一種金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料增材制造(3D打印)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬材料高能束_超聲復(fù)合增材制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]增材制造技術(shù)是由計算機控制按照CAD模型，采用高能束對金屬材料(粉末、絲材或板材)進行逐層熔化/凝固堆積，直接由三維模型逐層堆積成金屬構(gòu)件的近凈成形制造技術(shù)。和傳統(tǒng)制造方法相比，其無需模具，生產(chǎn)周期短，材料利用率高，可成形傳統(tǒng)方法無法制造復(fù)雜/超復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景，因此近年來倍受關(guān)注。
[0003]然而，金屬材料熔化增材制造難度大，主要有三個問題一直制約該技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。第一，內(nèi)應(yīng)力問題。金屬熔化增材制造過程的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和凝固收縮應(yīng)力造成結(jié)構(gòu)件中存在巨大的內(nèi)應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)件易于翹曲變形、甚至開裂。第二，冶金缺陷問題。增材制造熔化/凝固過程中易產(chǎn)生氣孔、未熔合等內(nèi)部缺陷，造成構(gòu)件疲勞性能等關(guān)鍵力學(xué)性能差。第三，晶粒粗大問題。增材制造的金屬構(gòu)件晶粒無法細化到鍛件水平，造成其綜合力學(xué)性能無法達到鍛件標(biāo)準(zhǔn)，限制了其在長期服役承力結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。上述三個問題即使在工藝優(yōu)化后，仍然嚴(yán)重存在。因此，在結(jié)構(gòu)件制造完成后，需要進行后處理，如采用熱處理消除內(nèi)應(yīng)力、熱等靜壓消除內(nèi)部缺陷等。然而，后處理存在一定局限性，如無法防止增材制造過程中的零件變形開裂，無法細化晶粒，熱等靜壓設(shè)備昂貴且其處理后冶金缺陷仍有部分殘留。此外，熱等靜壓設(shè)備能夠處理的零件尺寸較小，限制了高能束增材制造大型金屬構(gòu)件的應(yīng)用。因此，后處理尚無法解決金屬構(gòu)件增材制造的三大瓶頸問題，亟待開發(fā)新方法。
[0004]超聲沖擊是一種金屬材料表面處理的新技術(shù)，其通過大功率超聲波推動沖擊工具高頻沖擊金屬表面，使表面產(chǎn)生一定厚度塑性變形層，可有效消除金屬表面應(yīng)力和缺陷、細化晶粒。高能束增材制造技術(shù)與超聲沖擊結(jié)合，是解決金屬材料增材制造的三大瓶頸問題的方法之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是基于增材制造“逐層”堆積的技術(shù)原理，提出了超聲沖擊實時“逐層”消除內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷、細化晶粒的新方法，形成了高能束熔化逐層凝固成形+超聲沖擊逐層塑性成形的高能束-超聲復(fù)合增材制造新技術(shù)，其能有效解決內(nèi)應(yīng)力、內(nèi)部缺陷和晶粒粗大問題，提高增材制造金屬構(gòu)件的力學(xué)性能。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]本發(fā)明提供了一種金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，其特征在于，在逐層堆積的增材制造過程中，由高能束熔化金屬成形材料，在逐層熔化/凝固堆積一定層數(shù)后，對凝固層進行超聲沖擊，使凝固層發(fā)生壓塑性變形，從而消除成形件內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷、細化晶粒，然后繼續(xù)進行逐層熔化/凝固堆積和超聲沖擊過程，直至完成整個金屬構(gòu)件的成型過程。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法還可以具有以下技術(shù)特征，具體包括以下步驟:
[0009](I)分層與路徑規(guī)劃:通過CAD繪制零件的三維模型，采用切片軟件獲得零件分層截面數(shù)據(jù)，規(guī)劃分層截面高能束掃描路徑和超聲沖擊路徑。
[0010](2)高能束熔化/凝固:高能束按照已規(guī)劃截面掃描路徑將金屬材料熔化，形成一定厚度的凝固層，此時凝固層中存在較大拉伸殘余應(yīng)力、冶金缺陷及粗大晶粒；
[0011](3)超聲沖擊塑性變形:超聲沖擊槍按照已規(guī)劃截面沖擊路徑對凝固層進行沖擊，使凝固層發(fā)生壓塑性變形，形成塑性變形層，從而消除內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷、細化晶粒；
[0012](4)逐層堆積成形:重復(fù)執(zhí)行(2)和(3)，從而形成高能束熔化逐層凝固成形和超聲沖擊逐層塑性成形的過程，在基板或成形板上形成多層堆積的高性能金屬構(gòu)件。
[0013]為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，上述高能束包括激光束、電子束、電弧或離子束等高功率或高亮度熱源；所述金屬成形材料可以是粉末、絲狀或板狀材料；所述高能束將金屬材料熔化/凝固堆積一定層數(shù)可以單層或多層，隨具體工藝條件而變化；所述凝固層的厚度應(yīng)小于超聲沖擊能達到的塑性變形的厚度，超聲沖擊塑性變形的厚度可通過改變沖擊頻率和超聲沖擊頭的沖擊力來控制。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有高能束增材制造技術(shù)相比，有如下優(yōu)點和有益效果:
[0015]1、本發(fā)明采用超聲沖擊在高能束增材制造過程中實時“逐層”處理，可有效消除內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷、細化晶粒，實現(xiàn)金屬構(gòu)件增材制造的高尺寸精度和高性能控制。
