CN109604603B - 一种超声波辅助激光沉积增材制造方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声波辅助激光沉积增材制造方法及装置，属于增材制造领域。超声波辅助激光沉积增材制造方法利用超声振动头对沉积熔池施加超声振动；使超声振动头跟随沉积熔池移动，保持超声振动头到沉积熔池的振动传导距离不变，在沉积熔池移动过程中，通过移动超声振动头并保持超声振动到沉积熔池的振动传导距离不变，使沉积熔池的振幅保持不变，进而使形成的沉积层均一性提高，质量稳定。超声波辅助激光沉积增材制造装置，利用激光头定位单元监测移动激光沉积头的位置并将激光头位置信号传递给同步控制器，同步控制器根据激光头位置信号控制振动头，保持振动头与沉积熔池在基板下板面上的投影的距离不变，从而使沉积熔池的振幅保持不变。

Description

一种超声波辅助激光沉积增材制造方法及装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更具体地说，是涉及一种超声波辅助激光沉积增材制造方法及装置。
背景技术
铝合金及其复合材料具有密度低、比强度高、耐磨性能好等优异的性能，被广泛应用于交通运输、航空航天、机械产品以及能源通讯等领域。随着铝合金及其复合材料构件向整体化、形状复杂化、薄壁化、高精度化等方向发展，传统的成形加工工艺，如铸造、挤压、锻造、焊接、机加工等技术具有一定的局限性，生产过程耗时耗力、效率低、甚至无法制造。因此，将激光增材制造技术用于成形复杂结构的铝合金及其复合材料零件，有望为大尺寸、复杂形状铝合金及其复合材料零件提供一种新的快速制备方法。
激光熔化沉积技术是采用金属材料和激光束的同步输送，从而在基材上逐层沉积而形成零件。激光熔化沉积技术具有可将金属材料直接“近净成形”为金属零件，工序少，加工周期短；成形过程不需要采用铸造模具或锻造的大型锻压设备；沉积零件组织细小，力学性能优异；适合制备传统加工无法成形的小批量、复杂结构零件；可方便地同传统的加工技术及外场工艺复合，充分发挥各种技术的优势。
铝合金及其复合材料由于具有对激光能量吸收率低、导热率高、易氧化、粉末流动性差等特点，使其采用激光增材成形具有很大挑战，导致有关铝合金及其复合材料激光增材制造技术的研究较少。此外，由于激光沉积试样熔池中的冷却特点，试样中的晶粒组织并不均匀，熔合区处的显微组织为连续外延生长的定向柱状晶组织，沉积层中上部组织逐渐转变为等轴晶；且保护气氛中的水分、合金粉末及基材表面氧化膜中吸附的水分在激光沉积时能分解形成氢气，氢在铝合金中的溶解度随温度的下降而降低，熔池中析出的气体来不及逸出，在沉积试样中形成气孔，进而影响试样的致密度。目前，现有的超声波辅助激光增材制造技术，可以改善金属材料增材制备中因气孔而存在的致密度低等问题，然而，实际采用现有的超声辅助激光增材制造设备进行测试的过程中发现，在基材的不同位置，沉积层质量不稳定，尤其在制备大尺寸零件时，沉积层组织分布不均一，整体力学性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波辅助激光沉积增材制造方法，以解决现有技术中存在的现有的超声波辅助激光增材制造技术方法制作的零件不同位置的沉积层质量不稳定，尤其在制备大尺寸零件时，沉积层组织分布不均一，整体力学性能较差的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种超声波辅助激光沉积增材制造方法，包括：
清理基材加工面；
在所述加工面上形成沉积熔池；
利用超声振动头通过振动传导对所述沉积熔池施加超声振动；
使所述沉积熔池移动，移动超声振动头并保持所述超声振动头到所述沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变；
所述沉积熔池内的熔液冷却后形成沉积层。
进一步地，所述使所述沉积熔池形成超声振动包括：
利用超声振动头通过振动传导对所述沉积熔池施加超声振动；
所述使所述沉积熔池移动，并保持所述沉积熔池的振幅不变包括：
