CN107470628B - 改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置与增材制造方法 - Google Patents

改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置与增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置与增材制造方法。包括换能器、气动滑台、气动滑台连接架、变幅杆、工具头和滚柱，换能器置于换能器外壳内，换能器外壳上设置接插件和管路接头，变幅杆连接于换能器下，工具头连接于换能器下，滚柱位于工具头与工件之间，气动滑台通过气动滑台连接架与换能器外壳和变幅杆连接。该装置综合了超声冲击频率高和机械滚压产生变形大的优点，可实现超声冲击和连续滚压微锻造复合作用，实现改善增材制造金属微观组织和提高零部件力学性能的目的。通过本发明和现有增材制造技术的有机结合，解决现有金属增材制造中控形易、控性难的技术瓶颈，引发金属快速成形与制造技术的创新和发展。

Description

改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置与增材 制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种金属增材制造装置，本发明也涉及一种金属增材制造方法。具体地说是一种改善增材制造金属微观组织和力学性能的超声微锻造复合装置及方法。
背景技术
目前，增材制造技术已经在铸造砂型、生物医疗器械、高分子材料等领域获得了广泛应用，但是由于该技术本身的特点限制了其在金属零部件快速成形制造领域的应用，尤其在利用现有的高能束(激光、电子束和等离子)增材制造技术制造大型复杂金属结构件时遇到了瓶颈。因为金属的增材制造过程经历了复杂物理冶金过程，零件成形时经历的材料熔化、凝固和冷却都是在极快的条件下进行的，不可避免的导致熔池与基体间处在很大的温度梯度，这样会产生热应力和残余应力，易产生微裂纹降低材料的韧性。同时，材料内部的金属组织为铸态，呈现出树枝状。另外，由于增材制造过程中多种成形工艺因素的影响，在金属沉积层中易形成裂纹、气孔、夹杂、层间结合不良、球化效应等缺陷。材料内部微观组织缺陷导致增材制造金属零部件的力学性能(如韧性、强度和疲劳性能等)劣化，这是影响增材制造技术在金属零部件、特别是大型复杂金属构件制造应用推广的最主要技术瓶颈。因此，如何改善材料内部微观组织、减少材料内部缺陷、提高金属零部件的力学性能，降低和消除增材制造金属零部件内部残余应力防止变形和开裂、实现大型金属构件控形控性增材制造是目前金属增材制造领域一个重要的研究方向。
目前，解决增材制造微观组织和力学性能主要方法和技术有后处理技术、超声干扰、超声冲击和滚压轧制技术。
后处理技术：包括热等静压和热处理技术等，都需要昂贵的大型设备，难以处理大型金属制件，效率太低、成本较高；
超声干扰技术：是在金属沉积层凝固以前，将超声能场从工件的底部作用于上端的高温液态熔池，破碎熔池中籽晶，增加金属组织形核率，从而达到细化晶粒的目的。但是由于超声能场作用深度的限制，随着金属沉积高度的增加，对零部件上端沉积层微观组织的细化作用越来越小。所以，这种方法难以应用于大尺寸复杂金属零部件制造。另外也会大幅影响沉积效率，使增材制造的成形制造效率降低；
超声冲击技术：原理是将超声冲击作用于固态沉积层，使其发生塑性变形和回复再结晶，从而达到细化晶粒的效果。但是传统的超声冲击装置其变幅杆与换能器输出端固定在一起，频率和换能器相同，达到了超声频率。但是和工件直接接触的冲击针并没有和变幅杆端部直接相连，是分体的。冲击针作用后二者分离，所以实际上目前所谓的超声冲击技术频率远远没有达到超声波高频范围。研究表明工程上目前使用的超声冲击装置冲击针实际的冲击频率只有几百赫兹左右，根本没有达到超声波冲击频率的20KHz范围。因此，超声能场在改善金属微观组织和提高力学性能的作用效果也还远远没有发挥出来；
