CN109570934A - 基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，属于金属增材制造技术领域，包括通过高能束对第一喷嘴中的金属粉末进行融化；将融化后的金属粉末堆积在基体上，以形成第一目标层；在形成第一目标层后，将第二喷嘴中的增强粉末堆积在第一目标层上，以形成第二目标层；在形成第二目标层后，将融化后的金属粉末堆积在第二目标层上，以形成第三目标层；将增强粉末堆积在第三目标层上，以形成第四目标层；通过搅拌摩擦刀具对堆积层进行搅拌摩擦，堆积层包括第一目标层、第二目标层、第三目标层和第四目标层；通过铣削刀具对搅拌摩擦后的堆积层进行精整，完成金属材料增材制造。本发明达到提高零件的强度、韧性和疲劳强度的技术效果。

Description

基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，特别涉及一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法。

背景技术

金属材料增材制造集成了材料、计算机技术、粉末冶金等多种技术。金属材料增材制造根据产品三维设计CAD模型，利用离散化方法逐层堆积成型的原理，以金属粉末或丝材为原料，以激光等高能束为刀具，在数控软件的控制下将材料熔化逐层堆积，来完成金属零件的制造。金属材料增材制造能够实现复杂零件的制造，而且还可实现不同材料的任意复合，并可实现TC4等传统难加工的材料的成型，材料利用率高。

对于现有的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的技术而言，可以使用超声冲击来对金属材料表面进行处理，超声冲击通过大功率超声波推动冲击工具高频冲击金属表面，使表面产生一定厚度塑性变形层，可有效消除金属表面应力和缺陷、细化晶粒。但金属材料增材制造零件内部存在气孔、裂纹、内应力大等冶金缺陷，降低了金属材料增材制造的使用性能。

综上所述，在现有的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的技术中，金属材料增材制造中会存在气孔、裂纹、内应力大的缺陷，使得难以提高零件的强度、韧性和疲劳强度的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在现有的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的技术中，金属材料增材制造中会存在气孔、裂纹、内应力大的缺陷，使得难以提高零件的强度、韧性和疲劳强度的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，所述方法应用于所述改善金属材料增材制造组织性能的装置，所述装置包括基体、第一喷嘴、第二喷嘴、高能束、搅拌摩擦刀具、铣削刀具，所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法包括：通过所述高能束对所述第一喷嘴中的金属粉末进行融化；将所述融化后的金属粉末堆积在所述基体上，以形成第一目标层；在形成所述第一目标层后，将所述第二喷嘴中的增强粉末堆积在所述第一目标层上，以形成第二目标层；在形成所述第二目标层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第二目标层上，以形成第三目标层；在形成所述第三目标层后，将所述增强粉末堆积在所述第三目标层上，以形成第四目标层；通过所述搅拌摩擦刀具对堆积层进行搅拌摩擦，所述堆积层至少包括所述第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层和所述第四目标层；通过所述铣削刀具对所述搅拌摩擦后的所述堆积层进行精整，以完成金属材料的增材制造。

进一步地，所述将所述融化后的金属粉末堆积在所述基体上，以形成第一目标层包括：将所述融化后的金属粉末堆积在所述基体上，以形成第一金属层；在形成所述第一金属层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第一金属层上，以形成第二金属层；在形成所述第二金属层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第二金属层上，以形成第三金属层；其中，所述第一目标层包括第一金属层、第二金属层和第三金属层。

进一步地，所述在形成所述第一目标层后，将所述第二喷嘴中的增强粉末堆积在所述第一目标层上，以形成第二目标层包括：在形成所述第三金属层后，将所述增强粉末堆积在所述第三金属层上，以形成第二目标层；所述增强粉末包括纳米粒子增强相。

进一步地，所述在形成所述第二目标层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第二目标层上，以形成第三目标层包括：将所述将所述融化后的金属粉末堆积在所述第二目标层上，以形成第四金属层；在形成所述第四金属层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第四金属层上，以形成第五金属层；在形成所述第五金属层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第五金属层上，以形成第六金属层；其中，所述第三目标层包括第四金属层、第五金属层和第六金属层。

