CN109202270A - 增材制造中双螺旋搅拌方法及搅拌装置 - Google Patents

增材制造中双螺旋搅拌方法及搅拌装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增材制造中双螺旋搅拌方法，在利用旋进丝材对液相熔池进行搅拌的同时，在增材制造方向的后部利用搅拌针对半固态熔池进行搅拌，搅拌针与熔态面接触处须保持在半固态区域之内。本发明提出将熔化增材制造过程搅拌与半固态搅拌同步复合的增材制造新工艺。其可在成形过程中产生区域性的搅拌作用，进一步降低吉布斯自由能，增加形核率，搅碎常规的单向柱状晶，而且有利于减轻或消除气孔、并使得均匀细化晶粒、将熔化成形的增材制造中产生的枝状晶改变成为类等轴细晶，并实现难成形材料复杂零件的性能稳定制造。

Description

增材制造中双螺旋搅拌方法及搅拌装置
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造中双螺旋搅拌方法及搅拌装置。
背景技术
增材制造的设计与制造理念越来越向重量轻、寿命高、成本低的趋势发展。传统的零部件生产制造，主要依赖于传统的铸造、锻造、焊接的方法来完成，这就使得产品出现减重难、周期长、成本高等与设计理念及成本预算相悖的矛盾，因此亟需要开发研究考虑到重量、寿命、成本、周期、材料、工艺等多约束的合金高效的设计与制造方法及其装备制造技术。
目前的等离子弧/电弧熔丝增材制造、电子束熔丝增材制造因生产效率高，而可以实现较大构件的一体化多批次、小批量的高效率制造，但其成形过程中的晶粒粗大、各向异性明显等不足，均是科研院所及其高校研究的重点，基于目前主要采用的方法有：超声搅拌熔池法、磁电协同控制来搅拌熔池、微铸锻晶粒细化法、辊轧晶粒细化法等，虽然以上细化晶粒的方法均取得了一定的效果，但是操控方面及其稳定性方面都存在不足，因此需要开发更有效的方法来细化晶粒。
现有熔化增材制造技术主要依靠热源熔化金属并直接制造，其制件组织一般都为铸态柱状晶或枝晶与等轴晶混合组织，呈现明显的方向性和各向异性。从晶粒度上说，这些问题是缺乏晶粒细化环节，以及移动传热传质条件下无约束自由微铸造熔积成形所固有的热力学、动力学、几何学特点所决定的，仅靠改变材料成分和工艺参数等途径尚难以根本解决。
单道的螺旋搅拌熔池对焊接而言可以形成沿板面方向的流线形织构，虽然可以起到细化晶粒和提高焊缝横向抗力的作用，但是增材方面需要避免各项异性，单螺旋搅拌成形无法完成增材制造的需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种增材制造中双螺旋搅拌方法及搅拌装置。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种增材制造中双螺旋搅拌方法，在利用旋进丝材对液相熔池进行搅拌的同时，在增材制造方向的后部利用搅拌针对半固态熔池进行搅拌，搅拌针与熔态面接触处须保持在半固态区域之内。
搅拌针插入半固态熔池的深度为0.5~10mm。
所述的搅拌针的下端穿过半固态熔池深入至上一道融覆重熔道的顶端。
旋进丝材的旋转速度为0.5~3m/min螺旋送入，与成形方向夹角30º~60º，旋进丝材的螺旋角为30º~45º。
所述的搅拌针直径为0.5~8mm，搅拌针与成形方向反向夹角为25º~60º；搅拌速度为2.5~6m/min，搅拌针的螺旋角为45º~60º。
所述的搅拌针搅拌前一道熔覆层的深度为0.5~2mm。
搅拌针的中心轴与半固态熔池交截面的中心与旋进丝材与液相熔池交截面中心之间的距离为L，则液相熔池与半固态熔池界面分界线在L的靠液相熔池方向的1/2-2/3处，所述的L为3~ 20mm。
所述的旋进丝材的旋转方向和搅拌针的旋转方向是相向的以实现双螺旋搅拌。
一种增材制造中双螺旋搅拌装置，包括平动平台，沿成形方向设置在平动平台前部的旋进丝材送料机构，以及设置在平动平台后部的搅拌机构，所述的搅拌机构包括受驱旋转的搅拌针。
所述的搅拌针与搅拌针与成形方向反向夹角为25º~60º。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出将熔化增材制造过程搅拌与半固态搅拌同步复合的增材制造新工艺。其可在成形过程中产生区域性的搅拌作用，进一步降低吉布斯自由能，增加形核率，搅碎常规的单向柱状晶，而且有利于减轻或消除气孔、并使得均匀细化晶粒、将熔化成形的增材制造中产生的枝状晶改变成为类等轴细晶，并实现难成形材料复杂零件的性能稳定制造。
附图说明
图1所示为本发明的增材制造中双螺旋搅拌方法的结构示意图；
图2 所示为图1所示的俯视态示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图所示，本发明的增材制造中双螺旋搅拌方法，在利用旋进丝材4对液相熔池3进行搅拌的同时，在增材制造方向5的后部利用搅拌针8对半固态熔池进行搅拌，搅拌针与熔态面接触处须保持在半固态区域之内。具体地，旋进丝材4在弧柱6的作用下熔化并形成液相熔池3，同时基材11的上一道熔覆重熔层1与当前道次的液相熔池熔合后成为这个熔池，也是半固态熔池的前身。沿成形方向的后部液相熔池和熔池变为半固态熔池10，所述的搅拌针的下端穿过半固态熔池深入至上一道融覆重熔道的顶端，所述的搅拌针搅拌前一道熔覆层的深度为0.5~2mm。在后面半固态熔池搅拌的时候，前面的旋丝料搅拌同时进行，当然在起弧和收弧端是单一进行，过程中必须同时进行相向（异向）旋转。