滚压轧制技术：是采用滚轮对金属熔覆层进行逐层的轧制锻造，对改善金相组织有明显效果，但是去除残余应力效果欠佳，并且需要较大的压力(当压力接近100KN时，钛合金晶粒细化效果才达到理想效果)。为了支撑较大的载荷，滚压头尺寸较大。因此，这种技术应用于薄壁件和内腔复杂的零部件时难度较大。尽管如此，滚压轧制方法由于其成本较低、使用操作方便，目前已经在增材制造领域的应用研究取得了一定的进展。例如：美国的Frank L.Carbone早在2005年就发明了一种电子束增材制造技术与装置，其中金属微观组织改善和力学性能提高的技术路线就是采用了滚压轧制的方法[1](技术细节详见美国专利US2005/0173380 A1)。英国克莱菲尔德大学的电弧增材制造处于国际的领先水平，他们也采用了滚动轧制的方式对增材制造的沉积层进行塑性变形处理。其研究结果表明，层间轧制或者滚压处理能够有效地细化晶粒，减少材料内部的孔隙率，提升材料的硬度和强度等性能，但并不能有效的去除材料内部的残余应力[2-7]。国内华中科技大学开发了等离子束为热源的“智能微铸锻铣复合制造技术”，实现了3D打印锻态等轴细晶化、高均匀致密度、高强韧、形状复杂的金属锻件，大幅提高了制件力学性能和可靠性。该技术的原理也是采用微型轧辊或微型挤压装置对熔积区域作压缩成形与加工，实现改善金属微观组织和力学性能[8,9](详见中国专利CN 101817121 A)。
通过对目前现有的几种改善增材制造微观组织和提高金属零部件力学性能的方法分析可以发现，这些方法和技术，能够在一定程度上改善了金属增材制造材料内部微观组织和提高了金属零部件的力学性能，但每种增材制造辅助方法都存在一定局限性，在一定的条件下使用。
与本发明相关的公开文献包括：
[1].Frank L.Carbone.Directed energy net shape method and apparatus:U.S.Patent20050173380[P].2005-8-11；
[2].Colegrove P A,Coules H E,Fairman J,et al.Journal of MaterialsProcessing Technology,2013,213(10):1782-1791；
[3].Martina F,Colegrove P A,Williams S W,et al.Metallurgical andMaterials Transactions A,2015,46(12):6103-6118；
[4].Gu J,Ding J,Williams S W,et al.Journal of Materials ProcessingTechnology,2016,230:26-34；
[5].Gu J,Ding J,Williams S W,et al.Materials Science and Engineering:A,2016,651:18-26；
[6].Donoghue J,Antonysamy A A,Martina F,et al.MaterialsCharacterization,2016,114:103-114；
[7].Martina F,Roy M J,Szost B A,et al.Materials Science andTechnology,2016,32(14):1439-1448；
[8].张海鸥,王桂兰.零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置：中国,101817121.A[P].2010-09-01；
[9].张海鸥,王桂兰.零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置：中国,101817121.B[P].2012-03-28；
[10].Vasylyev M A,Chenakin S P,Yatsenko L F.Acta Materialia,2016,103:761-774；
[11].Zhao Y,Zhang Y,Luo Z,et al.Materials Science Forum.2016,850；
[12].Mordyuk B N,Prokopenko G I,Vasylyev M A,et al.Materials Scienceand Engineering:A,2007,458(1):253-261；
[13].Mordyuk B N,Prokopenko G I.Journal of Sound and Vibration,2007,308(3):855-866；
[14].Suh C M,Song G H,Suh M S,et al.Materials Science andEngineering:A,2007,443(1):101-106；
[15].Petrov Y N,Prokopenko G I,Mordyuk B N,et al.Materials Scienceand Engineering:C,2016,58:1024-1035；
