[發(fā)明專利]一種電弧、激光、振動耦合的增材制造方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010313823.5
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111515538A
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張帥鋒;吳曉飛;彭輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國船舶重工集團公司第七二五研究所
• 主分類號: B23K26/348
• 分類號: B23K26/348;B23K26/60;B23K26/70;B33Y10/00
• 代理公司: 洛陽公信知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 41120
• 代理人: 常曉虎

本發(fā)明提供一種電弧、激光、振動耦合的增材制造方法，該方法以電弧熱源為主要熱源進行增材，并同時引入激光和振動，由振動破碎熔池尖端的枝晶，增加形核質(zhì)點，達到細化晶粒目的，并由激光改善成形過程中熔池金屬的鋪展性，同時避免在熔池內(nèi)因振動產(chǎn)生微泡，進而消除組織中形成的微小孔隙，以獲得良好的成形，從而在金屬材料快速制造，尤其是艦船大型結(jié)構(gòu)的快速、高質(zhì)量建造中具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，具體的說就是一種電弧、激光、振動耦合的增材制造方法。

背景技術(shù)

增材制造能提高鈦合金材料的利用率，并且可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的快速制造，在航空航天、船舶、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，金屬材料的增材制造主要以高能束、電弧作為熱源，通過鋪粉/送粉、送絲等形式進行構(gòu)件的快速成形。但增材制造過程是一個快速非平衡凝固過程，金屬材料在成形過程中由于熱量積累和散熱的方向性導(dǎo)致成形組織易出現(xiàn)晶粒粗大、各向異性明顯等現(xiàn)象，影響成形工件性能和使用。

目前現(xiàn)有控制組織形貌和性能的方法主要通過單一的通過添加晶粒細化劑、采用超聲振蕩、磁場攪拌熔池的方法進行干預(yù)。通過添加合金元素作為晶粒細化劑在成形組織中能夠?qū)崿F(xiàn)控制粗大晶粒的目的，但是也引入了新的元素，可能會導(dǎo)致性能下降等。通過磁場的攪拌作用細化晶粒是一種較早的使用方式，但交變磁場在電弧增材過程中會影響電弧的穩(wěn)定性。采用超聲振蕩的方式，可以實現(xiàn)細化晶粒的目的，超聲振動的空化作用和聲流效應(yīng)會在熔池凝固過程中產(chǎn)生大量微泡核心，這些微泡核心保留下來可能會在成形組織內(nèi)部形成空隙，進而影響組織的服役性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種電弧、激光、振動耦合的增材制造方法，以電弧熱源為主要熱源進行增材，并同時引入激光和振動，由振動破碎熔池尖端的枝晶，增加形核質(zhì)點，達到細化晶粒目的，并由激光改善成形過程中熔池金屬的鋪展性，同時避免在熔池內(nèi)因振動產(chǎn)生微泡，進而消除組織中形成的微小孔隙，以獲得良好的成形，從而在金屬材料快速制造，尤其是艦船大型結(jié)構(gòu)的快速、高質(zhì)量建造中具有良好的應(yīng)用前景。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種電弧、激光、振動耦合的增材制造方法，對目標(biāo)金屬零件的三維模型進行切片處理，以獲得增材制造路徑，并據(jù)此設(shè)定增材制造的工藝參數(shù)，設(shè)定工藝參數(shù)后，還包括如下步驟：

步驟一，安裝振動裝置，以實現(xiàn)成形過程中基板和基板上金屬零件的整體振動，且振動方向為豎直方向和水平方向；

步驟二，按照所設(shè)定的工藝參數(shù)和路徑，在惰性氣體環(huán)境下采用電弧熔絲在基板上進行逐層沉積成形，直至獲得目標(biāo)金屬零件；

在步驟二中，在沉積成形的同時，通過所述的振動裝置對基板和已得到的金屬零件進行振動，振動的頻率以能夠使金屬熔池內(nèi)樹枝晶破碎而細化晶粒為準(zhǔn)；

在進行振動的同時，根據(jù)所得金屬零件上金屬熔池的形態(tài)，采用大光斑、低能量密度的激光作用于金屬熔池上，以改善金屬熔池金屬的流動性，避免因振動產(chǎn)生空隙缺陷。

所述目標(biāo)金屬零件的材質(zhì)為鈦、鋼、鋁、銅中的任一種。

所述振動裝置為機械振動裝置。

所述機械振動裝置為激振器。

所述振動裝置為超聲振動裝置。

所述基板在使用前需要進行清洗處理。

對所述基板進行清洗處理的方法是，將所述基板的表面進行機械打磨，分別用丙酮、酒精溶劑以超聲波清洗的方式去除基板表面的油污，干燥待用，然后將清洗過的基板測量好尺寸后置于工作臺上，并用夾具固定好，備用。

所述基板和基板上金屬零件的振動頻率為10~50kHz，振幅為50~500μm。