一种激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法
阅读说明：本技术 一种激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法 (Method for manufacturing finned heat pipe shell by laser melting deposition ) 是由 王秋林 李明富 门正兴 陈诚 阳义 黎作瑜 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法,S1、将不锈钢热管清洗、干燥,并将不锈钢粉末放置于干燥箱中加热；S2、采用Solid Works软件构建翅片的几何模型；S3、将不锈钢热管固定在位于坐标系中的夹具上；S4、采用高能量激光作为能量源,在不锈钢热管冷凝段采用同轴送粉的方法,将不锈钢粉末熔化、快速凝固、逐层沉积,形成一个翅片；S5、旋转不锈钢热管,并返回S4,直至完成所有翅片的制造；S6、采用机加工铣削翅片表面并抛光,得到翅片热管管壳。本发明尺寸精度高,无裂纹与变形；翅片晶粒细小,组织均匀,与基材结合良好,硬度均匀；散热效率高,工艺稳定性好,加工周期短,成本较低。(The invention discloses a method for manufacturing a finned heat pipe shell by laser melting deposition, which comprises the following steps of S1, cleaning and drying a stainless steel heat pipe, and placing stainless steel powder in a drying box for heating; s2, constructing a geometric model of the fin by using Solid Works software; s3, fixing the stainless steel heat pipe on a clamp in a coordinate system; s4, melting and rapidly solidifying stainless steel powder and depositing layer by layer to form a fin by adopting high-energy laser as an energy source and adopting a coaxial powder feeding method at a condensation section of a stainless steel heat pipe; s5, rotating the stainless steel heat pipe, and returning to S4 until all fins are manufactured; and S6, milling the surface of the fin by adopting machining and polishing to obtain the finned heat pipe shell. The invention has high dimensional accuracy and no crack and deformation; the fin has fine grains, uniform tissue, good combination with the base material and uniform hardness; high heat dissipation efficiency, good process stability, short processing period and low cost.)
技术领域
本发明属于增材制造的技术领域，具体涉及一种激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法。
背景技术
对核电非能动散热系统的有效控制是减少核电领域安全事故的重要措施之一。热管依靠管内工质的相变进行传热，无需额外动力提供就能将大量热量导出，因此在核电温控领域得到了大量的关注和应用。其中，热管的冷凝段是热量输出的核心部件，能够快速散热可提高热管的效率。在热管管壳上制造翅片，可增大散热面积，加快散热速度。不锈钢强度高、耐氧化、耐腐蚀、耐高温，适用于核电强辐射、高温高压、强腐蚀性的严苛环境，是理想的热管管壳材料。
目前，在不锈钢管上制造翅片的技术主要有2种方式：
1、机加工
将厚壁的不锈钢管通过车、铣、线切割等方式，在冷凝段管壳上制造出符合要求的翅片。此工艺周期长，加工难度大，材料浪费大。
2、焊接
将翅片通过焊接的方式固定在热管上。此工艺对热管产生的热应力过大，热管和翅片都易变形。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法，以解决传统机加工和焊接的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法，其包括：
S1、将不锈钢热管清洗、干燥，并将不锈钢粉末放置于干燥箱中加热；
S2、采用Solid Works软件构建翅片的几何模型；
S3、将不锈钢热管固定在位于坐标系中的夹具上；
S4、采用高能量激光作为能量源，在不锈钢热管冷凝段采用同轴送粉的方法，将不锈钢粉末熔化、快速凝固、逐层沉积，形成一个翅片；
S5、旋转不锈钢热管，并返回S4，直至完成所有翅片的制造；