使所述沉积熔池移动，移动超声振动头并保持所述超声振动头到所述沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变。
进一步地，所述移动超声振动头并保持所述超声振动头到所述沉积熔池的振动传导距离不变包括：
移动超声振动头并保持所述超声振动头与所述沉积熔池的相对位置保持固定。
进一步地，在所述加工面上形成沉积熔池之前还包括：
利用超声振动头通过振动传导使所述加工面形成超声振动；
测量所述加工面待加工处的振幅，判断所述待加工处的振幅是否符合预定要求，若所述待加工处的振幅不符合预定要求，则调整所述超声振动头与所述沉积熔池之间的振动传导距离，以使所述待加工处的振幅符合预定要求。
进一步地，在所述沉积熔池经过处冷却后形成沉积层之后，还包括：
将所述沉积层的温度保持在预设范围内，利用所述激光沉积装置在所述沉积层上沿与所述沉积层的扫描路径不同的另一扫描路径沉积下一层沉积层。
进一步地，所述基材为铸造铝合金构件，所述清理基材加工面包括：
利用NaOH碱液清洗所述加工面，去除所述加工面上的氧化膜；
清水冲洗所述加工面，除去NaOH碱液；
利用HNO3酸溶液清洗所述加工面，除去残余的NaOH碱液；
清水冲洗所述加工面，除去HNO3酸溶液；
吹干所述加工面。
进一步地，所述沉积熔池采用的沉积粉末为颗粒度为-100至+240目的铝硅合金粉末；或者所述沉积粉末为铝硅合金粉末与SiC陶瓷颗粒混合成的复合粉末，所述复合粉末中，所述SiC陶瓷颗粒直径在60μm以下，质量百分含量大于0小于等于30％。
进一步地，所述SiC陶瓷颗粒表面在1000至1200℃条件下氧化1至6小时，或者所述SiC陶瓷颗粒表面进行镀Ni，或者所述SiC陶瓷颗粒表面进行镀Cu处理。
本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造方法的有益效果在于：本发明超声波辅助激光沉积增材制造方法，在沉积熔池移动过程中，通过移动超声振动头并保持所述超声振动到所述沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变，进而使沉积熔池内熔液冷却形成的沉积层均一性提高，质量稳定。
本发明还提供一种应用以上超声波辅助激光沉积增材制造方法的超声波辅助激光沉积增材制造装置。
一种超声波辅助激光沉积增材制造装置，包括：
基板，固定于支架上，用于固定基材；
激光沉积单元，具有位于所述基板上方的移动激光沉积头；
激光头定位单元，设于所述支架上，用于监测所述移动激光沉积头在平行于所述基板的平面上的位置；
平移机构，与所述支架连接，平移端在平行于所述基板的平面上平移；
超声振动单元，具有设于所述平移端上并与所述基板下板面贴合的振动头；以及
同步控制器，输入端与所述激光头定位单元的信号输出端电连接，输出端与所述平移机构电连接，用于根据所述激光头定位单元的移动激光沉积头位置信号控制所述平移端的平移。
进一步地，所述激光头定位单元包括，
多个激光发射端，位于所述移动激光沉积头一侧且沿平行于所述基板的直线排列；以及
多个激光接收端，位于所述移动激光沉积头另一侧，沿平行于所述基板的直线排列并与所述激光发射端一一对应；
多个所述激光发射端和多个所述激光接收端之间形成覆盖所述移动激光沉积头移动范围的检测区。
进一步地，所述超声波辅助激光沉积增材制造装置还包括：
升降机构，升降端在垂直于所述基板的方向上升降，所述平移机构设于所述升降端上；
所述同步控制器的输出端与所述升降机构电连接用于控制升降端的升降。
进一步地，所述升降机构包括：
两个导杆，与所述支架连接，垂直于所述基板；
升降台，位于所述基板下方，两端分别与两个所述导杆滑动连接，形成所述升降端；
升降丝杠，与所述导杆平行设置，一端设有升降驱动电机；以及
升降丝母，套设于所述升降丝杠外并与所述升降台连接；
所述同步控制器的输出端与所述升降驱动电机电连接。
进一步地，所述平移机构包括：
横移导轨，设于所述升降端上，与所述基板平行；
横移滑台，与所述横移导轨滑动连接，所述平移端设于所述横移滑台上；
横移丝杠，设于所述升降端上并与所述横移导轨平行设置，一端设有横移驱动电机；以及
横移丝母，套设于所述横移丝杠外并与所述横移滑台连接；
