[發明專利]一種雙超聲輔助激光增材制造裝置及方法

在審

• 申請號: 201711057771.4
• 申請日: 2017-11-01
• 公開（公告）號: CN107812942A
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 黃春平;林鑫;楊海歐;劉奮成;黃衛東
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;南昌航空大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B33Y10/00;B33Y40/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務所11569
• 代理人: 王加貴

技術領域

本發明涉及鈦合金的加工方法技術領域，特別是涉及一種雙超聲輔助激光增材制造裝置及方法。

背景技術

鈦合金因其比重小、比強度高、耐高溫等優點被廣泛應用于渦輪發動機上。現代高涵道比的大型發動機，在風扇壓氣機部件以及其他結構上均使用了大量鈦合金。但是，常規鈦合金在一定的空氣壓力和溫度條件下會發生燃燒，從而造成發動機發生著火事故(鈦火)，影響飛機的安全性。

阻燃鈦合金是為應對鈦火隱患而研制的專用材料，它的研制是解決鈦火問題的最直接方法。根據不同阻燃機理開發了Ti-V-Cr系和Ti-Cu系兩類阻燃鈦合金，其中Ti-V-Cr系阻燃鈦合金(V、Cr元素含量分別為22-40％，13-36％)是目前最具工程意義的航空發動機用功能性結構材料。經過近十年的研發，國內外在Ti-V-Cr系阻燃鈦合金鍛件制備及合金抗點燃性能評價方面均取得了較大的進展，為Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的工程化應用奠定了基礎。Ti-V-Cr系阻燃鈦合金有良好的室溫塑性，但高溫塑性較差，使該合金在高溫變形時，金屬流動困難，晶界易開裂，致使合金的熱加工困難。該類合金很難自由鍛造，熱加工困難是阻礙Ti-V-Cr系阻燃鈦合金大批量工程化應用的主要障礙之一。

由上可知，Ti-V-Cr系阻燃鈦合金由于合金元素含量大、難于獲得高品質鑄錠，且鑄態組織塑性有限、變形抗力大，鑄錠開坯有較大難度。除此之外，機械加工困難也是國內外阻燃鈦合金的“通病”，加工效率低和刀具破損嚴重是Ti-V-Cr系阻燃鈦合金材料銑削加工存在的主要問題。鑄、鍛熱加工帶來的制造缺欠及昂貴的機械加工成本限制了Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的工程化應用，迫切需要發展該類材料的近凈增材制造技術。

在該類材料應用于航空構件制造及其后續使用過程中還將出現其他工程實際問題，如因各種不可避免原因導致大量的加工超差，或在服役使用中經常出現裂紋、腐蝕、磨損等失效。特別是對于鈦合金主承力結構的加工超差或服役損傷，補救措施往往需要較大的經濟成本或較長的修理周期。這些重要結構件價值少則數十萬元，多則上百萬元，嚴重者只能作報廢處理。因此，在阻燃鈦合金結構件的制造及再制造過程中，高效、高性能的增材制造技術是亟待解決的關鍵問題，包括構件的近凈成形制造技術及損傷和失效零件的快速修復，從而實現零部件的高效制造及修復。

激光增材制造技術是一種兼顧精確成形和高性能成性需求的一體化近凈成形制造技術，包括以同步材料送進為主要技術特征的激光立體成形技術(laser solid forming，LSF)和以粉末床為主要技術特征的選區激光熔化技術(selective laser melting，SLM)。激光立體成形技術利用高能激光使熔覆材料與基體形成良好的冶金結合，實現零件幾何尺寸及力學性能的精確控制，是解決阻燃鈦合金近凈成形及修復難題的較好途徑。

目前在該方向的研究包括超聲輔助、磁場輔助和高頻感應輔助外場輔助激光增材制造技術等。在激光增材制造過程中施加超聲振動或者磁場均屬于通過強制流體流動而控制凝固過程的方法。液相區液體的流動將改變凝固界前沿的溫度場和濃度場，從而對凝固組織形態產生影響。超聲的高頻振動及輻射壓力可在熔池熔融金屬中形成有效的攪拌和流動，能顯著減弱液體的表面張力及摩擦力，能夠起到去除熔融金屬中氣體的作用。

但是由于在超聲攪拌輔助激光增材制造技術中，激光沉積修復熔池的體積小、存在時間短等特點，且與鑄造和焊接工藝不同的是，超聲攪拌是從修復件底部施加進去的，熔池的兩側沒有壁面加以約束，處于自由狀態。過大的超聲振幅會使得熔池的振動加劇，難以形成質量較好的修復層，超聲振幅較小時起不到預期作用，較大(超過0.55微米)時出現蜂窩狀的表面形貌。一定范圍的超聲振幅才能得到較好的修復層表面形貌。在保證成形效果的前提下，超聲攪拌又不足以克服成形層晶粒的外延生長的驅動力，阻止β柱狀晶的生長。因此如何解決超聲攪拌輔助激光增材制造的成形性與β柱狀晶晶粒細化的矛盾是當前迫切需要解決的技術難題。

發明內容

本發明的目的是提供一種雙超聲輔助激光增材制造裝置及方法，以解決上述現有技術存在的問題，使阻燃鈦合金在進行激光增材制造的過程中接受超聲攪拌和超聲沖擊的雙重作用，以達到阻燃鈦合金的組織細化和均勻化，實現對合金組織和力學性能的有效調控。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：