[發明專利]一種高強鋁合金粉芯絲材攪拌摩擦增材制造系統及方法

有效

• 申請號: 202210725989.7
• 申請日: 2022-06-23
• 公開（公告）號: CN114951958B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 余圣甫;邱源;禹潤縝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B22F10/00;B22F10/50;B22F12/00;B22F12/50;B23K20/26;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/10
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜

本發明屬于攪拌摩擦增材制造領域，并具體公開了一種高強鋁合金粉芯絲材攪拌摩擦增材制造系統及方法，其包括摩擦頭，摩擦頭包括從內至外依次套設的加熱器、錘環和摩擦環：加熱器用于對摩擦頭中部送入的粉芯絲材進行預熱，使粉芯絲材軟化后到達下板；錘環可上下振動，用于實時固定并擠壓下板上的粉芯絲材；摩擦環可旋轉，用于對下板上的粉芯絲材產生剪切力，實現固相沉積。本發明在攪拌摩擦增材制造過程中，對絲材進行錘擊和摩擦，實現構件的全固態成型，解決了熔化高強鋁合金增材制造過程中出現氣孔、裂紋等缺陷的問題，且細化了晶粒；同時解決了現有攪拌摩擦增材制造方法無法實現連續穩定增材制造、粉末易氧化、受到空間制約等問題。

技術領域

本發明屬于攪拌摩擦增材制造領域，更具體地，涉及一種高強鋁合金粉芯絲材攪拌摩擦增材制造系統及方法。

背景技術

鋁合金密度低，具有良好的導電性、導熱性和延展性，廣泛的應用于航空航天、汽車、船舶以及機械制造等領域。高強鋁合金由于其強度高且易于加工，在航空航天中被廣泛應用。

鋁合金熔化增材制造技術包括激光增材、電子束增材和電弧增材等，這些成型方法都有高能熱源，材料在成型過程中會經歷融化和凝固的過程。由于高強鋁合金本身的性質，在熔化增材制造鋁合金構件時，容易出現如下問題，惡化增材制造鋁合金構件的質量：

(1)熔化增材制造鋁合金構件中易出現氣孔。因為氫原子在固態純鋁中的溶解度只有在液態純鋁中的5％左右，增材制造的過程中，氫原子從固態中析出，在液態中形成氫氣泡，然而鋁合金的冷卻速度過快，氣泡無法及時排出，從而形成氣孔。同時高強鋁合金，如7系鋁合金中含有Mg、Zn等元素，這些元素會增大氫原子的分壓，使得氫原子向液態移動，形成氣泡。

(2)熔化增材制造鋁合金構件中易出現裂紋。高強鋁合金，如7系鋁合金，有著較大的凝固區間與脆性溫度區間，同時固相與液相的熱收縮系數不同，固相以更快的速度收縮，然而鋁合金的凝固和冷卻速度過快，增大了鋁合金中的熱裂傾向，從而使得鋁合金熔化增材制造中易存在裂紋。

(3)熔化增材制造鋁合金構件中會出現晶粒粗大的現象。在熔化增材制造的方法中，鋁合金不可避免的會經歷熔化凝固的過程，所得堆積金屬會呈現出鑄造態的粗大晶粒。

如上所述，熔化增材制造技術在制造高強鋁合金構件，不可避免的要經歷融化凝固的過程，容易出現氣孔、裂紋以及晶粒粗大的問題，一般會采用工藝優化或者優化絲材的方式解決。然而一旦制造過程中出現參數波動等問題就會導致缺陷的出現，存在安全隱患。

攪拌摩擦焊作為一種新型固相焊接技術，可以避免傳統熔焊中常見的氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，目前已廣泛應用于各類金屬的高質量焊接。隨著增材制造技術的快速發展，基于攪拌摩擦搭焊原理的攪拌摩擦增材制造技術也受到了越來越多的關注。例如：

專利201710606621.8提出了一種靜軸肩攪拌摩擦焊的靜軸肩裝置及增材制造方法，其解決了因攪拌頭過長，偏心量大與靜軸肩內壁摩擦造成攪拌針過早斷裂失效的問題；解決了因靜軸肩空間狹小而造成的裝夾困難的難題，實現了無余量近凈成形攪拌摩擦增材制造。但是其仍然是通過逐層添加板材實現攪拌摩擦增材制造，這種方式也無法實現穩定連續的攪拌摩擦增材制造過程，且無法仍然存在無法解決的余量問題，造成浪費。

專利201810229291.X提出了一種粉末進料式攪拌摩擦增材制造機，其利用離散的粉末作為原材料可解決連續絲材攪拌摩擦增材制造在的問題，但是粉末易形成較多的氧化物，形成的構件質量不穩定，并且鎂粉等粉材與空氣接觸易爆炸，因此粉末原材料的存儲成本較高。

專利201711019260.3提出了一種通過消耗型攪拌摩擦工具增材制造的方法，其以消耗型材料作為攪拌摩擦工具，采用攪拌摩擦堆焊的方法，使消耗型攪拌摩擦工具的材料在基體表面逐層固相堆積，從而制備出所需金屬材料。有成本低廉、成型速度快、制備用時短等優點。但隔一段時間就要更換摩擦工具，無法實現連續的增材制造，形成的構件也無法保證質量的穩定。