所述同步控制器的输出端与所述横移驱动电机电连接。
进一步地，所述平移机构包括：
纵移导轨，设于所述横移滑台上，与所述基板平行；
纵移滑台，与所述纵移导轨滑动连接，形成所述平移端；
纵移丝杠，设于所述横移滑台上并与所述纵移导轨平行设置，一端设有纵移驱动电机；以及
纵移丝母，套设于所述纵移丝杠外并与所述纵移滑台连接；
所述同步控制器的输出端与所述纵移驱动电机电连接。
本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明超声波辅助激光沉积增材制造装置，在使用时，将基材固定于基板上，移动激光沉积头在基材上形成沉积熔池，通过移动激光沉积头沿基材的加工面平移使沉积熔池发生移动逐渐形成沉积层，利用激光头定位单元监测移动激光沉积头的位置，并将激光头位置信号传递给同步控制器，同步控制器根据激光头位置信号控制所述振动头保持与所述沉积熔池在所述基板下板面上的投影的距离不变，从而使所述沉积熔池的振幅保持不变，使沉积熔池冷却形成的沉积层均一性提高，质量稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，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超声波辅助激光沉积增材制造方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的超声波辅助激光沉积增材制造装置的结构示意图；
图3为本发明对比例一提供的试件的组织金相图；
图4为本发明实施例一提供的试件的组织金相图；
图5为本发明对比例一提供的试件的沉积层放大图；
图6为本发明实施例一提供的试件的沉积层放大图；
图7为本发明对比例二提供的试件的组织金相图；
图8为本发明实施例二提供的试件的组织金相图。
其中，图中各附图标记：
1-基板；11-支架；2-激光沉积单元；21-移动激光沉积头；31-激光发射端；32-激光接收端；41-横移导轨；42-横移滑台；43-纵移导轨；44-纵移滑台；5-振动头；6-同步控制器；71-导杆；72-升降台；8-基材。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
请一并参阅图1，现对本发明实施例提供的超声波辅助激光沉积增材制造方法进行说明。一种超声波辅助激光沉积增材制造方法，包括：
清理基材8加工面；
在加工面上形成沉积熔池；
利用超声振动头5通过振动传导对沉积熔池施加超声振动；
使沉积熔池移动，移动超声振动头5并保持超声振动头5到沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变；
沉积熔池内的熔液冷却后形成沉积层。
现有超声辅助多采用固定式超声振动源，固定式超声振动源使得基材8加工面的振幅分布并不均匀，随激光热源的运动，沉积熔池处于不同位置时其振幅差异较大，导致超声振动在液态沉积熔池中产生的空化及声流作用会出现差异，最终导致沉积层质量不稳定，并且当制备大尺寸试件时，远离超声源头位置处振动衰减严重，沉积试样组织分布不均一，整体力学性能较差。
与现有技术相比，本发明超声波辅助激光沉积增材制造方法，在沉积熔池移动过程中，通过移动超声振动头5并保持超声振动头5到沉积熔池的振动传导距离不变，使沉积熔池的振幅保持不变，进而使沉积熔池内熔液冷却形成的沉积层均一性提高，质量稳定。
具体地，基材8可以采用铝合金平板，可以采用一般的激光沉积单元2，通过激光沉积单元2的移动激光沉积头21，利用激光融化沉积粉末在基材8上形成沉积熔池。通过在平行于基板1的方向上移动移动激光沉积头21，使得沉积熔池移动，沉积熔池冷却后的位置形成沉积层。超声振动头5可以通过振动传导的方式使基材8形成超声振动，进而使沉积熔池发生超声振动。在沉积熔池移动时，通过将超声设备与沉积熔池同步移动，使沉积熔池的振幅保持不变。更具体地，基材8可以是固定在基板1上，超声振动头5通过与基板1下板面接触，将振动传导到沉积熔池。在沉积熔池沿平行于基板1板面的方向移动时，通过将超声振动头5沿基板1下板面移动，保持超声振动头5与沉积熔池振动传导距离不变。