具体地，在搅拌针所处区域，半固态熔池层的厚度12在0.5-10mm，熔覆重熔层的厚度13在0.1-6mm，搅拌针搅拌前一道的深度14为0.5-2mm。
针对高性能、熔化增材成形的金属构件的传统制造流程长、能耗大以及目前直接成形制件的性能难以稳定可靠地达到锻件水平、表面质量不高的增材制造技术实用化瓶颈问题，本发明提出的双轴搅拌系统，即在熔化增材制造过程搅拌与半固态搅拌同步复合的增材制造新原理和新工艺。采用双螺旋搅拌，其中用旋进丝材，即焊丝搅拌熔池，另一个搅拌半固态熔池成形部分以搅碎刚结晶的支晶，增加形核率，提高结晶速率，细化晶粒，搅拌针需搅拌半固态成形部分的深度至上一道熔覆重熔的基材，以使得成形细化晶粒得到连续的进行，避免层间细化不均匀的存在。
本发明在大中型航空结构件的短流程、优质、高效、整体制造中应用，突破国内外现有熔化增材直接成形高性能航空航天零部件技术的成形性难以控制与性能可靠性不足的实用化瓶颈，为此类大中型、高性能复杂零件的优质高效直接整体制造开辟实用化新途径，为新一代高性能航空航天快速开发提供技术储备。
搅拌速度可控制在不影响成形精度与成形件圆润凝固速度的前提下进行，优选地，旋进丝材的直径21小于搅拌针的直径，旋进丝材的旋转速度为0.5~3m/min螺旋送入，与成形方向夹角2为30º~60°，旋进丝材的螺旋角为30º~45º，所述的搅拌针直径23为0.5~8mm，搅拌针8与成形方向反向夹角9为25º~60º；搅拌速度为2.5~6m/min，搅拌针插入半固态熔池的深度为0.5~10mm，搅拌针的螺旋角为45º~60º。
其中，搅拌针的中心轴与半固态熔池交截面，即半固态熔池的上表面的中心与旋进丝材与液相熔池交截面中心之间的距离为L 22，则液相熔池与半固态熔池界面分界线7在L的靠液相熔池方向的1/2-2/3处，所述的L为3~ 20mm。
需要说明的是，旋进丝材和搅拌针分别是绕轴转动，同时还沿成型方向同步平动，搅拌速度是指的转动的线速度。既做旋转运动也沿成形方向同步移动。旋进丝材和搅拌针必须是正常的螺旋形，也可以是异性的螺旋结构。
作为其中一个具体实施方式，熔化增材起弧；搅拌针中心轴8与半固态熔池交截面的中心与焊丝与熔池交截面中心之间的距离L 22，随增材成形速度与熔池凝固时间的不容而不同，经验而言，图1中的熔池与半固态熔池界面分界线7约在距离L 22的靠熔池方向的2/3处；搅拌针8直径为1mm，搅拌针与成形反向夹角为45º；搅拌速度为4m/min，且需要保证搅拌针插入熔半固态熔池层厚度0.5mm；搅拌针搅拌前一道熔覆层的深度1mm；最终到达到焊丝搅拌与搅拌针搅拌的搅拌方向在两者之间呈现相对运动，使得熔池增加形核率，半固态熔池熔覆层凝固支晶被搅碎，达到充分细化晶粒的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种增材制造中双螺旋搅拌方法，其特征在于，在利用旋进丝材对液相熔池进行搅拌的同时，在增材制造方向的后部利用搅拌针对半固态熔池进行搅拌，搅拌针与熔态面接触处须保持在半固态区域之内。
2.如权利要求1所述的增材制造中双螺旋搅拌方法，其特征在于，搅拌针插入半固态熔池的深度为0.5~10mm。
3.如权利要求1所述的增材制造中双螺旋搅拌方法，其特征在于，所述的搅拌针的下端穿过半固态熔池深入至上一道融覆重熔道的顶端。
4.如权利要求1所述的增材制造中双螺旋搅拌方法，其特征在于，旋进丝材的旋转速度为0.5~3m/min螺旋送入，与成形方向夹角30º~60º，旋进丝材的螺旋角为30º~45º。
5.如权利要求1所述的增材制造中双螺旋搅拌方法，其特征在于，所述的搅拌针直径为0.5~8mm，搅拌针与成形方向反向夹角为25º~60º；搅拌速度为2.5~6m/min，搅拌针的螺旋角为45º~60º。
6.如权利要求2所述的增材制造中双螺旋搅拌方法，其特征在于，所述的搅拌针搅拌前一道熔覆层的深度为0.5~2mm。
7.如权利要求1所述的增材制造中双螺旋搅拌方法，其特征在于，搅拌针的中心轴与半固态熔池交截面的中心与旋进丝材与液相熔池交截面中心之间的距离为L，则液相熔池与半固态熔池界面分界线在L的靠液相熔池方向的1/2-2/3处，所述的L为3~ 20mm。
8.如权利要求1所述的增材制造中双螺旋搅拌方法，其特征在于，所述的旋进丝材的旋转方向和搅拌针的旋转方向是相向的以实现双螺旋搅拌。
9.一种增材制造中双螺旋搅拌装置，其特征在于，包括平动平台，沿成形方向设置在平动平台前部的旋进丝材送料机构，以及设置在平动平台后部的搅拌机构，所述的搅拌机构包括受驱旋转的搅拌针。
10.如权利要求9所述的增材制造中双螺旋搅拌装置，其特征在于，所述的搅拌针与搅拌针与成形方向反向夹角为25º~60º。
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