CN107812942A - 一种双超声辅助激光增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双超声辅助激光增材制造装置，包括试样安装台架、超声搅拌系统、超声冲击系统和激光增材制造系统；所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统设置在所述试样安装台架的上侧，所述超声搅拌系统设置在所述试样安装台架的下侧，所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对设置，试样在经过所述激光增材制造系统后经过所述超声冲击系统。本发明使阻燃钛合金在进行激光增材制造的过程中接受超声搅拌和超声冲击的双重作用，以达到阻燃钛合金的组织细化和均匀化，实现对合金组织和力学性能的有效调控。

Description

一种双超声辅助激光增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及钛合金的加工方法技术领域，特别是涉及一种双超声辅助激光增材制造装置及方法。

背景技术

钛合金因其比重小、比强度高、耐高温等优点被广泛应用于涡轮发动机上。现代高涵道比的大型发动机，在风扇压气机部件以及其他结构上均使用了大量钛合金。但是，常规钛合金在一定的空气压力和温度条件下会发生燃烧，从而造成发动机发生着火事故(钛火)，影响飞机的安全性。

阻燃钛合金是为应对钛火隐患而研制的专用材料，它的研制是解决钛火问题的最直接方法。根据不同阻燃机理开发了Ti-V-Cr系和Ti-Cu系两类阻燃钛合金，其中Ti-V-Cr系阻燃钛合金(V、Cr元素含量分别为22-40％，13-36％)是目前最具工程意义的航空发动机用功能性结构材料。经过近十年的研发，国内外在Ti-V-Cr系阻燃钛合金锻件制备及合金抗点燃性能评价方面均取得了较大的进展，为Ti-V-Cr系阻燃钛合金的工程化应用奠定了基础。Ti-V-Cr系阻燃钛合金有良好的室温塑性，但高温塑性较差，使该合金在高温变形时，金属流动困难，晶界易开裂，致使合金的热加工困难。该类合金很难自由锻造，热加工困难是阻碍Ti-V-Cr系阻燃钛合金大批量工程化应用的主要障碍之一。

由上可知，Ti-V-Cr系阻燃钛合金由于合金元素含量大、难于获得高品质铸锭，且铸态组织塑性有限、变形抗力大，铸锭开坯有较大难度。除此之外，机械加工困难也是国内外阻燃钛合金的“通病”，加工效率低和刀具破损严重是Ti-V-Cr系阻燃钛合金材料铣削加工存在的主要问题。铸、锻热加工带来的制造缺欠及昂贵的机械加工成本限制了Ti-V-Cr系阻燃钛合金的工程化应用，迫切需要发展该类材料的近净增材制造技术。

在该类材料应用于航空构件制造及其后续使用过程中还将出现其他工程实际问题，如因各种不可避免原因导致大量的加工超差，或在服役使用中经常出现裂纹、腐蚀、磨损等失效。特别是对于钛合金主承力结构的加工超差或服役损伤，补救措施往往需要较大的经济成本或较长的修理周期。这些重要结构件价值少则数十万元，多则上百万元，严重者只能作报废处理。因此，在阻燃钛合金结构件的制造及再制造过程中，高效、高性能的增材制造技术是亟待解决的关键问题，包括构件的近净成形制造技术及损伤和失效零件的快速修复，从而实现零部件的高效制造及修复。

激光增材制造技术是一种兼顾精确成形和高性能成性需求的一体化近净成形制造技术，包括以同步材料送进为主要技术特征的激光立体成形技术(laser solidforming，LSF)和以粉末床为主要技术特征的选区激光熔化技术(selective lasermelting，SLM)。激光立体成形技术利用高能激光使熔覆材料与基体形成良好的冶金结合，实现零件几何尺寸及力学性能的精确控制，是解决阻燃钛合金近净成形及修复难题的较好途径。

目前在该方向的研究包括超声辅助、磁场辅助和高频感应辅助外场辅助激光增材制造技术等。在激光增材制造过程中施加超声振动或者磁场均属于通过强制流体流动而控制凝固过程的方法。液相区液体的流动将改变凝固界前沿的温度场和浓度场，从而对凝固组织形态产生影响。超声的高频振动及辐射压力可在熔池熔融金属中形成有效的搅拌和流动，能显著减弱液体的表面张力及摩擦力，能够起到去除熔融金属中气体的作用。