作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造方法的一种具体实施方式，移动超声振动头5并保持超声振动头5到沉积熔池的振动传导距离不变包括：
移动超声振动头5并保持超声振动头5与沉积熔池的相对位置保持固定。
具体地，在沉积熔池沿平行于基板1板面的方向移动时，通过将超声振动头5沿基板1下板面进行与沉积熔池相同的移动，使超声振动头5与沉积熔池的相对位置保持固定，保持超声振动头5与沉积熔池振动传导距离不变。
作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造方法的一种具体实施方式，在加工面上形成沉积熔池之前还包括：
利用超声振动头5通过振动传导使加工面形成超声振动；
测量加工面待加工处的振幅，判断待加工处的振幅是否符合预定要求，若待加工处的振幅不符合预定要求，则调整超声振动头5与沉积熔池之间的振动传导距离，以使待加工处的振幅符合预定要求。
具体地，加工时，首先在待加工处形成沉积熔池，待加工处的振幅等于沉积熔池的振幅，因此待加工处的振幅要求满足沉积熔池的振幅要求。
作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造方法的一种具体实施方式，在沉积熔池经过处冷却后形成沉积层之后，还包括：
将沉积层的温度保持在预设范围内，利用激光沉积装置在沉积层上沿与沉积层的扫描路径不同的另一扫描路径沉积下一层沉积层。
具体地，激光沉积装置的激光沉积头21沿扫描路径平行于基材8的加工面移动，使得激光沉积头21在加工面上形成预定形状的沉积层。采用多层多道沉积方式，可以采用不同的扫描方式，以获得各向同性的沉积层。沉积层的搭接间距范围为1.0至1.6mm，沉积层间高度为0.1至0.6mm，沉积层温度的预设要求为基材8的温度范围为40至80℃，通过控制单位体积激光热输入控制熔池温度，避免氢在高温熔池中的过量溶解。
作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造方法的一种具体实施方式，基材8为铸造铝合金构件，清理基材8加工面包括：
利用NaOH碱液清洗加工面，去除加工面上的氧化膜；
清水冲洗加工面，除去NaOH碱液；
利用HNO3酸溶液清洗加工面，除去残余的NaOH碱液；
清水冲洗加工面，除去HNO3酸溶液；
吹干加工面。
具体地，基材8为铸造铝合金材质的平板，将基材8浸入60℃浓度为8％的NaOH碱液中清洗8min，去除铝合金表面三氧化二铝氧化膜，减少氧化膜中的结晶水含量，降低沉积层中氢含量，清水冲洗，并放入常温下浓度为15％的HNO3酸溶液中和1分钟，除去残余的碱液，再用清水冲洗，吹干，处理后的基材8放置于基板1上并精确定位。也可采用其他金属材料作为基材8。
作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造方法的一种具体实施方式，沉积熔池采用的沉积粉末为颗粒度为-100至+240目的铝硅合金粉末；或者沉积粉末为铝硅合金粉末与SiC陶瓷颗粒混合成的复合粉末，复合粉末中，SiC陶瓷颗粒直径在60μm以下，质量百分含量大于0小于等于30％。
具体地，沉积粉末颗粒度为-100至+240目。使用前先将沉积粉末置于120℃真空室中，烘干6h，去除粉末表面吸附的水分，减少沉积层中的氢含量。也可沉积粉末采用铝硅合金粉末与SiC陶瓷颗粒复合粉末，其中SiC陶瓷颗粒尺寸范围为0至60μm，质量百分含量为0至30％。
作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造方法的一种具体实施方式，SiC陶瓷颗粒表面在1000至1200℃条件下氧化1至6小时，或者SiC陶瓷颗粒表面进行镀Ni，或者SiC陶瓷颗粒表面进行镀Cu处理。
沉积粉末采用铝硅合金粉末与SiC陶瓷颗粒复合粉末时，沉积粉末中的SiC陶瓷颗粒表面可在1000至1200℃条件下氧化1至6h，SiC陶瓷颗粒表面也可采用化学镀层，表面进行镀Ni、镀Cu处理。
本发明还提供一种应用以上超声波辅助激光沉积增材制造方法的超声波辅助激光沉积增材制造装置。