S6、采用机加工铣削翅片表面并抛光，得到翅片热管管壳。
优选地，S1中将不锈钢热管清洗、干燥，并将不锈钢粉末放置于干燥箱中加热；包括：
S1.1、将不锈钢热管置于酒精里，采用超声波清洗2～30min，并采用电吹风吹干；
S1.2、将粒度为10～150μm的不锈钢粉末置于干燥箱中加热干燥，加热温度为50～100℃，时间为2～8h。
优选地，S2中翅片形状为径向直翅片，翅片和不锈钢热管之间采用圆弧过渡，翅片数量为1～99片，翅片长度为10～800mm，翅片厚度为0.5～5mm。
优选地，S4中激光的功率为1000～100W，激光功率在前3-10层等差递减，在以后层激光功率保持不变，且每层层高为0.1～0.5mm。
优选地，激光的光斑直径为0.5～1.5mm，离焦量为0.1～1.0mm，扫描速度为5～40mm/s，保护气流为5～30L/min，送粉气流为5～30L/min，送粉量为5～30g/min。
优选地，送粉气体与保护气体均为纯度＞99.9％的Ar气。
本发明提供的激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法，具有以下有益效果：
本发明通过金属材料的激光熔化-快速凝固逐层沉积，直接制备并成型出具有快速凝固组织特征的高性能热管管壳的翅片，相比于传统制造方法，本发明尺寸精度高，无裂纹与变形；翅片晶粒细小，组织均匀，与基材结合良好，硬度均匀；散热效率高，工艺稳定性好，加工周期短，成本较低。
除此，与管的切线垂直度好，均匀分布在不锈钢管外圆上，翅片的厚度均匀，直线度好，无裂纹和其他缺陷；在翅片与管的连接处实现了圆弧过渡，精度较高，不锈钢钢管无变形。
翅片的晶粒细小，组织均匀，无微裂纹和孔洞等缺陷。翅片与基材的结合良好；翅片同一位置的硬度一致性好，工艺稳定性好；同时也提高了翅片热管的散热效率。
附图说明
图1本发明实施例2翅片热管管壳截面形状及尺寸示意图。
图2本发明实施例2制造的翅片热管管壳的显微组织。
图3本发明实施例2制造的翅片的X-射线衍射仪(XRD)分析图谱。
图4本发明实施例2制造的翅片与热管结合处能谱(EDS)分析。
图5本发明实施例2制造的翅片热管从85℃冷却到45℃所经历时间(低温散热性)。
图6本发明实施例2制造的翅片热管从650℃到250℃温度随时间变化情况(高温散热性)。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的实施例1，本方案的激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法，包括：
S1、将不锈钢热管清洗、干燥，并将不锈钢粉末放置于干燥箱中加热，其具体包括：
S1.1、将不锈钢管在酒精里超声波清洗2～30min，干燥；
S1.2、不锈钢粉末粒度为10～150μm，并将粉末置于干燥箱中，加热干燥，温度50～100℃，时间2～8h。
S2、采用Solid Works软件构建翅片的几何模型；采用Solid Works、Pro/E、UG、Inventor、Rhino等软件在计算机上构建出翅片的几何模型。
翅片形状为径向直翅片，翅片和热管之间采用圆弧过渡，热管翅片数量为1～99片，翅片的长度为10～800mm，厚度为0.5～5mm。
S3、将不锈钢热管固定在位于坐标系中的夹具上，即将上述处理后的不锈钢热管用专用夹具固定在设备坐标系中。
S4、采用高能量激光作为能量源，在不锈钢热管冷凝段采用同轴送粉的方法，将不锈钢粉末熔化、快速凝固、逐层沉积，形成一个翅片，其具体包括：
采用高能量的激光作为能量源，在不锈钢热管冷凝段，采用同轴送粉的方式，将处理后的不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积。
其工艺参数为：
光斑直径为0.5～1.5mm，离焦量为0.1～1.0mm，扫描速度为5～40mm/s，保护气流为5～30L/min，送粉气流为5～30L/min，送粉量为5～30g/min，送粉气体与保护气体均采用Ar气(纯度＞99.9％)。
为了保证翅片和热管之间为圆弧过渡，功率选择1000～100W，前3～10层等差递减，而后功率保持不变，每层层高为0.1～0.5mm。
S5、旋转不锈钢热管，并返回S4，直至完成所有翅片的制造；完成一个翅片的制造后，再将不锈钢热管转一定的角度(该角度跟翅片的数量、分布有关)，重复上述翅片沉积操作，直止所有的翅片制造完成。
S6、采用机加工铣削翅片表面并抛光，得到翅片热管管壳。
根据本申请的实施例2，参考图1，本方案的激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法，包括：
A1、将316不锈钢管在酒精里超声波清洗10min，干燥；将316不锈钢粉末粒度为20～53μm，置于干燥箱中，温度80℃，时间8h。
A2、采用Solid Works软件在计算机上构建出翅片的几何模型，翅片形状为径向直翅片，翅片和热管之间采用圆弧过渡，热管翅片数量为20片，翅片的长度为200mm，厚度为1mm，高度为3mm。
A3、将处理后的316不锈钢热管用专用夹具固定在设备坐标系中。
A4、采用高能量的激光作为能量源，在不锈钢热管冷凝段，采用同轴送粉的方式，将处理后的316不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积。
为了保证翅片和热管之间为圆弧过渡，功率选择600～450W，前5层等差递减，而后功率保持不变，每层层高为0.32mm，光斑直径为1.1mm，离焦量为0.5mm，扫描速度为20mm/s，保护气流为15L/min，送粉气流为10L/min，送粉量为12g/min，送粉气体与保护气体均采用Ar气(纯度＞99.9％)。