但是由于在超声搅拌辅助激光增材制造技术中，激光沉积修复熔池的体积小、存在时间短等特点，且与铸造和焊接工艺不同的是，超声搅拌是从修复件底部施加进去的，熔池的两侧没有壁面加以约束，处于自由状态。过大的超声振幅会使得熔池的振动加剧，难以形成质量较好的修复层，超声振幅较小时起不到预期作用，较大(超过0.55微米)时出现蜂窝状的表面形貌。一定范围的超声振幅才能得到较好的修复层表面形貌。在保证成形效果的前提下，超声搅拌又不足以克服成形层晶粒的外延生长的驱动力，阻止β柱状晶的生长。因此如何解决超声搅拌辅助激光增材制造的成形性与β柱状晶晶粒细化的矛盾是当前迫切需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双超声辅助激光增材制造装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使阻燃钛合金在进行激光增材制造的过程中接受超声搅拌和超声冲击的双重作用，以达到阻燃钛合金的组织细化和均匀化，实现对合金组织和力学性能的有效调控。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种双超声辅助激光增材制造装置，包括试样安装台架、超声搅拌系统、超声冲击系统和激光增材制造系统；所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统设置在所述试样安装台架的上侧，所述超声搅拌系统设置在所述试样安装台架的下侧，所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对设置，试样在经过所述激光增材制造系统后经过所述超声冲击系统。

优选地，所述超声搅拌系统包括第一超声波发生器、第一外壳、第一换能器、第一变幅杆和耦合机构；所述试样安装台架、所述耦合机构和所述第一变幅杆的工具头依次连接，所述第一变幅杆与所述第一换能器连接，所述第一换能器与所述第一超声波发生器电连接，所述第一换能器和所述第一变幅杆均设置在所述第一外壳内部。

优选地，所述第一超声波发生器的最大输出功率为1kW，所述第一超声波发生器输出的超声频率为20kHz。

优选地，还包括固定支架，所述超声冲击系统和所述激光增材制造系统分别通过一滑台支架与所述固定支架连接。

优选地，所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对于所述试样安装台架同步运动。

优选地，所述超声冲击系统包括第二超声波发生器、第二外壳、第二换能器、第二变幅杆和冲击头，所述冲击头、所述第二变幅杆和所述第二换能器依次连接，所述换能器和所述第二超声波发生器电连接，所述第二换能器和所述第二变幅杆均设置在所述第二外壳内部，所述第二外壳通过所述滑台支架与所述固定支架连接。

优选地，所述第二超声波发生器的最大输出功率为1.5kW，所述第二超声波发生器输出的超声频率为20kHz。

优选地，所述第二变幅杆输出的振幅为150μm。

本发明还提供了一种双超声辅助激光增材制造方法，包括以下步骤：

S1：预热试样；

S2：利用激光增材制造系统使所述试样受损的部位熔融并补充金属粉末，并使所述金属粉末熔融，形成液态熔池；

S3：利用超声搅拌系统对所述液态熔池施加超声搅拌，使所述液态熔池在超声搅拌的作用下凝固，所述超声搅拌系统的输出功率为1kW，超声频率为20kHz；

S4：所述液态熔池凝固后形成熔覆区，在所述熔覆区的试样温度为600-700℃时，使冲击头与所述熔覆区接触，利用超声冲击系统对熔覆区施加超声冲击，超声冲击系统的输出功率为1.5kW，超声频率为20kHz，振幅为150μm，持续时间为30s-4min。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明针对现有外场辅助激光增材制造为单一的以增加液态熔池流动为目的、导致对粗大柱状晶难于调控的不足，提出采用双超声耦合辅助的新方法，分别对液态熔池增加搅拌作用和对激光增材制造的熔覆区进行冲击，利用大功率超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使固态金属表面产生较大的塑性变形，通过高频微塑变锻造处理，锻碎激光快速成形特有的规则树枝晶状组织，使其表面组织由铸态转变成锻态再结晶组织，使得新激光熔覆时熔池均以细小等轴晶(锻造组织)区域为界面进行形核凝固，从而控制粗大柱状晶形成，使晶粒细化，获得细小组织且减少成形残余应力，使超声冲击部位得以强化。

本发明对Ti-V-Cr系阻燃钛合金和类似高熔点难成形合金的近净成形及修复具有重要的理论和实际意义，通过进一步研究双超声“搅拌+冲击”作用对合金室温和高温性能的影响规律，可实现对Ti-V-Cr系阻燃钛合金激光增材制造材料组织和性能的有效调控，并为丰富和完善激光增材制造技术的应用范围和理论体系提供了实验基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明双超声辅助激光增材制造装置的整体结构示意图；