一种超声波辅助激光沉积增材制造装置，包括：基板1，固定于支架11上，用于固定基材8；激光沉积单元2，具有位于基板1上方的移动激光沉积头21；激光头定位单元，设于支架11上，用于监测移动激光沉积头21在平行于基板1的平面上的位置；平移机构，与支架11连接，平移端位于基板1的下方并在平行于基板1的平面上平移；超声振动单元，具有设于平移端上并与基板1下板面贴合的振动头5；以及同步控制器6，输入端与激光头定位单元的信号输出端电连接，输出端与平移机构电连接，用于根据激光头定位单元的移动激光沉积头21位置信号控制平移端的平移。
与现有技术相比，本发明超声波辅助激光沉积增材制造装置，在使用时，将基材8固定于基板1上，移动激光沉积头21在基材8上形成沉积熔池，通过移动激光沉积头21沿基材8的加工面平移使沉积熔池发生移动逐渐形成沉积层，利用激光头定位单元监测移动激光沉积头21的位置，并将激光头位置信号传递给同步控制器6，同步控制器6根据激光头位置信号控制振动头5，使振动头5与沉积熔池在基板1下板面上的投影的距离保持不变，从而使沉积熔池的振幅保持不变，使沉积熔池冷却形成的沉积层均一性提高，质量稳定。
具体地，基板1为水平的平板，基板1的两侧通过支架11支撑，使下方形成一定的空间。激光头定位单元可以包括固定支架11上的机械臂以及安装在机械臂活动端上的移动激光沉积头21。移动激光沉积头21可以包括激光头以及与激光头固联的送粉装置。移动激光沉积头21用于激光沉积增材制造，能够利用送粉装置送来的沉积粉末通过激光头的激光在基材8的上表面形成沉积熔池。超声振动单元可以包括依次连接的振动头5、超声换能器和超声发生装置，超声发生装置和超声换能器使振动头5产生超声振动，振动头5与基板1的下板面紧密接触，将超声振动传递给基板1，进而将超声振动传递给基材8。超声振动从基板1底部导入到基材8，并传播到沉积熔池中，超声波振动的频率为20kHz，功率范围为300至1000w。振动头5安装在平移机构上，使振动头5能够沿基板1下板面移动。振动头5可以采用滚轮式变幅杆，滚轮式变幅杆和超声换能器一起固定在平移机构的平移端。同步控制器6用于根据激光头定位单元的激光头位置信号控制平移端的平移并保持振动头5与沉积熔池在基板1下板面上的投影的距离不变。
请一并参阅图2，作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造装置的一种具体实施方式，激光头定位单元包括，多个激光发射端31，位于移动激光沉积头21一侧且沿平行于基板1的直线排列；以及多个激光接收端32，位于移动激光沉积头21另一侧，沿平行于基板1的直线排列并与激光发射端31一一对应；多个激光发射端31和多个激光接收端32之间形成覆盖移动激光沉积头21移动范围的检测区。
具体地，多个激光发射端31沿水平横向直线间隔10mm排列，多个激光接收端32沿水平横向直线间隔10mm排列并与多个激光发射端31一一对应，形成多条水平纵向的激光束，多条水平纵向的激光束构成检测区，移动激光沉积头21在检测区内移动，阻断水平纵向的激光束从而定位移动激光沉积头21的横向位置。在检测区内还可以设置多个激光发射端31沿水平纵向直线间隔10mm排列，设置多个激光接收端32沿水平纵向直线间隔10mm排列并与多个激光发射端31一一对应，形成多条水平横向的激光束，移动激光沉积头21在检测区内移动，阻断水平横向的激光束从而定位移动激光沉积头21的纵向位置。激光接收端32将移动激光沉积头21的位置信号传递给同步控制器6。同步控制器6可以采用Intel+Windows平台，通过软件计算移动激光沉积头21的位置。激光接收端32可以采用CCD元件也可以是CMOS元件。
请一并参阅图2，作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造装置的一种具体实施方式，超声波辅助激光沉积增材制造装置还包括：升降机构，升降端在垂直于基板1的方向上升降，平移机构设于升降端上；同步控制器6的输出端与升降机构电连接用于控制升降端的升降。
利用升降机构的升降端带动平移机构和振动头5上升或者下降，使振动头5与基板1下板面紧密接触，也便于更换振动头5。
