[0001] 本发明涉及超细等轴晶合金增材制造技术领域，具体涉及超细晶粒等轴晶金属材料增减材制造工艺及设备。

[0002] 超细晶材料与常规材料相比具有很多优良特性：1)超细晶材料具有高强度和高疲劳特性等优异的机械性能；2)晶粒在温度升高过程中保持稳定，会表现出极好的超塑性成形能力，将普通金属材料晶粒细化来制备超细晶粒金属材料即可实现上述功能，进而取代较为昂贵的合金材料，该技术减少了对昂贵金属的消耗，提升了材料利用率及性能。针对现有技术存在以下问题：

[0003] 因为目前细化晶粒主要采用的方法有：超声搅拌熔池法、磁电协同控制搅拌熔池、机械微铸锻晶粒细化法以及超声波铸锻晶粒细化法、喷射沉积法等，虽然以上细化晶粒的方法均取得了一定的效果，但是仍然存在效率低，以及成形精度低等问题，现有的固相增材技术一般来说增材效率都较为低下，以扩散增材为例，增材前需要根据零件的具体结构制作切片，经过精细加工后，才能放置在真空加热炉中进行扩散连接，其他诸如冷喷涂增材、超声增材也面临着增材效率低下的问题，同时现有的超细晶粒等轴晶金属材料只具备单一的增材加工工艺，而缺乏系统化的铣削工艺以及铣削设备，生产出的超细晶粒等轴晶金属材料还需要转运至其他地方进行铣削减材处理，步骤较为繁琐。

[0043] 下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

[0044] 实施例1

[0045] 如图1‑6所示，本发明提供了超细晶粒等轴晶金属材料增减材制造工艺，包括以下工艺步骤：

[0046] 步骤一：金属熔炼备用：根据所打印的超细晶粒等轴晶金属构件的材质要求，选择所需成分的金属进行熔炼，按照成分要求进行调整和精炼，待达到所需成分和温度后保温并备用；

[0047] 步骤二：封闭保温炉：将保温炉4安装在空间架构式3D打印机机架34机架一端的上方，把保温炉炉盖3关闭，启动保温炉柱塞调节电机1，将保温炉柱塞2向下移动至保温炉4的底部，使保温炉柱塞2下部的倒锥形锥头与保温炉4底部的倒锥形出液口对中并相配合，将出料口堵塞，将保温炉金属液加液斗55上的电磁阀54关闭，使保温炉4处于密闭状态；

[0048] 步骤三：保温炉增压：打开真空泵，打开电磁阀，对保温炉4进行抽真空处理，待真空度达到0.5～1个大气压后，关闭电磁阀54；打开惰性气体瓶31上面的惰性气体总阀门48和保温炉惰性气体阀门，向保温炉4内充入惰性保护气体，待保温炉4内的气压达到0.8～1.2个大气压后，关闭保温炉惰性气体阀门；

[0049] 步骤四：金属液加热导流：将熔炼好的金属液38吊运到保温炉4上面保温炉金属液加液斗55处，打开保温炉金属液加液斗55上面的电磁阀54，将金属液38通过保温炉金属液加液斗55加入保温炉4内，开启保温炉加热器5，对保温炉4内的金属液38进行加热，开启导流管加热器8对保温炉导流管7进行加热，使金属液38能够从导流管内顺利流出；

[0050] 步骤五：封闭金属液储存炉体：把金属液储存炉体14上的金属液储存炉炉盖13关闭，将金属液储存炉体14密闭，同时调整金属液储存炉体14，将储存炉金属液流量控制柱塞15向下移动至金属液储存炉体14底部，使储存炉金属液流量控制柱塞15下部的倒锥形锥头，与金属液储存炉体14底部的倒锥形出液口对中并相配合，将出料口堵塞，将金属液加液系统10上的金属液储存炉电磁阀12关闭，使金属液储存炉体14处于密闭状态；

[0051] 步骤六：金属液储存炉体增压：打开真空泵，打开储存炉真空阀门，对金属液储存炉体14抽真空处理，待真空度达到0.5～1个大气压后，关闭储存炉真空阀门，打开惰性气体瓶31的惰性气体总阀门48和储存炉惰性气体阀门，向金属液储存炉体14内充入惰性保护气体，待金属液储存炉体14内的气压达到0.5～1个大气压后，关闭储存炉惰性气体阀门；

[0052] 步骤七：金属液互通：通过控制空间架构式3D打印机机架34的X向行走机构35、Y向行走机构37、Z向升降机构32运动，将安装在Z向升降机构32上的金属液储存炉体14，移动至保温炉导流管7下方，使金属液储存炉体14上的金属液加液系统10，与保温炉4下面的保温炉导流管7出液口处于同一轴线上，将Z向升降机构32向上提升，使保温炉进气管6出液口与金属液加液系统10紧密结合，形成密闭体状态；打开储存炉电磁阀12，启动保温炉柱塞调节电机1，将保温炉炉盖3向上移动，使保温炉4内的金属液38通过保温炉4底部的倒锥形出液口，流入到金属液储存炉体14内，启动保温炉柱塞调节电机1，将保温炉柱塞调节电机1向下移动至保温炉4的底部，使保温炉柱塞2下面的倒锥形锥头插入到保温炉4底部的倒锥形出液口内，将出料口堵塞，使金属液38不再向下流出，关闭保温炉4上的金属液38进液口电磁阀54，关闭金属液储存炉体14上的金属液储存炉电磁阀12，使保温炉4和金属液储存炉体14处于密闭状态；

