵列的方式排布，三个相邻的喷嘴113形成正三角形，且任意两个相邻喷嘴113的间距为a3＝20mm。

试验过程包括：

首先，调整喷嘴113处于最低位(第一预设位置)，使喷嘴113封闭。开启第一加热器180，对第一腔室110进行预热，预热温度T1为680℃。

当达到预热温度T1后，打开阀门141，将完全熔化的温度为710℃的合金液充入第一腔室110内，然后关闭阀门141，第一腔室110处于密闭状态，压力为1个大气压(常压)。

将引锭头310放置于第二腔室210下边缘(第二出料口212)处，开启第一冷却器330和第二冷却器230，将塞杆130提起，打开喷嘴113，使铝液经喷嘴113进入第二腔室210，形成铝液层，并使铝液没过喷嘴113，当喷嘴113没入液面下深度δ为6cm时，放下塞杆130，关闭喷嘴113处熔体注入。

铝液在第一冷却器330中冷却水的作用下迅速在引锭头310上凝固形成固相630。当水冷线650以上的铸锭高度(指第二腔室210下边缘以上的固相630高度)h1增加到35cm时，开始以v＝65mm/min的速度向下牵引引锭头310使铸锭缓慢匀速下移，进入稳定铸造阶段。

进入稳定铸造阶段后，精确控制冷却强度，使液固界面640始终保持在距水冷线650(第二腔室210下边缘)的垂直距离h1为35cm处；通过阀门141开闭，精确控制第一腔室110进液，使第一腔室110消耗的铝液得到不断补充；精确控制喷嘴113的开闭，使铝液通过喷嘴113以脉冲式供液的方式每隔Δt＝12s注入第二腔室210，并维持第二腔室210中固相630上方液层的厚度h2始终为10cm。同时当控制喷嘴113塞杆130开启时，为使铝液顺利注入第二腔室210并冲击至液固界面640，还应同步给第一腔室110通过压力控制系统加压，使第一腔室110压力为1.2个大气压，下腔室压力为1个大气压(常压)。维持上述状态稳定至铸造过程结束。

铸锭达到制备要求尺寸后，关闭阀门141，第一腔室110不再充入铝液，待第一腔室110中的铝液消耗完毕且第二腔室210中的铝液完全凝固后，关闭第一加热器180和第二加热器220，关闭调压元件160。待整个铸锭充分冷却后，关闭冷却模块290，取出铸锭，整个制备过程结束。

经光学显微镜和直读光谱仪检测，制备的6082铝合金铸锭晶粒细小均匀，为全等轴晶组织，晶粒平均尺寸为100微米，宏观偏析小于8％，金相组织图如图10所示。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增材制造装置，其特征在于，包括：

喷射模块，包括第一腔室，所述第一腔室上设有至少一个喷嘴；

结晶模块，包括第二腔室，所述第二腔室具有第二进料口；以及

牵引模块，包括引锭头，所述引锭头被配置为能在所述第二腔室内移动；

其中，所述喷嘴穿过所述第二进料口伸入所述第二腔室内，且所述喷嘴的喷射方向朝向所述引锭头。

2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述喷射模块还包括：

支撑板，所述第一腔室固定在所述支撑板上；

塞杆，设于所述第一腔室内；以及

塞杆移动机构，与所述塞杆传动连接，用于驱动所述塞杆移动；

当所述塞杆处于第一预设位置，所述喷嘴被所述塞杆封闭。

3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述喷射模块还包括：

第一进料口，设于所述第一腔室，所述第一进料口上连接有阀门；

供液机构，与所述第一进料口相连，用于供液；以及

第一液位检测元件，设于所述第一腔室。

4.根据权利要求3所述的增材制造装置，其特征在于，所述喷射模块还包括：

通气孔，设于所述第一腔室；

调压元件，连接于所述通气孔；

气压检测元件，设于所述第一腔室；

至少一个第一加热器，设于所述第一腔室；以及

至少一个第一温度检测元件，设于所述第一腔室。

5.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述喷嘴设有多个，且多个所述喷嘴成阵列式分布。

6.根据权利要求1至5任一项所述的增材制造装置，其特征在于，所述结晶模块还包括：

至少一个第二加热器，设于所述第二腔室，且靠近所述第二进料口设置；

第二冷却器，设于所述第二腔室，且与所述第二加热器间隔设置；

绝热层，包括包裹在第二腔室外的第一层和设于所述第二加热器和第二冷却器之间的第二层；以及

至少一个第二温度检测元件，设于所述第二腔室。

7.根据权利要求6所述的增材制造装置，其特征在于，所述牵引模块还包括：

引锭头移动机构，引锭头移动机构与所述引锭头传动连接，用于驱动所述引锭头沿预设路线移动；以及

第一冷却器，设于所述第二腔室外，且位于所述预设路线上。

8.根据权利要求7所述的增材制造装置，其特征在于，所述增材制造装置还包括：

冷却模块，与所述第一冷却器和所述第二冷却器相连，用于驱动所述第一冷却器和所述第二冷却器。

9.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述增材制造装置还包括：

主控模块，与所述喷射模块、所述结晶模块和所述牵引模块电性连接，用于控制。

10.一种增材制造方法，其特征在于，包括：

将初始材料通入第一腔室内，并令所述第一腔室处于第一预设环境内；

开启所述第一腔室的喷嘴，令初始材料从所述喷嘴通入第二腔室内，所述初始材料在所述第二腔室内的引锭头上累积形成第一液体层，且令所述喷嘴伸入所述第一液体层；

当所述喷嘴没入所述第一液体层达到预设深度，关闭所述喷嘴，并令部分或者全部的所述第一液体层凝固形成固相；

当所述固相的在所述第二腔室内的高度达到预设高度，令所述引锭头向预设方向移动，且在移动过程中，所述固相在所述第二腔室内的高度在第一预设范围内；

控制所述喷嘴的开启或者关闭，令所述初始材料通过所述喷嘴按预设时间间隔通入第二腔室内，并令所述固相上方的第二液体层的厚度在第二预设范围内。

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