请一并参阅图2，作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造装置的一种具体实施方式，升降机构包括：
两个导杆71，与支架11连接，垂直于基板1；升降台72，位于基板1下方，两端分别与两个导杆71滑动连接，形成升降端；升降丝杠，与导杆71平行设置，一端设有升降驱动电机；以及升降丝母，套设于升降丝杠外并与升降台72连接；同步控制器6的输出端与升降驱动电机电连接。
具体地，两个导杆71竖直设置并与支架11固定，分别位于升降台72的两侧，升降台72与基板1平行设置升降台72的两侧分别通过滑块分别与两个导杆71滑动连接，通过升降驱动电机驱动升降丝杠转动，使得升降丝母带动升降台72升降。同步控制器6的输出端控制升降驱动电机的转动。
请一并参阅图2，作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造装置的一种具体实施方式，平移机构包括：横移导轨41，设于升降端上，与基板1平行；横移滑台42，与横移导轨41滑动连接，平移端设于横移滑台42上；横移丝杠，设于升降端上并与横移导轨41平行设置，一端设有横移驱动电机；以及横移丝母，套设于横移丝杠外并与横移滑台42连接；同步控制器6的输出端与横移驱动电机电连接。
具体地，两个横移导轨41相互平行并水平横向固定在升降台72上，横移滑台42下部设有两个滑块，通过滑块分别与两个横移导轨41滑动连接，使得横移滑台42能够水平横向滑动。横移丝杠固定在升降台72上，并与横移导轨41平行，通过横移驱动电机驱动横移丝杠转动，使横移丝母带动横移滑台42水平横向移动，进而使平移端形成横向移动。同步控制器6的输出端控制横移驱动电机的转动。
请一并参阅图2，作为本发明提供的超声波辅助激光沉积增材制造装置的一种具体实施方式，平移机构包括：纵移导轨43，设于横移滑台42上，与基板1平行；纵移滑台44，与纵移导轨43滑动连接，形成平移端；纵移丝杠，设于横移滑台42上并与纵移导轨43平行设置，一端设有纵移驱动电机；以及纵移丝母，套设于纵移丝杠外并与纵移滑台44连接；
同步控制器6的输出端与纵移驱动电机电连接。
具体地，两个纵移导轨43相互平行并水平纵向固定在横移滑台42上，纵移滑台44下部设有两个滑块，通过滑块分别与两个纵移导轨43滑动连接，使得纵移滑台44能够水平纵向滑动。纵移丝杠固定在横移滑台42上，并与纵移导轨43平行，通过纵移驱动电机驱动纵移丝杠转动，使纵移丝母带动纵移滑台44水平纵向移动，进而使平移端形成纵向移动。同步控制器6的输出端控制纵移驱动电机的转动。
在一个具体的实施例一中，采用上述超声波辅助激光沉积增材制造装置应用上述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，制作试件的过程如下：
1、以ZL114A铝合金板作为基材8，浸入60℃浓度为8％的NaOH碱液中清洗8min，去除铝合金板表面三氧化二铝氧化膜，减少氧化膜中的结晶水含量，降低沉积层中氢含量，清水冲洗，并放入常温下浓度为15％的HNO3酸溶液中和1分钟，除去残余的碱液，再用清水冲洗，吹干，处理后的试件放置于基板1上并精确定位。
2、沉积粉末采用Al-12Si共晶合金粉末，在真空室中120℃温度下烘干6h后放入激光沉积单元2中，控制激光沉积单元2送粉装置的送粉速率为1.9g/min，送粉载气为氩气，气体流量为8L/min。
3、利用平移机构调整移动激光沉积头21与振动头5的水平间距为20mm，振动头5开启5秒后，开启移动激光沉积头21。振动头5超声振动的频率为20kHz，功率为700w。移动激光沉积头21光斑直径为2mm，离焦量为9mm，保护气体为氩气，流量为15L/min，激光沉积功率为1100kw，激光扫描速度为6mm/s。
4、激光沉积头沿扫描路径进行沉积，通过同步控制器6控制平移端沿相同的扫描路径与移动激光沉积头21同步运动，保持平移端上的振动头5与沉积熔池水平间距为20mm不变，从而使沉积熔池的振幅保持稳定。
5、在激光沉积头停止5秒后，停止振动头5。