进一步地，所述通过所述搅拌摩擦刀具对堆积层进行搅拌摩擦包括：通过所述搅拌摩擦刀具对所述在水平面内移动的堆积层进行搅拌摩擦，以使所述增强粉末均匀分布。

进一步地，所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法还包括：通过所述控制单元的第一数控单元来控制所述第一喷嘴中的所述金属粉末的添加位置、添加速度、添加量；通过所述控制单元的第二数控单元来控制所述第二喷嘴中的所述增强粉末的添加位置、添加速度、添加量。

进一步地，所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法包括：所述高能束采用激光束、或电子束、或等离子、或离子束。

进一步地，所述在形成所述第三目标层后，将所述增强粉末堆积在所述第三目标层上，以形成第四目标层之后还包括：在形成所述第四目标层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第四目标层上，以形成第五目标层。

进一步地，所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法包括：通过所述搅拌摩擦刀具对所述堆积层进行搅拌摩擦；所述堆积层包括第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层、所述第四目标层和所述第五目标层。

有益效果：

本发明提供一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，通过高能束对所述第一喷嘴中的金属粉末进行融化后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述基体上，以形成第一目标层。在形成所述第一目标层后，将所述第二喷嘴中的增强粉末堆积在所述第一目标层上，以形成第二目标层。在形成所述第二目标层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第二目标层上，以形成第三目标层。在形成所述第三目标层后，将所述增强粉末堆积在所述第三目标层上，以形成第四目标层。再由第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层和所述第四目标层来形成堆积层，然后通过搅拌摩擦刀具来对堆积层进行搅拌摩擦。并且通过所述铣削刀具对所述搅拌摩擦后的所述堆积层进行精整，以完成金属材料的增材制造。这样通过搅拌摩擦和纳米粒子增强相的细晶强化作用，使得堆积层中金属动态再结晶形成致密的、细小的等轴晶，继而消除增材制造过程中的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，能够实现提高零件强度、韧性和疲劳强度等的效果。从而达到了消除金属材料增材制造中所存在的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，提高了零件的强度、韧性和疲劳强度的技术效果。

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为本发明实施例提供的一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的改善金属材料增材制造组织性能的装置的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，通过高能束400对所述第一喷嘴200中的金属粉末910进行融化后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述基体100上，以形成第一目标层。在形成所述第一目标层后，将所述第二喷嘴300中的增强粉末920堆积在所述第一目标层上，以形成第二目标层。在形成所述第二目标层后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第二目标层上，以形成第三目标层。在形成所述第三目标层后，将所述增强粉末920堆积在所述第三目标层上，以形成第四目标层。再由第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层和所述第四目标层来形成堆积层，然后通过搅拌摩擦刀具500来对堆积层进行搅拌摩擦。并且通过所述铣削刀具600对所述搅拌摩擦后的所述堆积层进行精整，以完成金属材料的增材制造。这样通过搅拌摩擦和纳米粒子增强相的细晶强化作用，使得堆积层中金属动态再结晶形成致密的、细小的等轴晶，继而消除增材制造过程中的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，能够实现提高零件800强度、韧性和疲劳强度等的效果。从而达到了消除金属材料增材制造中所存在的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，提高了零件800的强度、韧性和疲劳强度的技术效果。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；其中本实施中所涉及的“和/或”关键词，表示和、或两种情况，换句话说，本发明实施例所提及的A和/或B，表示了A和B、A或B两种情况，描述了A与B所存在的三种状态，如A和/或B，表示：只包括A不包括B；只包括B不包括A；包括A与B。

同时，本发明实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本发明实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法的流程图。本发明实施例提供一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，所述方法应用于所述改善金属材料增材制造组织性能的装置，所述装置包括基体100、第一喷嘴200、第二喷嘴300、高能束400、搅拌摩擦刀具500、铣削刀具600，本发明实施例提供的所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法包括：

步骤S100，通过所述高能束400对所述第一喷嘴200中的金属粉末910进行融化。

高能束400可以包括激光束、或电子束、或等离子、或离子束。

请继续参见图1，电子束是指电子经过汇集成束。具有高能量密度。它是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压加速电场作用下被加速至很高的速度，经透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流。离子束是指以近似一致的速度沿几乎同一方向运动的一群离子。高能束400可以是采用激光束，或者高能束400可以是采用电子束，或者高能束400可以是采用等离子，或者高能束400可以是采用离子束中的任意一种来对位于第一喷嘴200中的金属粉末910进行加热，以融化位于第一喷嘴200中的金属粉末910，使得金属粉末910被融化后可以在基体100上进行堆积，继而来进行金属材料的增材制造。

