[發明專利]一種估算金屬增材制造超聲沖擊處理作用層深度的方法

有效

• 申請號: 201811251010.7
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN109492277B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 姜風春;周長平;王建東;袁丁;馮帥;李響;孫徠博;蘇艷;果春煥;王振強
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;B22F3/105;B33Y50/02;B22F10/85;G06F111/10;G06F119/14;G06F113/10
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本發明提供一種估算金屬增材制造超聲沖擊處理作用層深度的方法，作用層深度計算模型為:式中，r_max為作用層深度、υ為增材制造金屬件泊松比、ρ為密度、E為彈性模量、f為超聲換能器頻率、A為變幅桿振幅、r₀為沖擊針半徑、pin為沖擊針、AM為被沖擊材料、σ_p0.2為被沖擊材料在高應變率條件下的壓縮屈服強度。本發明的估算方法可以用來預測在特定“增材”與“鍛造”成形參數下作用層深度，用于指導“超聲波輔助增材制造”復合制造成形工藝制定，如逐層沉積層高度、線能量輸入密度、UIT頻率及振幅等，實現增材制造金屬零部件組織和內應力的準確控制，解決現有增材制造技術成形金屬構件控形、控性難題，獲得和鍛件性能相媲美的高性能金屬零部件。

技術領域

本發明涉及一種超聲沖擊處理作用層深度的方法，尤其涉及一種估算金屬增材制造超聲沖擊處理作用層深度的方法，屬于增材制造及超聲沖擊處理領域。

背景技術

作為一種先進的制造技術，增材制造(Additive manufacturing,AM)技術獲得了廣泛的應用。但是增材制造成形金屬制件沉積態組織存在一些固有特征，以激光金屬沉積(Laser metal deposition,LMD)技術為例，由于成形過程由高能量密度激光束形成較小熔池，使送入熔池中的粉末完全熔化，冷卻過程經歷較高的溫度梯度、極快的冷卻速度以及大的凝固前沿生長速度，因此沉積組織多為發達的柱狀枝晶、非平衡顯微組織以及存在較大的殘余應力。外延生長的柱狀枝晶使沉積件力學性能各向異性。其次，局部快速凝固會在成形件中產生高的殘余應力，若實驗參數控制不當甚至會在晶間區域產生熱裂紋，因此影響材料的疲勞強度和斷裂韌性。力學性能各向異性以及較大殘余應力的存在會限制激光沉積金屬制件在高性能關鍵部件上的應用。

因此，為了消除激光金屬沉積件組織不利特征，除了對成形工藝參數優化外，人們發展了多種輔助成形工藝技術，例如：后續熱處理、表面沖擊處理(SMAT)、滾壓軋制、超聲振動、熱等靜壓、噴丸等來改善沉積件的組織和性能。但是這些技術存在各種各樣的局限性，例如：超聲振動技術不適合大尺寸構件的成形，因為隨著構構件尺寸的增加，振動能場對零件上端熔池作用減弱，對換能器功率及負載能力提出更高要求；滾壓軋制技術是采用滾輪對金屬熔覆層進行逐層軋制鍛造，把鑄態組織變為鍛造態組織，但需要對滾輪施加較大的壓力，因此，這種技術難以成形薄壁件和形狀復雜構件。后處理技術中熱等靜壓及熱處理技術等需要昂貴的大型設備且處理成本高，難以處理大型金屬制件。

最近幾年，超聲沖擊處理(Ultrasonic impact treatment,UIT)技術作為一種后處理技術因其設備小、操作簡單、高能量密度輸入等特點被廣泛應用在焊接接頭處理中，用來消除殘余應力，降低表面應力集中，提高焊接接頭的疲勞性能。在超聲沖擊處理過程中，普通正弦波電信號經過超聲電源及換能器后，轉化為20kHz及以上超聲頻率振動信號，經變幅桿放大作用后，推動沖擊針以較高速度沖擊待處理材料表面，使沖擊表面一定深度內發生嚴重的塑性變形以及改變材料表面的應力狀態(由拉應力狀態轉化為壓應力狀態)，從而提高材料疲勞性能。后來人們結合金屬增材制造(AM)技術與超聲沖擊處理(UIT)技術，發展了增鍛復合制造技術。即在進行激光沉積金屬的同時，施加超聲沖擊能量，實現“逐層沉積，逐層鍛造”，可有效改善沉積層組織、鍛合缺陷、消除內應力，其次，由于其沖擊過程“小載荷，小沖擊面積，大沖擊能量密度”的特點，可實現較復雜薄壁金屬零部件的復合成形。