6、将基材8空冷至50℃，将扫描路径变换至与上一层的扫面路径垂直，进行下一层的沉积。同一沉积层的道间搭接间距为1.2mm，沉积层间高度为0.4mm，沉积至所需试件尺寸后空冷至室温。
作为对比例一，其步骤1、2、3、5和6与实施例一相同，其步骤4为平移机构不运动，振动头5不启动，而激光沉积头沿扫描路径进行沉积。
将实施例一和对比例一提供的试件进行组织观察和性能测试。结果如下：
1)对比例一中不施加超声振动时，沉积层组织粗大，每道组织由熔合线过渡到中上部其组织分为明显的柱状晶粗晶区域和树枝晶细晶区域，参考图3。实施例一中施加700w超声振动后，由于冷却速度快、过冷度大、温度梯度小，熔合线为等轴晶铝固溶体组织，而沉积层中心区域主要由少量的α-Al铝固溶体组织及大部分的铝硅共晶组织构成，参考图4；
2)对比例一的试件中存在沉积层裂纹，参考图5；而实施例一的试件中，由于树枝晶的减少，降低了熔池中结晶裂纹的敏感性，与不施加超声振动时相比，施加超声振动后的试件中未发现沉积层与基材8界面及沉积层内部存在微裂纹，参考图6。
在一个具体的实施例二中，采用上述超声波辅助激光沉积增材制造装置应用上述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，制作试件的过程如下：
1、基材8采用20钢板。基材8表面用丙酮清洗除去油污，固定在基板1上。
2、沉积粉末采用Al-12Si共晶合金粉末，在真空室中120℃温度下烘干6h后放入激光沉积单元2中，控制激光沉积单元2送粉装置的送粉速率为1.9g/min，送粉载气为氩气，气体流量为8L/min。
3、利用平移机构调整移动激光沉积头21与振动头5的水平间距为0mm，振动头5开启5秒后，开启移动激光沉积头21。振动头5超声振动的频率为20kHz，功率为700w。移动激光沉积头21光斑直径为1.6mm，离焦量为20mm，保护气体为氩气，流量为15L/min，激光沉积功率为2000kw，激光扫描速度为8mm/s。
4、激光沉积头沿扫描路径进行沉积，通过同步控制器6控制平移端沿相同的扫描路径与移动激光沉积头21同步运动，保持平移端上的振动头5与沉积熔池水平间距为0mm不变，从而使沉积熔池的振幅保持稳定。
5、在激光沉积头停止5秒后，停止振动头5。
6、将基材8空冷至50℃，将扫描路径变换至与上一层的扫面路径垂直，进行下一层的沉积。同一沉积层的道间搭接间距为1.2mm，沉积层间高度为0.4mm，沉积至所需试件尺寸后空冷至室温。
作为对比例二，其步骤1、2、3、5和6与实施例一相同，其步骤4为平移机构不运动，振动头5不启动，而激光沉积头沿扫描路径进行沉积。
将实施例二和对比例二提供的试件进行组织观察和性能测试。结果如下：
不施加超声振动时，沉积层界面处存在三层金属间化合物，总厚度约为8.1至10.5μm，分布为η相Fe2(Al,Si)5、θ相Fe(Al,Si)3、τ5相Al7.2Fe1.8Si；施加超声振动后，由于超声波声流作用促进了熔池内液态金属的流动，增加了液态金属的冷却速度，减少了铁的溶解，极大的降低了界面的反应程度，界面处金属间化合物层厚降低至0.5至0.9μm，结构为θ相Fe(Al,Si)3，参考图7和图8。
从上述实施例一与对比例一以及实施例二与对比例二的对比结果可以看出，本发明超声波辅助激光沉积增材制造方法制备的铝合金及其复合材料试件，超声振动在液态熔池中产生的空化及声流作用能够调控沉积层组织、降低界面反应程度、抑制沉积层积界面处微裂纹的生成，最终实现了力学性能的提高。通过控制超声设备使沉积熔池的振幅保持不变，使沉积熔池冷却形成的沉积层均一性提高，质量稳定。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波辅助激光沉积增材制造装置，其特征在于，包括：
基板(1)，固定于支架(11)上，用于固定基材(8)；
激光沉积单元(2)，具有位于所述基板(1)上方的移动激光沉积头(21)；
激光头定位单元，设于所述支架(11)上，用于监测所述移动激光沉积头(21)在平行于所述基板(1)的平面上的位置；
平移机构，与所述支架(11)连接，平移端在平行于所述基材(8)的平面上平移；
