[發(fā)明專利]一種改善增材制造金屬構(gòu)件組織和性能的超聲沖擊與沉積成形集成裝置與技術(shù)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910724234.3
• 申請(qǐng)日: 2019-08-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112342366A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高華兵;姜風(fēng)春;許德;肖明穎;王振;果春煥;劉楊;張坤;陳元平;華大成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈船制造科學(xué)研究院（煙臺(tái)）有限公司;哈爾濱工程大學(xué);杭州成功超聲設(shè)備有限公司
• 主分類號(hào): C21D10/00
• 分類號(hào): C21D10/00;C22F3/00;C23C24/10;B22F3/105;B33Y10/00;B33Y30/00
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• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明提供了一種改善增材制造金屬構(gòu)件組織和性能的超聲沖擊與沉積成形集成裝置與技術(shù)，屬于金屬材料增材制造領(lǐng)域。本發(fā)明是將沉積成形裝置與超聲沖擊工具頭同軸裝配，沖擊路徑可隨任意加工路徑同步變化，在金屬沉積過(guò)程中環(huán)形超聲微鍛造工具頭跟隨沉積層進(jìn)行同步?jīng)_擊鍛造，在沉積層發(fā)生塑性變形基礎(chǔ)上，該種新型的集成沖擊裝置可促使再結(jié)晶溫度以上的高溫區(qū)域處發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而細(xì)化晶粒、減小材料缺陷、消除殘余應(yīng)力。與現(xiàn)有的裝置相比，本發(fā)明的集成裝置可大幅增加作用深度及沖擊效果，同時(shí)可以使復(fù)雜工件成形路徑規(guī)劃和超聲沖擊路徑合二為一，大幅簡(jiǎn)化了復(fù)雜金屬構(gòu)件的加工程序，有利于增鍛減復(fù)合制造高端加工中心的設(shè)計(jì)和制造。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬增材制造領(lǐng)域，具體涉及一種新型的改善增材制造金屬構(gòu)件組織和性能的超聲沖擊與沉積成形（激光熔絲、電弧熔絲、激光熔粉）集成裝置與技術(shù)，適用于激光同軸熔絲沉積成形、激光同軸送粉沉積成形、電弧熔絲沉積成形、電子束熔絲沉積成形及等離子沉積成形增材制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)

增材制造，又稱“3D 打印技術(shù)”是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件建立零件的三維模型，通過(guò)特定打印技術(shù)以逐層熔凝堆積的方法將離散材料(粉末、液體、絲材等)加工成形的一種低損耗疊層加工技術(shù)。

金屬及合金材料因其快速成形過(guò)程中伴有復(fù)雜的非平衡物理冶金過(guò)程，增材制造中激光等熱源對(duì)金屬材料的作用時(shí)間極短，疊層堆積的材料經(jīng)歷驟冷驟熱的交替過(guò)程，導(dǎo)致金屬在“熔化-凝固-冷卻”過(guò)程中存在較高的溫度梯度，從而使得材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力。由于加工過(guò)程熔池的定向移動(dòng)，熔覆層內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)以拉應(yīng)力為主，極易引發(fā)材料變形或誘發(fā)裂紋導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降甚至失效。同時(shí)，由于增材制造特有的疊層成形工藝，金屬增材制造很難避免的會(huì)產(chǎn)生球化、孔隙、夾雜等缺陷，對(duì)金屬構(gòu)件的機(jī)械性能產(chǎn)生影響，與傳統(tǒng)鍛件相比最明顯的不足表現(xiàn)在材料塑形韌性較差，疲勞強(qiáng)度較低，該問(wèn)題嚴(yán)重制約了大型復(fù)雜金屬零件增材制造技術(shù)的工程應(yīng)用。因此，消除和改善金屬及合金材料在增材制造中的熱應(yīng)力，減少裂紋等組織缺陷，提高材料塑韌性及疲勞性能，已經(jīng)成為增材制造領(lǐng)域中制備大型金屬構(gòu)件制備的核心技術(shù)。

目前，用于改善增材制造材料力學(xué)性能和顯微組織的主要方法有熱處理、熱等靜壓、滾壓軋制、超聲沖擊、超聲沖擊微鍛造等。

熱處理工藝能夠降低構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力、微裂紋等缺陷，其常用的手段為去應(yīng)力退火，盡管熱處理退火后材料的塑性比沉積態(tài)有顯著提高，但對(duì)于微觀組織的影響不太明顯，且熱處理易導(dǎo)致沉淀硬化，降低材料的高周疲勞性能，同時(shí)，熱等靜壓、熱處理受制于設(shè)備空間對(duì)產(chǎn)品的尺寸限制，生產(chǎn)效率低，設(shè)備成本高，尤其對(duì)于大型的復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的控制十分困難。

滾壓軋制技術(shù)是利用加載的滾輪對(duì)增材制造過(guò)程中的沉積層進(jìn)行軋制鍛造，該技術(shù)可改善材料內(nèi)部組織和減少殘余應(yīng)力，使作用區(qū)域發(fā)生細(xì)晶強(qiáng)化，改善構(gòu)件的力學(xué)性能。但是這種技術(shù)需要通過(guò)滾輪對(duì)沉積層施加很高的機(jī)械載荷，特別是對(duì)高強(qiáng)度材料（如鈦合金、鈦基復(fù)合材料、高強(qiáng)鋼等），才能發(fā)揮作用。所以，對(duì)薄壁件采用這種技術(shù)時(shí)很容易引起構(gòu)件的變形和塌陷。

超聲振動(dòng)技術(shù)是將超聲振動(dòng)裝置安裝在基板的下方，在沉積過(guò)程中通過(guò)利用超聲波的空化作用以及產(chǎn)生的高頻振動(dòng)等對(duì)上方成形件液態(tài)金屬熔池的凝固過(guò)程進(jìn)行干擾，從而達(dá)到細(xì)化晶粒、消除氣孔、均勻組織的目的。但該技術(shù)不適合應(yīng)用于大型金屬構(gòu)件，因?yàn)槌暡ㄔ趥鬟f過(guò)程中會(huì)發(fā)生反射和衰減，有一定的作用深度，隨著沉積層數(shù)增加和沉積構(gòu)件尺寸的增加，其透過(guò)已成形的金屬構(gòu)件作用與上方熔池中的效果不斷衰減，對(duì)于大型金屬構(gòu)件成形中無(wú)法采用這一技術(shù)。