步骤S200，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述基体100上，以形成第一目标层。

将所述融化后的金属粉末910堆积在所述基体100上，以形成第一金属层；在形成所述第一金属层后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第一金属层上，以形成第二金属层；在形成所述第二金属层后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第二金属层上，以形成第三金属层；其中，所述第一目标层包括第一金属层、第二金属层和第三金属层。

请继续参见图1，可以通过上述步骤S100，通过所述高能束400对所述第一喷嘴200中的金属粉末910进行融化后，将融化后的金属粉末910堆积在所述基体100上，以形成第一金属层。然后采用融化后的金属粉末910堆积在第一金属层的上表面中，来在第一金属层的上表面中形成第二金属层。再采用融化后的金属粉末910继续堆积在第二金属层的上表面中，来在第二金属层的上表面中形成第三金属层。继而使得第一目标层中由下至上(下是指最靠近基体100的位置)依次为第一金属层、第二金属层、第三金属层。制作第一金属层、第二金属层和第三金属层的金属粉末910可以是同种材质的金属粉末910，也可以是不种材质的金属粉末910。即在第一金属层、第二金属层和第三金属层之间可以不用添加下述步骤S300中的增强粉末920。同时，第一目标层中不限于第一金属层、第二金属层和第三金属层，即第一目标层中可以包括若干金属层，若干金属层可以是指3层金属层、4层金属层、5层金属层、6层金属层、7层金属层等，例如若是4层金属层时，第一目标层可以包括第一金属层、第二金属层、第三金属层以及设置在第三金属层上表面的另外一层金属层。

步骤S300，在形成所述第一目标层后，将所述第二喷嘴300中的增强粉末920堆积在所述第一目标层上，以形成第二目标层。

在形成所述第三金属层后，将所述增强粉末920堆积在所述第三金属层上，以形成第二目标层；所述增强粉末920可以包括纳米粒子增强相。

请继续参见图1，通过上述步骤S200，形成第一目标层后，可以将位于所述第二喷嘴300中的增强粉末920直接堆积在所述第一目标层的上表面，以在第一目标层的上表面中形成第二目标层。第二喷嘴300中的增强粉末920可以不用加热，而直接将第二喷嘴300中的增强粉末920堆积在所述第一目标层的上表面。即可以多层堆积金属粉末后再堆积增强相，例如上述步骤S200第一目标层中制作第一金属层、第二金属层和第三金属层后，再将位于所述第二喷嘴300中的增强粉末920直接堆积在所述第一目标层中第三金属层的上表面。另外，第二喷嘴300和第一喷嘴200也可以是同一个喷嘴，使得金属粉末910和增强粉末920可以同时从同一个喷嘴中喷出。

增强粉末920可以是纳米粒子增强相，纳米粒子可以是指粒度在1—100nm之间的粒子，纳米粒子属于胶体粒子大小的范畴，纳米粒子处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此纳米粒子既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。由于在第一目标层上添加纳米粒子增强相，通过细晶强化，可以使堆积层金属动态再结晶形成致密的、细小的等轴晶，这样能够进一步提高增材制造零件800的强度，韧性和疲劳强度等。纳米粒子增强相可以是在金属材料制造堆积的过程中添加的，纳米粒子增强相可在每层中添加(即在第一目标层和下述第三目标层之间添加纳米粒子增强)，也可隔层添加(即在第一金属层、第二金属层和第三金属层之间不添加纳米粒子增强)。

步骤S400，在形成所述第二目标层后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第二目标层上，以形成第三目标层。

将所述将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第二目标层上，以形成第四金属层；在形成所述第四金属层后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第四金属层上，以形成第五金属层；在形成所述第五金属层后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第五金属层上，以形成第六金属层；其中，所述第三目标层包括第四金属层、第五金属层和第六金属层。

请继续参见图1，通过上述步骤S300，形成第二目标层后，可以将位于所述第一喷嘴200中的融化后的金属粉末910堆积在所述第二目标层的上表面，以在第二目标层的上表面中形成第三目标层。第一喷嘴200中的金属粉末910可以在高能束400的作用下进行加热，使得被融化后的金属粉末910可以堆积在所述第二目标层的上表面。