[0053] 步骤八：构件快速冷却：将冷凝台基板21安装在空间架构式3D打印机机架34内的工作台24上，启动循环水泵，将冷水机组内的冷却水通过冷凝台进水管25，流入冷凝台基板21内腔，然后从冷凝台出水管26回流到冷水机组内进行循环冷却，使冷凝台基板21上表面始终维持在较低的温度，以利于金属液流液固混合雾化体39沉积到冷凝台基板21表面后，能够快速冷凝成半固态，实现对3D打印增材超细等轴晶金属构件20的快速冷却；

[0054] 步骤九：金属液储存炉体的移动：金属液储存炉体14内金属液38加注好后，通过增材制造设备控制系统启动空间架构式3D打印机机架控制系统，使空间架构式3D打印机机架34的X向行走机构35、Y向行走机构37、Z向升降机构32运动，将金属液储存炉体14上的雾化喷嘴40移动到冷凝台基板21表面上，插入到伸缩式区域保护罩30内，将摩擦挤压搅拌主轴
29和微锻造装置28插入到伸缩式区域保护罩30内，将伸缩式区域保护罩30密封；

[0055] 步骤十：挤轧和微锻造：打开惰性气体瓶31的惰性气体总阀门48和伸缩式区域保护罩进气管阀门47，向伸缩式区域保护罩30内充入0.5～1个大气压的惰性气体后，封闭伸缩式区域保护罩30，使金属液流喷射沉积、摩擦挤压搅拌主轴和高频振动微锻造装置(28)在伸缩式区域保护罩(30)内，通过金属液储存炉体(14)上的雾化喷嘴(40)，进行金属液流喷射雾化沉积3D打印和对喷射雾化沉积层进行摩擦挤压搅拌和对摩擦挤压搅拌的喷射雾化沉积层未凝固区进行挤轧和微锻造；

[0056] 步骤十一：逐层叠加多层材料堆覆增材：在第一层增材制造完毕后，在待增材区继续进行后续层的叠加增材制造，按照相同的路径和增材间距重复上述操作，雾化喷嘴40继续将金属液储存炉体14内的金属液38通过摩擦挤压搅拌主轴29的内腔，以金属液流液固混合雾化体39形状沉积在冷凝台基板21上1.0～5mm厚度，重复进行上述步骤后，可实现全部冶金结合界面的、组织细化均匀的大尺寸增材制造超细等轴晶金属构件20；

[0057] 步骤十二：结束制备：当打印结束后，关闭加热电源，待增材制造超细等轴晶金属构件20冷却后关闭循环冷却水泵，关闭真空泵和惰性气体总阀门48，打开伸缩式区域保护罩30，关闭储存炉金属液流量控制柱塞15，阻断金属液38从导流管18流出，启动空间架构式3D打印机机架34的Z向升降机构32，将打印成形的增材制造超细等轴晶金属构件20，从冷凝台基板21上取下，最终获得所需尺寸和形状的3D打印增材制造超细等轴晶金属构件20，增材制造过程中，一直通过金属液位检测探头17对金属液储存炉体14内金属液38的液面高度进行在线监测，重复上述增材制造工艺，按照相同的路径和增材间距继续进行3D打印增材制造。