超声振动单元，具有设于所述平移端上并与所述基板(1)下板面贴合的振动头(5)；
同步控制器(6)，输入端与所述激光头定位单元的信号输出端电连接，输出端与所述平移机构电连接，用于根据所述激光头定位单元的移动激光沉积头(21)位置信号控制所述平移端的平移；以及
升降机构，升降端在垂直于所述基板(1)的方向上升降，所述平移机构设于所述升降端上，所述升降机构用于使所述振动头与所述基板的下板面紧密接触。
2.如权利要求1所述的超声波辅助激光沉积增材制造装置，其特征在于：所述激光头定位单元包括，
多个激光发射端(31)，位于所述移动激光沉积头(21)一侧且沿平行于所述基板(1)的直线排列；以及
多个激光接收端(32)，位于所述移动激光沉积头(21)另一侧，沿平行于所述基板(1)的直线排列并与所述激光发射端(31)一一对应；
多个所述激光发射端(31)和多个所述激光接收端(32)之间形成覆盖所述移动激光沉积头(21)移动范围的检测区。
3.如权利要求1所述的超声波辅助激光沉积增材制造装置，其特征在于：
所述同步控制器(6)的输出端与所述升降机构电连接用于控制升降端的升降。
4.如权利要求1所述的超声波辅助激光沉积增材制造装置，其特征在于：所述升降机构包括：
两个导杆(71)，与支架(11)连接，垂直于基板(1)；
升降台(72)，位于基板(1)下方，两端分别与两个导杆(71)滑动连接，形成升降端；
升降丝杠，与导杆(71)平行设置，一端设有升降驱动电机；以及
升降丝母，套设于升降丝杠外并与升降台(72)连接；
同步控制器(6)的输出端与升降驱动电机电连接。
5.一种超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于，采用如权利要求1至4任一项所述的超声波辅助激光沉积增材制造装置，包括：
清理基材(8)加工面；
在所述加工面上形成沉积熔池；
利用超声振动头(5)通过振动传导对所述沉积熔池施加超声振动；
使所述沉积熔池移动，移动所述超声振动头(5)并保持所述超声振动头(5)到所述沉积熔池的振动传导距离不变，使所述沉积熔池的振幅保持不变；
所述沉积熔池内的熔液冷却后形成沉积层。
6.如权利要求5所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：所述移动超声振动头(5)并保持所述超声振动头(5)到所述沉积熔池的振动传导距离不变包括：
移动超声振动头(5)并保持所述超声振动头(5)与所述沉积熔池的相对位置保持固定。
7.如权利要求5所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：在所述沉积熔池经过处冷却后形成沉积层之后，还包括：
将所述沉积层的温度保持在预设范围内，利用所述激光沉积装置在所述沉积层上沿与所述沉积层的扫描路径不同的另一扫描路径沉积下一层沉积层。
8.如权利要求5所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：所述基材(8)为铸造铝合金构件，所述清理基材(8)加工面包括：
利用NaOH碱液清洗所述加工面，去除所述加工面上的氧化膜；
清水冲洗所述加工面，除去NaOH碱液；
利用HNO3酸溶液清洗所述加工面，除去残余的NaOH碱液；
清水冲洗所述加工面，除去HNO3酸溶液；
吹干所述加工面。
9.如权利要求5所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：所述沉积熔池采用的沉积粉末为颗粒度为-100至+240目的铝硅合金粉末；或者所述沉积粉末为铝硅合金粉末与SiC陶瓷颗粒混合成的复合粉末，所述复合粉末中，所述SiC陶瓷颗粒直径在60μm以下，质量百分含量大于0小于等于30％。
10.如权利要求9所述的超声波辅助激光沉积增材制造方法，其特征在于：所述SiC陶瓷颗粒表面在1000至1200℃条件下氧化1至6小时，或者所述SiC陶瓷颗粒表面进行镀Ni，或者所述SiC陶瓷颗粒表面进行镀Cu处理。
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