在通过所述高能束400对所述第一喷嘴200中的金属粉末910进行融化后，可以将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第二目标层的上表面中，以在第二目标层的上表面中形成第四金属层；然后将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第四金属层的上表面中，以在第四金属层的上表面中形成第五金属层；再将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第五金属层的上表面中，以在第五金属层的上表面中形成第六金属层。继而使得第二目标层中由下至上(下是指最靠近基体100的位置)依次为第四金属层、第五金属层、第六金属层。制作第四金属层、第五金属层、第六金属层的金属粉末910可以是同种材质的金属粉末910，也可以是不种材质的金属粉末910。即在第四金属层、第五金属层、第六金属层之间可以不用添加下述步骤S500中的增强粉末920。同时，第三目标层中不限于第四金属层、第五金属层和第六金属层，即第三目标层中可以包括若干金属层，若干金属层可以是指3层金属层、4层金属层、5层金属层、6层金属层、7层金属层等，例如若是4层金属层时，第三目标层可以包括第四金属层、第五金属层、第六金属层以及设置在第六金属层上表面的另外一层金属层。

步骤S500，在形成所述第三目标层后，将所述增强粉末920堆积在所述第三目标层上，以形成第四目标层。

在形成所述第四目标层后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第四目标层上，以形成第五目标层。

请继续参见图1，通过上述步骤S400，形成第三目标层后，可以将位于所述第二喷嘴300中的增强粉末920直接堆积在所述第三目标层的上表面，以在第三目标层的上表面中形成第四目标层。第二喷嘴300中的增强粉末920可以不用加热，而直接将第二喷嘴300中的增强粉末920堆积在所述第三目标层的上表面。增强粉末920可以是纳米粒子增强相，纳米粒子可以是指粒度在1—100nm之间的粒子，纳米粒子属于胶体粒子大小的范畴，纳米粒子处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此纳米粒子既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。需要注意的是可以多层堆积金属粉末后再堆积增强相，例如上述步骤S400第三目标层中制作第四金属层、第五金属层和第六金属层后，再将位于所述第二喷嘴300中的增强粉末920直接堆积在所述第三目标层中第六金属层的上表面。并且在上述步骤S100、步骤S300、步骤S400、步骤S500中金属粉末与增强相也可以一起从相对应的喷嘴中喷出来。在喷洒增强粉末920或金属粉末910时，可以根据实际需要，来同时喷出增强粉末920和金属粉末910。

同时，纳米粒子增强相可以是在金属材料制造堆积的过程中添加的，纳米粒子增强相可在每层中添加(即在第三目标层和第五目标层之间添加纳米粒子增强)，也可隔层添加(即在第四金属层、第五金属层和第六金属层之间不添加纳米粒子增强)。在形成第四目标层后，可以继续将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第四目标层的上表面中，以在第四目标层的上表面中形成第五目标层。这样使得第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层、所述第四目标层和所述第五目标层来构成堆积层。由于在第三目标层上添加纳米粒子增强相，通过细晶强化，可以使堆积层金属动态再结晶形成致密的、细小的等轴晶，这样能够达到进一步提高增材制造零件800的强度，韧性和疲劳强度等的技术效果。

步骤S600，通过所述搅拌摩擦刀具500对堆积层进行搅拌摩擦，所述堆积层包括所述第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层、所述第四目标层和所述第五目标层。

通过所述基体100使所述堆积层在水平面内移动；通过所述搅拌摩擦刀具500对所述在水平面内移动的堆积层进行搅拌摩擦，以使所述增强粉末920均匀分布，在所述堆积层中形成致密的锻件组织和等轴晶。

请继续参见图1，可以由所述第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层、所述第四目标层和所述第五目标层来构成堆积层，也可以在上述步骤S500形成第五目标层后，继续将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第五目标层的上表面中，以形成第六目标层。再将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第六目标层的上表面中，以形成第七目标层，或者将增强粉末920堆积在所述第六目标层上，以形成第七目标层。即可以根据所需制作的零件800要求，来设置所需的堆积层以及在所需的位置输送纳米粒子增强相。机床700可以在水平面内沿着x轴或y轴的方向移动，搅拌摩擦焊刀具和铣削刀具600可以在竖直方向沿着Z轴进行移动。即在堆积一定的层数后(例如可以在堆积完第一目标层后，或者堆积完第一目标层和第二目标层后，或者堆积完第一目标层、第二目标层和第三目标层后)，停止堆积，切换搅拌摩擦系统，利用搅拌摩擦刀具500对添加纳米粒子增强相的区域进行搅拌摩擦作用。