[0016]2、本發(fā)明處理工序簡單，實施容易，可廣泛應(yīng)用于金屬材料高能束流增材制造領(lǐng)域，特別適用于大型金屬構(gòu)件的高能束流增材制造，使其擺脫三大瓶頸問題的困擾，實現(xiàn)高性能大型金屬構(gòu)件的低成本快速制造。
【附圖說明】
[0017]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的一種金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，其中示出了選區(qū)激光熔化-超聲沖擊復(fù)合增材制造裝置示意圖
[0018]圖中:1.激光器；2.掃描振鏡；3.氣體保護成形室；4.機械移動裝置；5.超聲沖擊槍；6.成形缸；7.金屬粉末；8.成形件；9.刮粉板；10.儲粉箱
[0019]圖2為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的一種金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，其中示出了激光快速成形-超聲沖擊復(fù)合增材制造裝置示意圖
[0020]圖中:1.激光器；2.聚焦透鏡系統(tǒng)；3.氣體保護成形室；4.機械移動裝置；5.超聲沖擊槍；6.基體；7.成形層；8.同軸噴嘴；9.送粉器
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0022]實施例1
[0023]圖1示出了本發(fā)明一個實施例；選區(qū)激光熔化-超聲沖擊復(fù)合增材制造裝置示意圖，具體操作包括以下步驟:
[0024](I)刮板9將儲粉箱10落下的金屬粉末7刮至成形缸6的工作板上，形成一定厚度的預(yù)先鋪制粉末層；
[0025](2)激光器I產(chǎn)生激光束，通過掃描振鏡2按照已規(guī)劃的截面掃描路徑對預(yù)先鋪制的金屬粉末7進行選擇性熔化；
[0026](3)激光掃描熔化/凝固一定層數(shù)后，超聲沖擊槍5在機械裝置4的驅(qū)動下移至工作區(qū)域按設(shè)定的沖擊頻率、沖擊力以及規(guī)劃的路徑?jīng)_擊整個凝固層表面；
[0027](4)超聲沖擊槍5回復(fù)到初始位置，成形缸6下降一層厚度；
[0028](5)重復(fù)執(zhí)行步驟(I)?(4)，成形件8的熔化/凝固和塑性變形均在氣體成形保護室3內(nèi)進行。
[0029]實施例2
[0030]圖2示出了本發(fā)明的另一具體實施例；激光快速成形-超聲沖擊復(fù)合增材制造裝置示意圖，具體操作包括以下步驟:
[0031](I)聚焦透鏡系統(tǒng)2和同軸噴嘴8移至基體6上方工作區(qū)域；
[0032](2)激光器I通過聚焦透鏡系統(tǒng)2產(chǎn)生一定光斑直徑的激光束熔化基體6或已成形層7表面形成熔池。同時送粉器9利用保護氣體輸送金屬粉末，通過同軸噴嘴8將金屬粉末噴射到熔池中，從而熔化/凝固形成凝固層；
[0033](3)激光按已規(guī)劃掃描路徑熔化/凝固一定層數(shù)后，聚焦透鏡系統(tǒng)2和同軸噴嘴8回復(fù)到初始位置，并升高一個成形層厚度；
[0034](4)超聲沖擊槍5在機械裝置4的驅(qū)動下移至工作區(qū)域按設(shè)定的沖擊頻率、沖擊力以及已規(guī)劃的路徑?jīng)_擊整個凝固層表面；
[0035](5)超聲沖擊槍5回復(fù)到初始位置，并升高一個成形層厚度，
[0036](6)重復(fù)執(zhí)行步驟(I)?(5)，以上操作均在氣體成形保護室3內(nèi)進行。
[0037]實施例3
[0038]本實施例除下述特征外其他特征同實施例1:所述激光器I為電子束發(fā)射裝置。
[0039]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，其特征在于，在逐層堆積的增材制造過程中，由高能束熔化金屬成形材料，在逐層熔化/凝固堆積一定層數(shù)后，對凝固層進行超聲沖擊，使凝固層發(fā)生壓塑性變形，從而消除成形件內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷、細化晶粒，然后繼續(xù)進行逐層熔化/凝固堆積和超聲沖擊過程，直至完成整個金屬構(gòu)件的成型過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，其特征在于，所述高能束包括激光束、電子束、電弧或離子束等高功率或高亮度熱源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，其特征在于，所述金屬成形材料可以是粉末、絲狀或板狀材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，其特征在于，所述高能束將金屬材料熔化/凝固堆積一定層數(shù)可以單層或多層，可隨具體工藝條件而變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，其特征在于，所述凝固層的厚度應(yīng)小于超聲沖擊能達到的塑性變形的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，其特征在于，所述超聲沖擊塑性變形的厚度可通過改變沖擊頻率和超聲沖擊頭的沖擊力來控制。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬材料高能束-超聲復(fù)合增材制造方法，屬于金屬材料增材制造(3D打印)領(lǐng)域。該方法基于增材制造“逐層”堆積的技術(shù)原理，由高能束熔化金屬成形材料，在逐層熔化/凝固堆積一定層數(shù)后，對凝固層進行超聲沖擊，使凝固層發(fā)生壓塑性變形，從而消除成形件內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷、細化晶粒，然后繼續(xù)進行逐層熔化/凝固堆積和超聲沖擊過程，直至完成整個金屬構(gòu)件的成型過程。本發(fā)明利用超聲沖擊對凝固層進行實時“逐層”處理，可有效減少或消除內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷、細化晶粒，提高增材制造金屬構(gòu)件的力學(xué)性能。
【IPC分類】B22F3-105
【公開號】CN104525944
【申請?zhí)枴緾N201410815471
【發(fā)明人】劉長猛, 石學(xué)智, 馬樹元
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月23日