[0058] 实施例2

[0059] 如图1‑6所示，本发明提供一种超细晶粒等轴晶金属材料增减材制造工艺：优选的，该设备由液态金属供料系统、金属液流喷射沉积系统、冷却系统、X‑Y‑Z三维运动系统和控制系统、立式铣削设备组成，液态金属供料系统包括保温炉金属液加液斗55、电磁阀54、保温炉4、保温炉炉盖3、保温炉加热器5、保温炉柱塞2、保温炉柱塞调节电机1、金属液位检测探头53，保温炉导流管7、导流管加热器8，供料系统位于空间架构式3D打印机机架34一端的上方，保温炉金属液加液斗55固定安装在保温炉4上面的保温炉炉盖3上；电磁阀54安装在保温炉金属液加液斗55与保温炉炉盖3上部之间，并将保温炉4内的金属液38与外界的空气封闭隔离；保温炉4通过保温炉加热器5对保温炉4内的金属液38进行加热；保温炉炉盖3安装在保温炉4的上端，用于密封保温炉4，保温炉柱塞2通过保温炉炉盖3的中心孔固定安装于保温炉4内部，并与保温炉4底部的倒锥形出液口保持对中，保温炉柱塞2其下部为倒锥形设计；保温炉柱塞调节电机1安装在保温炉柱塞2的顶部，通过保温炉柱塞调节电机1使保温炉柱塞2上下移动，以调节保温炉柱塞2与保温炉4底部出液口的距离；金属液位检测探头53固定安装在保温炉4内部；保温炉导流管7安装在保温炉4底部的出液口上，保温炉导流管
7上端固定安装有导流管加热器8，金属液流喷射雾化沉积系统包括金属液加液系统10、储存炉柱塞调节电机11、储存炉电磁阀12、金属液储存炉炉盖13、金属液储存炉体14、储存炉金属液流量控制柱塞15、储存炉加热器16、金属液位检测探头17、导流管18、导流管加热器
19；金属液流喷射雾化沉积系统通过连接板41安装在空间架构式3D打印机机架34的Z向升降机构32上；金属液加液系统10安装在金属液储存炉炉盖13上；储存炉电磁阀12安装在金属液加液系统10下端；储存炉加热器16安装在金属液储存炉体14的外围；金属液储存炉炉盖13安装在金属液储存炉体14的上面；储存炉金属液流量控制柱塞15通过金属液储存炉炉盖13中心孔安装于金属液储存炉体14内部，与金属液储存炉体14底部的出液口保持对中；
金属液储存炉体14底部的出液口为倒锥形设计；储存炉柱塞调节电机11安装在储存炉金属液流量控制柱塞15上面；金属液位检测探头17安装在金属液储存炉体14内；导流管18的上部安装在金属液储存炉体14底部的出液口上，下部安装雾化喷嘴(40)；导流管加热器19安装在导流管18外面，冷却系统包括工作台24、冷凝台基板21、冷凝台进水管25、冷凝台出水管26、超细等轴晶金属构件20；工作台24安装在空间架构式3D打印机机架34内，冷凝台基板
21安装在工作台24上面，在工作台24上面有超细等轴晶金属构件20；冷凝台基板21一侧面的底部安装有冷凝台进水管25，冷凝台基板21一侧面的上部安装有冷凝台出水管26，X‑Y‑Z三维运动系统包括空间架构式3D打印机机架34、X向导轨50、X向行走机构35、Y向导轨36、Y向行走机构37、Z向升降机构32；X向导轨50安装在空间架构式3D打印机机架34机架上面，X向导轨50上面安装X向行走机构35；Y向导轨36安装在X向导轨50上面，Y向导轨36上面安装Y向行走机构37；Z向升降机构32安装在Y向导轨36上面。

[0060] 实施例3

[0061] 如图1‑6所示，在实施例1的基础上，本发明提供一种技术方案：优选的，立式铣削设备包括铣床机架A，铣床机架A包括有铣刀B、金属构件放置机构9，铣刀B位于金属构件放置机构9的上方，金属构件放置机构9包括有放置框91，放置框91的内腔上方设置有定位机构92，放置框91的后侧固定安装有清洁机构93，定位机构92包括有放置盒921，放置盒921的前后两侧均固定安装有固定杆922，放置盒921利用固定杆922与放置框91的内壁固定连接，放置盒921的内壁底部中心处固定安装有双向轴电机923，双向轴电机923的两个输出轴均固定安装有螺纹杆924，两个螺纹杆924的外壁均螺纹安装有移动长板925，两个移动长板925的相对面均固定安装有拉杆926，两个拉杆926的相对端均固定安装有L型夹板927，两个L型夹板927的垂直处均贯穿至放置盒921的左右两侧，两个L型夹板927的垂直处相对面均固定安装有连接杆928，左右两侧连接杆928的相对面均固定安装有金属构件夹板929，清洁机构93包括有驱动盒931，驱动盒931的左侧固定安装有旋转电机932，旋转电机932的输出轴贯穿至驱动盒931的内腔且固定安装有往复丝杠933，驱动盒931的顶部开设有贯穿其内腔的滑槽934，往复丝杠933的外壁螺纹安装有L型清洁板935，L型清洁板935的垂直处与滑槽934滑动连接，L型清洁板935的水平处底部固定安装有毛刷936，放置框91的内壁四个侧面固定安装有下料网911，放置框91的内部开设有贯穿其前侧的碎屑舱912，碎屑舱912的内腔滑动安装有碎屑盒913。

[0062] 在本实施例中，当需要对增材制造好的金属构件进行略微减材时通过将金属构件板放置在放置盒921顶部，然后启动放置盒921内腔的双向轴电机923从而带动两个螺纹杆924进行旋转，将两个螺纹连接的移动长板925相互靠拢移动，利用拉杆926连接的L型夹板
927，即可配合连接杆928与金属构件夹板929的连接对放置盒921顶部的金属构件进行固定，然后利用铣刀B进行铣削，铣削后，通过启动旋转电机932即可带动往复丝杠933旋转，配合与移动长板925的螺纹连接即可使较长的毛刷936进行左右往复运动，将金属构件上残留的碎屑扫落，并经过下料网911后落入碎屑舱912内的碎屑盒913，方便直接抽出清理。

[0063] 上文一般性地对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对于技术领域的一般技术人员是显而易见的。因此，在不脱离本发明思想精神的修改或改进，均在本发明的保护范围之内。