并且，通过所述搅拌摩擦刀具500对所述在水平面内移动的堆积层进行搅拌摩擦。这样可以使所述增强粉末920进行均匀分布，由于粒子增强相均匀分布，金属材料可以发生粘塑性流动，并且在压力作用下动态再结晶，从而形成致密的、细小的等轴晶，在搅拌摩擦完成后，在必要时，在通过下述步骤S700的铣削加工来进行边缘精整。这样通过搅拌摩擦和纳米粒子增强相的细晶强化作用，使得堆积层中金属动态再结晶形成致密的、细小的等轴晶，继而消除增材制造过程中的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，能够实现提高零件800强度、韧性和疲劳强度等的效果。从而达到了消除金属材料增材制造中所存在的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，提高了零件800的强度、韧性和疲劳强度的技术效果。

步骤S700，通过所述铣削刀具600对所述搅拌摩擦后的所述堆积层进行精整，以完成金属材料的增材制造。

通过所述搅拌摩擦刀具500对所述堆积层进行搅拌摩擦；所述堆积层包括第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层、所述第四目标层和所述第五目标层。

请继续参见图1，通过上述步骤S600中，采用搅拌摩擦刀具500对堆积层进行搅拌摩擦完成后，在必要时可以切换铣刀刀具来对搅拌摩擦后的所述堆积层进行铣削精整，例如去除搅拌摩擦边缘的辅助材料。铣削可以是指使用旋转的多刃刀具切削工件，铣削是高效率的加工方法。工作时铣削刀具600旋转，工件移动，工件也可以固定，但此时旋转的刀具还必须移动。铣削用的机床700有卧式铣床或立式铣床，也有大型的龙门铣床。这些机床700可以是普通机床700，也可以是数控机床700。铣削刀具600适于加工平面、沟槽、各种成形面和模具的特殊形面等。可以通过重复上述步骤S100、上述步骤S200、上述步骤S300、上述步骤S400、上述步骤S500、上述步骤S600、上述步骤S700来完成金属零件800的制造。

本发明实施例提供的所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法还可以包括控制单元，控制单元可以包括第一数控单元1000和第二数控单元1100，可以通过控制单元的第一数控单元1000来控制所述第一喷嘴200中的所述金属粉末910的添加位置、添加速度、添加量。通过控制单元的第二数控单元1100来控制所述第二喷嘴300中的所述增强粉末920的添加位置、添加速度、添加量。

请继续参见图1，金属材料增材制造可以根据产品的三维设计CAD模型，利用离散化方法逐层堆积成型的原理，以金属粉末910或丝材为原料，以激光等高能束400为刀具，在数控软件的控制下将材料熔化逐层堆积，来完成金属零件800的制造。即可以通过第一数控单元1000来控制所述第一喷嘴200中的所述金属粉末910的添加位置、添加速度、添加量。例如在上述步骤S200和上述步骤S400中可以通过第一数控单元1000来控制所述第一喷嘴200中的所述金属粉末910的添加位置、添加速度、添加量等。可以通过第二数控单元1100来控制所述第二喷嘴300中的所述增强粉末920的添加位置、添加速度、添加量。例如在上述步骤S300和上述步骤S500中可以通过第二数控单元1100来控制所述第二喷嘴300中的所述增强粉末920的添加位置、添加速度、添加量等。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的改善金属材料增材制造组织性能的装置的示意图。本发明实施例提供一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法应用于所述改善金属材料增材制造组织性能的装置，所述装置包括基体100、第一喷嘴200、第二喷嘴300、高能束400、搅拌摩擦刀具500、铣削刀具600，现分别对基体100、第一喷嘴200、第二喷嘴300、高能束400、搅拌摩擦刀具500、铣削刀具600、第一数控单元1000、第二数控单元1100进行以下详细说明：