图2为本发明超声搅拌系统的结构示意图；

图3为本发明超声冲击系统的结构示意图；

其中：1-试样安装台架，2-超声搅拌系统，2.1-第一超声波发生器，2.2-第一外壳，2.3-第一换能器，2.4-第一变幅杆，3-超声冲击系统，3.1-第二超声波发生器，3.2-第二外壳，3.3-第二换能器，3.4-第二变幅杆，3.5-冲击头，4-激光增材制造系统，5-耦合机构，6-固定支架，7-滑台支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种双超声辅助激光增材制造装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使阻燃钛合金在进行激光增材制造的过程中接受超声搅拌和超声冲击的双重作用，以达到阻燃钛合金的组织细化和均匀化，实现对合金组织和力学性能的有效调控。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示：本实施例提供了一种双超声辅助激光增材制造装置，包括试样安装台架1、固定支架6、超声搅拌系统2、超声冲击系统3和激光增材制造系统4；激光增材制造系统4和超声冲击系统3设置在试样安装台架1的上侧，超声冲击系统3和激光增材制造系统4分别通过一滑台支架7与固定支架6连接，激光增材制造系统4和超声冲击系统3相对于试样安装台架1同步运动。超声搅拌系统2设置在试样安装台架1的下侧，激光增材制造系统4和超声冲击系统3相对设置，试样在经过激光增材制造系统4后经过超声冲击系统3。

激光增材制造系统4的激光功率优选为1.5-3kW可调，激光光斑直径优选为φ3mm，激光扫描速率优选为300-600mm/min。

超声搅拌系统2包括第一超声波发生器2.1、第一外壳2.2、第一换能器2.3、第一变幅杆2.4和耦合机构5；试样安装台架1、耦合机构5和第一变幅杆2.4的工具头依次连接，第一变幅杆2.4与第一换能器2.3连接，第一换能器2.3与第一超声波发生器2.1电连接，第一换能器2.3和第一变幅杆2.4均设置在第一外壳2.2内部。第一超声波发生器2.1的最大输出功率为1kW，第一超声波发生器2.1输出的超声频率为20kHz。

高能激光束在试样上产生一个液态熔池，与此同时，在此液态熔池的下表面利用超声搅拌系统使液态熔池超微振动，对液态熔池起到搅拌作用。超声波对液体的搅拌作用主要体现在超声的空化效应。超声空化效应产生的空化泡，不断的膨胀、破碎，在空化泡膨胀阶段，空化泡表面温度下降，在空化泡表面产生过冷形核，晶核通过声流效应在熔池中产生的搅拌作用分布到熔体中去，从而增加了形核率，细化了晶粒。

超声冲击系统3包括第二超声波发生器3.1、第二外壳3.2、第二换能器3.3、第二变幅杆3.4和冲击头3.5，冲击头3.5、第二变幅杆3.4和第二换能器3.3依次连接，换能器和第二超声波发生器3.1电连接，第二换能器3.3和第二变幅杆3.4均设置在第二外壳3.2内部，第二外壳3.2通过滑台支架7与固定支架6连接。第二超声波发生器3.1的最大输出功率为1.5kW，第二超声波发生器3.1输出的超声频率为20kHz。第二变幅杆3.4输出的振幅为150μm。

高能激光束和超声冲击后，试样表面会形成熔覆区，然后超声冲击系统的冲击头3.5在熔覆区表面进行超微冲击。激光熔覆新层熔池的凝固行为受熔池底部界面处晶粒大小、取向和合金元素含量的影响。通过控制熔覆新层对前一层的激光熔覆区域范围，使超声冲击作用产生的锻造再结晶组织成为熔覆新层的凝固初始界面、阻碍β柱状晶的外延生长，从而达到控制粗大β柱状晶的目的。本实施例超声冲击是在试样凝固后存在一定温度的条件下施加的，更有利于金属的塑性变形，能保证在多层多道激光熔覆中产生比激光重熔区更大的晶粒细化区域，其塑性变形层可达1.5mm，为新一层的激光熔覆提供有利于阻碍β柱状晶外延生长的锻造组织。通过引入超声冲击作用，可以获得晶粒细小、取向复杂的再结晶组织。

本实施例还提供了一种双超声辅助激光增材制造方法，包括以下步骤：

S1：预热试样；

S2：利用激光增材制造系统4使试样受损的部位熔融并补充金属粉末，并使金属粉末熔融，形成液态熔池；

S3：利用超声搅拌系统2对液态熔池施加超声搅拌，使液态熔池在超声搅拌的作用下凝固，超声搅拌系统2的输出功率为1kW，超声频率为20kHz；

S4：液态熔池凝固后形成熔覆区，在熔覆区的试样温度为600-700℃时，使冲击头3.5与熔覆区接触，利用超声冲击系统3对熔覆区施加超声冲击，超声冲击系统3的输出功率为1.5kW，超声频率为20kHz，振幅为150μm，持续时间为30s-4min。