[16].Vasylyev M A,Chenakin S P,Yatsenko L F.Acta Materialia,2012,60(17):6223-6233；
[17].李勇.高频锻造对激光熔覆层应力场的影响[D].南华大学,2012；
[18].余金水.高频微锻造对激光成形成形304不锈钢试件力学性能的影响[D].南华大学,2012；
[19].戚永爱.基于超声冲击的激光快速成形镍基高温合金强化技术研究[D].南京航空航天大学,2014。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决金属增材制造所制备材料内部残余应力引起的开裂、材料内部缺陷以及材料内部微观组织粗大和不均匀导致的零部件力学性能差等问题的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置的增材制造方法。
本发明的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置包括换能器11、气动滑台4、气动滑台连接架5、变幅杆10、工具头8和滚柱6，所述换能器11置于换能器外壳3内，换能器外壳3上设置接插件1和管路接头2，变幅杆10连接于换能器11下，工具头8连接于换能器11下，滚柱6位于工具头8与工件7之间，气动滑台4通过气动滑台连接架5与换能器外壳3和变幅杆10连接。
本发明的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置还可以包括：
1、气动滑台连接架5通过固定卡环9与换能器外壳3和变幅杆10连接。
2、工具头底部设有凹槽13。
3、工具头8底部具有限位挡块。
4、换能器11，变幅杆10及工具头8均通过螺杆连接。
基于本发明的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置的增材制造方法之一为：每沉积一层后，对表面进行超声微锻造处理。
基于本发明的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置的增材制造方法之二为：每沉积两层以上后，对表面进行超声微锻造处理。
本发明提出了一种改善增材制造金属组织和性能的超声微锻造复合技术与装置，解决现有金属增材制造领域所制备材料内部残余应力引起的开裂、材料内部缺陷以及材料内部微观组织粗大和不均匀导致的零部件力学性能差等问题，为金属增材制造技术的推广应用提供新的技术支撑。
本发明的超声微锻造复合装置主要包括：接插件1、换能器11、管路接头2、换能器外壳3、气动滑台4、气动滑台连接架5、变幅杆10、工具头8、滚柱6和固定卡环9；
所述接插件1主要用于连接超声波电源，将超声波驱动电源电信号传输到换能器上；
所述换能器11用于将电能转换为机械能也就是超声波；
所述管路接头2用来连接流体压缩空气的管路，对冷却换能器11进行冷却，以保证换能器能够长时间的稳定工作。因超声波设备在正常工作时，换能器会产生一定的热量，而且随着工作时间的增加，热量会累积在换能器外壳内，所以需要对换能器进行冷却，特别是对于长时间工作的大功率换能器其冷却系统是必不可少的。
所述换能器外壳3用于固定换能器11、接插件1、管路接头2，并能保护换能器；
所述固定卡环9用于将超声波设备固定在气动滑台连接架5上，当然也可以用其他的固定方式，示意图中给出的只是其中的一种布置结构；
所述气动滑台4用于提供向下压力，带动换能器11向下工作，并提供持续压力，也可采用液压装置，压力更加稳定可靠；
所述气动滑台4连接架用于连接滑台与卡环；
所述变幅杆10用于放大换能器产生的超声波，将换能器产生的超声波能量放大，也就是放大换能器振幅，变幅杆也叫调幅器，具有调整振幅、放大振幅的功能；
所述工具头8用于将所述变幅杆10放大后的超声波作用于滚柱6，作为超声波的辐射端，在端面产生工作需要的振幅，并且将超声波能量通过超声波输出端13传递到滚柱，再由滚珠直接作用于增材制造的沉积层上；
所述的工具头底部即超声波输出端13设有凹槽用于滚柱的安装和限位，其尺寸和形状和滚柱6匹配，使其可以在工件上自由滚动，并将超声能量传递至金属沉积层上。同时工具头底部具有限位挡块，避免滚柱在超声振动时从工具头脱落。
所述滚柱6在金属沉积层高频振动的同时，通过直接作用和沉积层接触将超声能量传递到滚压产生的局部塑性变形区，由于超声能场和机械力耦合的叠加复合作用实现改善金属微观组织和提高力学性能的目的；
所述各部件的连接方式：
所述的接插件1和管路接头2，通过螺纹固定在换能器外壳上；
所述气动滑台4、气动滑台连接架5、固定卡环9通过螺丝连接固定；