A5、完成一个翅片的制造后，将不锈钢热管转18°的角度，重复A4翅片沉积操作，直止所有的翅片制造完成。
A6、用机加工的手段，铣削翅片表面、抛光，得到符合要求的翅片热管管壳。
通过激光熔化沉积技术制造的翅片，与管的切线垂直度好，均匀分布在不锈钢管外圆上，翅片的厚度均匀，直线度好，无裂纹等明显缺陷；在翅片与管的连接处实现了圆弧过渡，精度较高；不锈钢钢管无变形。
参考图2，翅片的晶粒细小，组织均匀，无微裂纹和孔洞等缺陷。
参考图3，翅片的物相由(Ni-Cr-Fe)、(Fe,Ni)、CrFe2.32MoNi、Cr3Ni5Si2组成，为316不锈钢的主要相。
参考图4，翅片与基材的元素含量保持在同一个水平，2者的结合良好，达到了冶金结合的水平。
对翅片热管的显微硬度分布测试可知，测试的位置为翅片的顶部，硬度的均匀性较好，说明工艺的稳定性好。翅片的平均硬度(280.92HV0.5)比不锈钢管的平均硬度(209.9HV0.5)高33.8％。
参考图5，本发明的翅片热管管壳相对于同种规格，直径为φ20mm，内径φ16mm，长度为280mm的不锈钢热管管壳，其低温散热效率提高了16.7％。
参考图6，本发明的翅片热管管壳相对于同种规格，直径为φ20mm，内径φ16mm，长度为280mm的不锈钢热管管壳，其高温散热效率提高了33.5％。
根据本申请的实施例3，本方案的激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法，包括：
B1、将316不锈钢管在酒精里超声波清洗5min，干燥；将316不锈钢粉末粒度为20～53μm，置于干燥箱中，温度80℃，时间8h。
B2、采用Solid Works软件在计算机上构建出翅片的几何模型，翅片形状为径向直翅片，热管翅片数量为30片，翅片的长度为200mm，厚度为1mm，高度为3mm。
B3、将处理后的316不锈钢热管用专用夹具固定在设备坐标系中。
B4、采用高能量的激光作为能量源，在不锈钢热管冷凝段，采用同轴送粉的方式，将处理后的316不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积。
功率选择600W，每层层高为0.32mm，光斑直径为1.1mm，离焦量为0.5mm，扫描速度为20mm/s，保护气流为15L/min，送粉气流为10L/min，送粉量为12g/min，送粉气体与保护气体均采用Ar气(纯度＞99.9％)。
B5、完成一个翅片的制造后，再将不锈钢热管转12°的角度，重复B4翅片沉积操作，直止所有的翅片制造完成。
B6、用机加工的手段，铣削翅片表面、抛光，得到符合要求的翅片热管管壳。
根据本申请的实施例4，本方案的激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法，包括：
C1、将304不锈钢管在酒精里超声波清洗15min，干燥；将316不锈钢粉末粒度为20～53μm，置于干燥箱中，温度60℃，时间8h。
C2、采用Solid Works软件在计算机上构建出翅片的几何模型，本实施例的翅片形状为径向直翅片，翅片和热管之间采用圆弧过渡，热管翅片数量为20片，翅片的长度为200mm，厚度为1mm，高度为3mm。
C3、将处理后的304不锈钢热管用专用夹具固定在设备坐标系中。
C4、采用高能量的激光作为能量源，在不锈钢热管冷凝段，采用同轴送粉的方式，将处理后的316不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积。
为了保证翅片和热管之间为圆弧过渡，功率选择700～550W，前5层等差递减，而后功率保持不变，每层层高为0.3mm，光斑直径为1.0mm，离焦量为0.5mm，扫描速度为30mm/s，保护气流为20L/min，送粉气流为12L/min，送粉量为15g/min，送粉气体与保护气体均采用Ar气(纯度＞99.9％)。
C5、完成一个翅片的制造后，再将不锈钢热管转18°的角度，重复C4翅片沉积操作，直止所有的翅片制造完成。
C6、用机加工的手段，铣削翅片表面、抛光，得到翅片热管管壳。
根据本申请的实施例5，本方案的激光熔化沉积制造翅片热管管壳的方法，包括：
D1、将304不锈钢管在酒精里超声波清洗20min，干燥；将304不锈钢粉末粒度为20～53μm，置于干燥箱中，温度80℃，时间6h。
D2、采用Solid Works软件在计算机上构建出翅片的几何模型，翅片形状为径向直翅片，翅片和热管之间采用圆弧过渡，热管翅片数量为20片，翅片的长度为100mm，厚度为1mm，高度为3mm。
D3、将处理后的304不锈钢热管用专用夹具固定在设备坐标系中。
D4、采用高能量的激光作为能量源，在不锈钢热管冷凝段，采用同轴送粉的方式，将处理后的304不锈钢粉末熔化、快速凝固、且逐层沉积。
为了保证翅片和热管之间为圆弧过渡，功率选择550～400W，前5层等差递减，而后功率保持不变，每层层高为0.3mm，光斑直径为1.0mm，离焦量为0.5mm，扫描速度为15mm/s，保护气流为10L/min，送粉气流为10L/min，送粉量为10g/min，送粉气体与保护气体均采用Ar气(纯度＞99.9％)。
D5、完成一个翅片的制造后，再将不锈钢热管转18°的角度，重复D4翅片沉积操作，直止所有的翅片制造完成。
D6、用机加工的手段，铣削翅片表面、抛光，得到翅片热管管壳。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
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