本发明针对现有外场辅助激光增材制造为单一的以增加液态熔池流动为目的、导致对粗大柱状晶难于调控的不足，提出采用双超声耦合辅助的新方法，分别对液态熔池增加搅拌作用和对激光增材制造的熔覆区进行冲击，利用大功率超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使固态金属表面产生较大的塑性变形，通过高频微塑变锻造处理，锻碎激光快速成形特有的规则树枝晶状组织，使其表面组织由铸态转变成锻态再结晶组织，使得新激光熔覆时熔池均以细小等轴晶(锻造组织)区域为界面进行形核凝固，从而控制粗大柱状晶形成，使晶粒细化，获得细小组织且减少成形残余应力，使超声冲击部位得以强化。

与现有单超声搅拌作用相比，双超声场“搅拌+冲击”作用下将会使熔池中超声场的分布以及变化变得更为复杂。通过掌握双超声场耦合作用下的熔池中的超声场分布及变化规律，进而控制超声搅拌对熔池凝固枝晶破碎和合金元素均匀化的作用，可获得设计需要的组织。本发明对Ti-V-Cr系阻燃钛合金和类似高熔点难成形合金的近净成形及修复具有重要的理论和实际意义，通过进一步研究双超声“搅拌+冲击”作用对合金室温和高温性能的影响规律，可实现对Ti-V-Cr系阻燃钛合金激光增材制造材料组织和性能的有效调控，并为丰富和完善激光增材制造技术的应用范围和理论体系提供了实验基础。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种双超声辅助激光增材制造装置，其特征在于：包括试样安装台架、超声搅拌系统、超声冲击系统和激光增材制造系统；所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统设置在所述试样安装台架的上侧，所述超声搅拌系统设置在所述试样安装台架的下侧，所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对设置，试样在经过所述激光增材制造系统后经过所述超声冲击系统。

2.根据权利要求1所述的双超声辅助激光增材制造装置，其特征在于：所述超声搅拌系统包括第一超声波发生器、第一外壳、第一换能器、第一变幅杆和耦合机构；所述试样安装台架、所述耦合机构和所述第一变幅杆的工具头依次连接，所述第一变幅杆与所述第一换能器连接，所述第一换能器与所述第一超声波发生器电连接，所述第一换能器和所述第一变幅杆均设置在所述第一外壳内部。

3.根据权利要求2所述的双超声辅助激光增材制造装置，其特征在于：所述第一超声波发生器的最大输出功率为1kW，所述第一超声波发生器输出的超声频率为20kHz。

4.根据权利要求1所述的双超声辅助激光增材制造装置，其特征在于：还包括固定支架，所述超声冲击系统和所述激光增材制造系统分别通过一滑台支架与所述固定支架连接。

5.根据权利要求4所述的双超声辅助激光增材制造装置，其特征在于：所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对于所述试样安装台架同步运动。

6.根据权利要求4所述的双超声辅助激光增材制造装置，其特征在于：所述超声冲击系统包括第二超声波发生器、第二外壳、第二换能器、第二变幅杆和冲击头，所述冲击头、所述第二变幅杆和所述第二换能器依次连接，所述换能器和所述第二超声波发生器电连接，所述第二换能器和所述第二变幅杆均设置在所述第二外壳内部，所述第二外壳通过所述滑台支架与所述固定支架连接。

7.根据权利要求6所述的双超声辅助激光增材制造装置，其特征在于：所述第二超声波发生器的最大输出功率为1.5kW，所述第二超声波发生器输出的超声频率为20kHz。

8.根据权利要求6所述的双超声辅助激光增材制造装置，其特征在于：所述第二变幅杆输出的振幅为150μm。

9.一种双超声辅助激光增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：预热试样；

S2：利用激光增材制造系统使所述试样受损的部位熔融并补充金属粉末，并使所述金属粉末熔融，形成液态熔池；

S3：利用超声搅拌系统对所述液态熔池施加超声搅拌，使所述液态熔池在超声搅拌的作用下凝固，所述超声搅拌系统的输出功率为1kW，超声频率为20kHz；

S4：所述液态熔池凝固后形成熔覆区，在所述熔覆区的试样温度为600-700℃时，使冲击头与所述熔覆区接触，利用超声冲击系统对熔覆区施加超声冲击，超声冲击系统的输出功率为1.5kW，超声频率为20kHz，振幅为150μm，持续时间为30s-4min。