所述固定卡环9分别固定在换能器外壳3和变幅杆10上，用螺丝紧固；
所述换能器11通过螺纹固定在换能器外壳3上；
所述换能器11，变幅杆10及工具头8均通过螺丝连接。
本发明所述的改善增材制造金属微观组织和力学性能的超声微锻造复合技术与装置，其特征在于：把传统的超声冲击装置中的冲击针设计成滚柱，并且保持滚柱的冲击头直接和变幅杆连接，小直径滚柱在增材制造金属沉积层连续滚动的同时，又把超声能量以超声频率直接作用于增材制造过程中形成的每一沉积层，实现了改善金属微观组织和提高零部件力学性能的目的。
所述的冲击针被设计成滚柱，并且冲击头与变幅杆直接连接将大幅提高冲击频率，实现滚压冲击频率和超声波频率相同(其频率为20kHz)。
所述的换能器冷却系统，采用流体(压缩空气)通过对大功率换能器进行冷却，以保证换能器能够长时间的稳定工作。
所述的小直径滚柱在增材制造沉积层连续滚动的同时，将超声波频率冲击作用于工件表面，综合了超声冲击频率高和机械滚压产生变形大的优点，可以实现超声冲击和连续滚压微锻造复合作用，大大提高复合微锻造的效率和作用深度。
所述的超声和滚压的复合加快了对沉积层的作用效率和速度，提高了增材制造的成形与制造速度，克服了其他增材制造辅助技术的不足。
所述金属增材制造技术为电子束、激光、电弧、等离子弧等各种不同热源的增材制造领域，以及直接金属书写(Direct Metal Writing)制造领域；
所述金属材料为任何种类的金属材料：钛合金、合金钢、高温合金、不锈钢、有色金属(铝合金、铜合金、镁合金等)、金属间化合物、金属非晶态合金等；
所述金属材料的形状可以为丝材和粉体，以及用于直接金属书写(Direct MetalWriting)工艺的各类液态金属。
所述增材制造工艺的材料供给方式可以为金属铺粉、同轴送粉(丝)、旁轴送粉(丝)、液态金属直接书写等。
本发明所述的改善增材制造金属组织和性能，超声冲击和滚压轧制导致的金属组织发生塑性变形、而后又连续发生回复与再结晶过程，从而引起了金属组织的细化、均匀化、缺陷的治愈、材料内部残余应力的改善和消除也实现了金属零部件变形和开裂的有效控制，综合作用的结果是金属零部件的微观组织和力学性能大幅改善和提高。
主要从以下三个方面进行说明本发明作用的原理和机制[10-19]：
1.晶粒细化：
(1)超声频冲击作用产生的应力区晶粒发生明显变形，使金属表层局部区域的晶粒细化以及产生纤维组织，使晶界总面积增加，产生晶粒细化效果；
(2)超声频率冲击，试样表面存在超声波声压(或能场)，冲击造成的以位错运动为主的局部塑性变形，并伴随着金属基体缺陷密度的升高。在超声波声压(或能场)的驱动下位错能够短时快速进行滑移及合并，位错合并成为小角度晶界并发展成新的晶界，即动态再结晶过程，从而达到细化晶粒的效果；
(3)由于塑性变形能会产生大量热量，使金属沉积层的表面升温达到回复温度而促使晶粒内部缺陷(位错)的运动和重新组合，从而进一步达到细化晶粒的目的。
2.缺陷治愈：高频冲击在沉积层表面产生强烈的塑性变形，可有效促使气孔等缺陷的愈合和消除；并在塑性变形-动态再结晶过程中得到有效愈合。
3.消除残余应力：从超声波能量输入及超声频率冲击角度来说，滚柱在沉积层表面的高频超声冲击和滚压效果，通常能够在金属沉积层表面产生100～1000μm深度的压应力层，将沉积层表面较为有害的拉应力转变成压应力，并将不均匀应力状态改善为压应力均匀分布的应力状态。
本发明的超声微锻造复合冲击装置，把传统超声冲击装置中的冲击针设计成滚柱，并且工具头直接和变幅杆连接，小直径滚柱在增材制造过程中形成的每一沉积层连续滚动，达到滚压轧制的作用。同时，通过小直径滚柱冲击可以将超声波能量直接作用于沉积层。这种创新设计综合了超声冲击频率高和机械滚压产生塑性变形大的优点，实现了超声冲击与连续滚压微锻造复合作用，大大提高了微锻造的作用效率和有效深度，可消除增材制造成形件特有的规则的枝状结晶组织，使其每一层的微观组织由铸态转变成为锻态组织，大幅细化晶粒和提高力学性能。从而通过逐层叠加制造出组织和性能优化的金属零部件。本发明的技术和装置将广泛应用于各类增材制造设备和工艺，大幅改善金属微观组织和提高零部件的力学性能，获得和锻件性能相媲美的高性能金属零部件。特别是适用于航天航空、船舶与海洋工程、化工、核电、交通运输等装备制造业大型金属构件的成形与制造，解决这些领域中大型复杂金属构件变形、开裂等问题，对增材制造技术在金属零部件制造的推广应用具有重要的意义。通过本发明和现有增材制造技术的有机结合，解决现有金属增材制造中控形易、控性难的技术瓶颈，引发金属快速成形与制造技术的创新和发展，推动增材制造技术在金属零部件先进制造领域的推广应用。