请继续参见图2，第一喷嘴200可以是指喷嘴二。第二喷嘴300可以是指喷嘴一。第一数控单元1000可以是指数控单元二。第二数控单元1100可以是指数控单元一。本发明实施例所提供的改善金属材料增材制造组织性能的装置可以用于实现所述一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法。本发明实施例提供的改善金属材料增材制造组织性能的装置通过在逐渐堆积金属材料的过程中添加纳米粒子增强相，在堆积一定的层数后。再切换为搅拌摩擦刀具500，通过搅拌摩擦热的机械作用，使纳米粒子增强相均匀分布，堆积层金属材料动态再结晶形成细小的等轴晶。在完成搅拌摩擦后，在必要时，还可以利用铣削加工进行边缘精整。然后重复过程，直至完成金属零件800的制造。其中，机床700可以配备有搅拌摩擦设备，并且带有刀库，刀库可以用于放置不同形状尺寸的搅拌摩擦刀具500。并且第一喷嘴200和第二喷嘴300的送粉、提供高能束400的高能束喷嘴及铣刀都可以进行集成。第一喷嘴200中的喷嘴数量可以是若干个，若干个喷嘴可以是指1个喷嘴、2个喷嘴、3个喷嘴、4个喷嘴、5个喷嘴等。第二喷嘴300中的喷嘴数量也可以是若干个，若干个喷嘴可以是指1个喷嘴、2个喷嘴、3个喷嘴、4个喷嘴、5个喷嘴等。

需要注意的是，高能束400可以熔化由数控单元二控制并从喷嘴二中输送的金属粉末910，来进行堆积。数控单元一可以根据工艺要求，控制喷嘴一在所需的堆积层以及位置输送纳米粒子增强相。在堆积一定的层数后，可以停止堆积。然后切换搅拌摩擦系统，利用搅拌摩擦刀具500来对添加纳米粒子增强相的区域进行搅拌摩擦作用。在搅拌摩擦完成后，在必要时还可以切换铣刀刀具进行铣削精整，例如去除搅拌摩擦边缘的辅助材料。然后完成金属零件800的制造。为了减少目前金属材料增材制造中存在的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，可以利用搅拌摩擦技术以及纳米粒子增强相的细晶强化作用，使堆积层金属动态再结晶形成致密的、细小的等轴晶，从而消除增材制造过程中的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，以实现提高零件800强度，韧性和疲劳强度等的目的。即在金属材料增材制造堆积的过程中，可以在选择的堆积层和位置中添加纳米粒子增强相。在堆积一定的层数后，利用搅拌摩擦技术，来使纳米粒子增强相均匀分布，金属材料发生粘塑性流动，并在压力作用下动态再结晶，从而形成致密的、细小的等轴晶。在搅拌摩擦完成后，在必要时，还可以利用铣削加工进行边缘精整。通过利用搅拌摩擦技术能够有效的消除增材制造过程中的气孔，裂纹等缺陷，并改善零件800内部内应力，从而提高零件800强度，韧性和疲劳强度等的技术效果。

同时，纳米粒子增强相可以是在金属材料制造堆积的过程中添加的，可在每层中添加，也可隔层添加。纳米粒子增强相的添加位置、添加速度、添加量是通过数控单元一来控制。搅拌摩擦技术可以使用各种不同的搅拌摩擦刀具500，来对添加了纳米粒子增强相的部位进行多次搅拌摩擦。铣削刀具600可对搅拌摩擦部位的边缘位置进行精整。这样通过利用搅拌摩擦技术对金属材料堆积层进行搅拌摩擦作用，可以消除金属材料增材制造过程中的气孔，裂纹，内应力大等冶金缺陷，形成致密的锻件组织。通过添加纳米粒子增强相，通过细晶强化，使堆积层金属动态再结晶形成致密的、细小的等轴晶，进一步提高增材制造零件800的强度，韧性和疲劳强度等。这样通过搅拌摩擦和纳米粒子增强相的细晶强化作用，使得堆积层中金属动态再结晶形成致密的、细小的等轴晶，继而消除增材制造过程中的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，能够实现提高零件800强度、韧性和疲劳强度等的效果。从而达到了消除金属材料增材制造中所存在的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，提高了零件800的强度、韧性和疲劳强度的技术效果。

