[發明專利]一種電感超聲耦合輔助直接激光沉積金屬材料的方法

有效

• 申請號: 201910746568.0
• 申請日: 2019-08-14
• 公開（公告）號: CN110421167B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 馬廣義;宋晨晨;余超;吳東江;牛方勇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種電感超聲耦合輔助直接激光沉積金屬材料的方法,屬于增材制造領域，涉及耦合能量場，該能量場為電感溫度場和超聲波動場耦合得到。隨動電磁感應裝置通過將感應線圈懸于激光頭正下方使線圈跟隨激光頭運動對熔池周圍圓形區域進行預熱緩冷；底部超聲裝置固定于工作臺與基板之間，超聲波通過基板向上傳導到熔池，對熔池及固液界面處進行沖擊攪拌。該耦合能量場彌補了單一電感溫度場對熔池沒有攪拌效果及單一超聲波動場對熔池作用時間短效果不顯著的缺點。感應加熱起到預熱緩冷作用，降低溫度梯度減小熱應力，且溫度場通過減緩熔池凝固速率有效提高超聲對熔池的沖擊攪拌效率；耦合能量場能夠有效減少裂紋氣孔缺陷，提高金屬材料成形件的機械性能。

技術領域

本發明屬于增材制造領域，涉及一種電感超聲耦合輔助直接激光沉積金屬材料的方法。

背景技術

增材制造技術改變了以往的鑄造、鍛造以及常規減材加工方式，大大縮短了零部件的加工制造周期，且利用現有的增材制造技術已經能夠制造出不低于鍛件性能的零件。得益于增材制造獨特的加工方式，設計師們的設計創造空間也得到了大大拓展，不再受傳統制造方式的限制。增材制造也使得產品的生產更加柔性化，個性化，能夠更大程度的滿足特定客戶的實際需要。利用基于同軸送粉技術的直接激光沉積增材制造方法加工金屬材料可以克服其常規加工的一系列工藝問題，大大縮短其制造周期。與此同時，利用激光熔化金屬粉末進行沉積的加工方式更容易實現合金成分的調控以及梯度成分零件的制造。目前增材制造技術已經在設備、方法和工藝等方面有了一些成果，但在金屬成形過程中依然存在一些問題。因為激光沉積制造過程存在極速地升溫和降溫，這會產生很大的溫度梯度；同時其凝固時間很短，容易產生氣孔、縮孔以及組織成分不均勻，進而為裂紋源埋下隱患，這些部位在過大的溫度梯度所產生的殘余應力下會發展為微觀或宏觀裂紋。這些缺陷都會降低零部件的力學性能，應竭力避免。

為解決金屬材料增材制造過程中的裂紋氣孔缺陷，在此提出一種電感超聲耦合輔助直接激光沉積金屬材料的方法。超聲作用于熔池能減少增材制造過程中產生的氣孔裂紋等缺陷，超聲在熔池中主要通過機械振動作用、空化作用以及聲流作用對熔池產生影響。超聲以波動的形式在熔池中傳播，其是一種帶有能量的機械波，強迫熔池發生機械振動。與此同時空化作用對熔池內的液體擠壓和拉伸，不斷有空化泡形成和壓破，進而產生強烈的沖擊將錯綜復雜、粗大的枝晶打碎，使凝固過程中各處液體充分填充的同時也充分排出了熔池內的氣體。聲流作用是指超聲在熔池傳播過程中產生的聲波梯度對熔池進行攪拌，促使成分分布更加均勻，對合金元素的偏析產生抑制效果，從而阻止裂紋源產生。而電感加熱主要起到預熱緩冷作用，提前對上一層基體進行預熱可以降低層與層之間的溫度梯度，從而降低熱應力抑制裂紋擴展；對沉積后的表層緩冷可以降低液態金屬的凝固速度，充分釋放凝固過程中的內應力，同時高溫促進金屬液的流動，金屬液對已經產生微觀裂紋的部位及時填充抑制裂紋擴展。

上海交通大學陳暢源：“Ni含量及超聲振動對激光熔覆中裂紋的影響”。利用超聲輔助激光熔覆技術成形了Ni25以及Ni60樣件，表面裂紋密度明顯變小，微觀組織中的枝晶被打碎，晶粒得到了細化，成分分布更加均勻。但成形過程中溫度梯度及熱應力依然很大，表面仍存在宏觀裂紋。

沈陽航空航天大學卞宏友：“感應預熱對激光沉積修復TA15鈦合金顯微組織和殘余應力的影響”。在基體底部施加感應加熱進行激光沉積實驗，發現隨溫度的升高殘余應力明顯減小，組織分布也更加均勻。但在基板底部進行加熱效率較低，熱損失較大，無法實現對局部特定區域進行加熱。

專利CN201910067776.8報道了一種電磁感應加熱輔助激光增材制造鈦基復合材料的裝置及方法，利用掃描路徑上一前一后兩個電磁感應線圈對成形件進行預熱緩冷，實時加熱且具有較小的熱影響區，但隨掃描路徑的變化需要不斷改變電感線圈的方向，需要額外的轉向裝置，結構復雜；此外，單一施加電感加熱不能對熔池產生沖擊攪拌效果。

發明內容：