附图说明
图1为本发明的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置的结构示意图。
图2a-图2c为本发明的工具头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做详细描述。
结合图1，本发明的改善增材制造金属微观组织和力学性能的超声微锻造复合装置，包括：接插件1、管路接头2、换能器外壳3、气动滑台4、气动滑台连接架5、滚柱6、工件7、工具头8、固定卡环9、变幅杆10、换能器11，接插件1、管路接头2通过螺纹固定在换能器外壳3上；气动滑台4、气动滑台连接架5与固定卡环9通过螺栓连接固定；固定卡环9用螺栓分别固定在换能器外壳3和变幅杆10上；换能器11通过螺栓固定在换能器外壳3上；换能器11，变幅杆10及工具头8均通过螺杆连接，装配过程中各连接部位需拧紧以防止工作过程中能量的损失。工具头8与变幅杆11通过螺栓连接，能够方便针对不同的工作环境换取不同的工具头。
结合图2a-图2c，工具头底部设有凹槽13，用来匹配滚柱，使其可以在工件上自由滚动，并将超声波传递至工件处，工具头上部为平面12。同时工具头8底部具有限位挡块，避免滚柱6在工作时脱离工具头8。
在金属增材制造过程中，其逐层堆积成形与制造的方式，更适应于超声微锻造复合装置的应用。
对于金属增材制造过程中，每沉积一层或者多层后，对其表面进行超声微锻造处理，用以改善所制备材料内部的组织与性能。所述沉积层数可根据沉积金属材料的种类、增材制造工艺以及超声微锻造所作用深度来确定；所述作用深度由超声能量，滚压过程中所提供的压力、以及材料本身的性质等来决定。
所述的超声微锻造后的金属沉积层组织发生细化，甚至形成纳米晶层，并且使沉积层中的残余拉应力转变成残余压应力，同时能够有效地减少或者消除材料内部的缺陷，并在一定程度上改善沉积层表面的粗糙度，为下一层金属的沉积提供更好的沉积环境，随着“金属沉积—超声微锻造—金属沉积”过程的进行，可以使得整个金属增材制造零部件整体的金属微观组织和力学性能得以大幅改善。

Claims (7)

1.一种改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置，其特征是：包括换能器(11)、气动滑台(4)、气动滑台连接架(5)、变幅杆(10)、工具头(8)和滚柱(6)，所述换能器(11)置于换能器外壳(3)内，换能器外壳(3)上设置接插件(1)和管路接头(2)，变幅杆(10)连接于换能器(11)下，工具头(8)连接于换能器(11)下，滚柱(6)位于工具头(8)与工件(7)之间，气动滑台(4)通过气动滑台连接架(5)与换能器外壳(3)和变幅杆(10)连接，气动滑台(4)提供向下压力、带动换能器(11)向下工作、并提供持续压力，每沉积一层后，滚柱(6)在金属沉积层高频振动的同时通过直接作用和沉积层接触将超声能量传递到滚压产生的局部塑性变形区。
2.根据权利要求1所述的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置，其特征是：工具头底部设有凹槽(13)。
3.根据权利要求2所述的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置，其特征是：工具头(8)底部具有限位挡块。
4.根据权利要求1、2或3所述的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置，其特征是：气动滑台连接架(5)通过固定卡环(9)与换能器外壳(3)和变幅杆(10)连接。
5.根据权利要求1、2或3所述的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置，其特征是：换能器(11)、变幅杆(10)及工具头(8)均通过螺杆连接。
6.根据权利要求4所述的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置，其特征是：换能器(11)、变幅杆(10)及工具头(8)均通过螺杆连接。
7.一种基于权利要求1的改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置的增材制造方法，其特征是：每沉积一层后，对表面进行超声微锻造处理。
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