本发明提供一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，通过高能束400对所述第一喷嘴200中的金属粉末910进行融化后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述基体100上，以形成第一目标层。在形成所述第一目标层后，将所述第二喷嘴300中的增强粉末920堆积在所述第一目标层上，以形成第二目标层。在形成所述第二目标层后，将所述融化后的金属粉末910堆积在所述第二目标层上，以形成第三目标层。在形成所述第三目标层后，将所述增强粉末920堆积在所述第三目标层上，以形成第四目标层。再由第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层和所述第四目标层来形成堆积层，然后通过搅拌摩擦刀具500来对堆积层进行搅拌摩擦。并且通过所述铣削刀具600对所述搅拌摩擦后的所述堆积层进行精整，以完成金属材料的增材制造。这样通过搅拌摩擦和纳米粒子增强相的细晶强化作用，使得堆积层中金属动态再结晶形成致密的、细小的等轴晶，继而消除增材制造过程中的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，能够实现提高零件800强度、韧性和疲劳强度等的效果。从而达到了消除金属材料增材制造中所存在的气孔、裂纹、内应力大等缺陷，提高了零件800的强度、韧性和疲劳强度的技术效果。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，所述方法应用于所述改善金属材料增材制造组织性能的装置，所述装置包括基体、第一喷嘴、第二喷嘴、高能束、搅拌摩擦刀具、铣削刀具、控制单元，其特征在于，所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法包括：

通过所述高能束对所述第一喷嘴中的金属粉末进行融化；

将所述融化后的金属粉末堆积在所述基体上，以形成第一目标层；

在形成所述第一目标层后，将所述第二喷嘴中的增强粉末堆积在所述第一目标层上，以形成第二目标层；

在形成所述第二目标层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第二目标层上，以形成第三目标层；

在形成所述第三目标层后，将所述增强粉末堆积在所述第三目标层上，以形成第四目标层；

通过所述搅拌摩擦刀具对堆积层进行搅拌摩擦，所述堆积层至少包括所述第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层和所述第四目标层；

通过所述铣削刀具对所述搅拌摩擦后的所述堆积层进行精整，以完成金属材料的增材制造。

2.如权利要求1所述的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，其特征在于，所述将所述融化后的金属粉末堆积在所述基体上，以形成第一目标层包括：

将所述融化后的金属粉末堆积在所述基体上，以形成第一金属层；

在形成所述第一金属层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第一金属层上，以形成第二金属层；

在形成所述第二金属层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第二金属层上，以形成第三金属层；

其中，所述第一目标层包括第一金属层、第二金属层和第三金属层。

3.如权利要求2所述的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，其特征在于，所述在形成所述第一目标层后，将所述第二喷嘴中的增强粉末堆积在所述第一目标层上，以形成第二目标层包括：

在形成所述第三金属层后，将所述增强粉末堆积在所述第三金属层上，以形成第二目标层；

所述增强粉末包括纳米粒子增强相。

4.如权利要求3所述的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，其特征在于，所述在形成所述第二目标层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第二目标层上，以形成第三目标层包括：

将所述将所述融化后的金属粉末堆积在所述第二目标层上，以形成第四金属层；

在形成所述第四金属层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第四金属层上，以形成第五金属层；

在形成所述第五金属层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第五金属层上，以形成第六金属层；

其中，所述第三目标层包括第四金属层、第五金属层和第六金属层。

5.如权利要求4所述的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，其特征在于，所述通过所述搅拌摩擦刀具对堆积层进行搅拌摩擦包括：

通过所述搅拌摩擦刀具对在水平面内移动的所述堆积层进行搅拌摩擦，以使所述增强粉末均匀分布。

6.如权利要求5所述的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，其特征在于，所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法还包括：

通过所述控制单元的第一数控单元来控制所述第一喷嘴中的所述金属粉末的添加位置、添加速度、添加量；

通过所述控制单元的第二数控单元来控制所述第二喷嘴中的所述增强粉末的添加位置、添加速度、添加量。

7.如权利要求6所述的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，其特征在于，所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法包括：

所述高能束包括激光束、或电子束、或等离子、或离子束。

8.如权利要求7所述的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，其特征在于，所述在形成所述第三目标层后，将所述增强粉末堆积在所述第三目标层上，以形成第四目标层之后还包括：

在形成所述第四目标层后，将所述融化后的金属粉末堆积在所述第四目标层上，以形成第五目标层。

9.如权利要求8所述的基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法，其特征在于，所述基于搅拌摩擦改善金属材料增材制造组织性能的方法包括：

通过所述搅拌摩擦刀具对所述堆积层进行搅拌摩擦；

所述堆积层包括第一目标层、所述第二目标层、所述第三目标层、所述第四目标层和所述第五目标层。