CN110421167A - 一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法,属于增材制造领域，涉及耦合能量场，该能量场为电感温度场和超声波动场耦合得到。随动电磁感应装置通过将感应线圈悬于激光头正下方使线圈跟随激光头运动对熔池周围圆形区域进行预热缓冷；底部超声装置固定于工作台与基板之间，超声波通过基板向上传导到熔池，对熔池及固液界面处进行冲击搅拌。该耦合能量场弥补了单一电感温度场对熔池没有搅拌效果及单一超声波动场对熔池作用时间短效果不显著的缺点。感应加热起到预热缓冷作用，降低温度梯度减小热应力，且温度场通过减缓熔池凝固速率有效提高超声对熔池的冲击搅拌效率；耦合能量场能够有效减少裂纹气孔缺陷，提高金属材料成形件的机械性能。

Description

一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法。
背景技术
增材制造技术改变了以往的铸造、锻造以及常规减材加工方式，大大缩短了零部件的加工制造周期，且利用现有的增材制造技术已经能够制造出不低于锻件性能的零件。得益于增材制造独特的加工方式，设计师们的设计创造空间也得到了大大拓展，不再受传统制造方式的限制。增材制造也使得产品的生产更加柔性化，个性化，能够更大程度的满足特定客户的实际需要。利用基于同轴送粉技术的直接激光沉积增材制造方法加工金属材料可以克服其常规加工的一系列工艺问题，大大缩短其制造周期。与此同时，利用激光熔化金属粉末进行沉积的加工方式更容易实现合金成分的调控以及梯度成分零件的制造。目前增材制造技术已经在设备、方法和工艺等方面有了一些成果，但在金属成形过程中依然存在一些问题。因为激光沉积制造过程存在极速地升温和降温，这会产生很大的温度梯度；同时其凝固时间很短，容易产生气孔、缩孔以及组织成分不均匀，进而为裂纹源埋下隐患，这些部位在过大的温度梯度所产生的残余应力下会发展为微观或宏观裂纹。这些缺陷都会降低零部件的力学性能，应竭力避免。
为解决金属材料增材制造过程中的裂纹气孔缺陷，在此提出一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法。超声作用于熔池能减少增材制造过程中产生的气孔裂纹等缺陷，超声在熔池中主要通过机械振动作用、空化作用以及声流作用对熔池产生影响。超声以波动的形式在熔池中传播，其是一种带有能量的机械波，强迫熔池发生机械振动。与此同时空化作用对熔池内的液体挤压和拉伸，不断有空化泡形成和压破，进而产生强烈的冲击将错综复杂、粗大的枝晶打碎，使凝固过程中各处液体充分填充的同时也充分排出了熔池内的气体。声流作用是指超声在熔池传播过程中产生的声波梯度对熔池进行搅拌，促使成分分布更加均匀，对合金元素的偏析产生抑制效果，从而阻止裂纹源产生。而电感加热主要起到预热缓冷作用，提前对上一层基体进行预热可以降低层与层之间的温度梯度，从而降低热应力抑制裂纹扩展；对沉积后的表层缓冷可以降低液态金属的凝固速度，充分释放凝固过程中的内应力，同时高温促进金属液的流动，金属液对已经产生微观裂纹的部位及时填充抑制裂纹扩展。
上海交通大学陈畅源：“Ni含量及超声振动对激光熔覆中裂纹的影响”。利用超声辅助激光熔覆技术成形了Ni25以及Ni60样件，表面裂纹密度明显变小，微观组织中的枝晶被打碎，晶粒得到了细化，成分分布更加均匀。但成形过程中温度梯度及热应力依然很大，表面仍存在宏观裂纹。
沈阳航空航天大学卞宏友：“感应预热对激光沉积修复TA15钛合金显微组织和残余应力的影响”。在基体底部施加感应加热进行激光沉积实验，发现随温度的升高残余应力明显减小，组织分布也更加均匀。但在基板底部进行加热效率较低，热损失较大，无法实现对局部特定区域进行加热。
专利CN201910067776.8报道了一种电磁感应加热辅助激光增材制造钛基复合材料的装置及方法，利用扫描路径上一前一后两个电磁感应线圈对成形件进行预热缓冷，实时加热且具有较小的热影响区，但随扫描路径的变化需要不断改变电感线圈的方向，需要额外的转向装置，结构复杂；此外，单一施加电感加热不能对熔池产生冲击搅拌效果。
发明内容：
为减少金属增材制造过程中产生的气孔裂纹缺陷，本发明提出了一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法。该方法可以随激光头的移动精确对熔池前后的局部目标区域实施感应加热，有效避免激光头与设备干涉，且加热过程不受样件形状与尺寸限制；电感的施加对成形件产生了预热缓冷效果，降低了成形过程中的温度梯度，减小了热应力；本发明将电感加热的温度场以及超声振动的波动场进行耦合，在感应加热减缓金属液凝固速率的同时施加超声对熔池进行冲击搅拌作用。该耦合能量场相比于单一施加超声场可以有效延长超声对金属液的作用时间；相比于单一施加电感温度场可以对熔池产生冲击搅拌作用。电感及超声的耦合辅助能更大程度地减少组织内部气孔，更大程度抑制裂纹源产生从而减少微观和宏观裂纹，增强零件的使用性能，满足其实际使用需求。
为了达到以上效果，本发明所采用的技术方案如下：
一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的装置，包括超声平台1、基板2、感应线圈3、激光头4、线圈架5、红外测温仪6、电磁感应主机7、超声波发生器8、激光测振仪9。
所述超声平台1固定于机床工作台上，成形所用基板2平稳安装在超声平台1上，且安装面接触良好。所述激光头4位于基板上方合适位置，使激光聚焦于基板2顶面，激光测振仪9与基板2连接。所述感应线圈3位于基板2上方2～4mm处，感应线圈3通过安装于机床悬臂的线圈架5保持与激光头4同心，并可通过线圈架5的伸缩来调整感应线圈3距激光头4的距离。所述电磁感应主机7通过系于线圈架5的线缆与感应线圈3连接。感应线圈3随激光头4移动对以激光焦点为中心的5～20cm2的圆形区域进行实时加热，该区域覆盖熔池以及熔池周围环形区域，该方案能够充分对激光扫描方向上的熔池前后区域进行预热缓冷。所述超声波发生器8产生的超声通过基板2及已成形样件向上传导到熔池，对熔池内的金属液及固液界面处开始凝固的枝晶进行搅拌冲击。所述红外测温仪6与水平面夹角为45°～70°，对成形过程中的温度进行实时监测。
所述的感应线圈3为单匝线圈，直径3～5cm，实时加热面积约5～20cm2，输入电流最大为40A。由于激光和电感加热的持续热积累，在成形过程中每成形10层电感输入电流减小1～5A，与此同时，为使电感超声耦合场保持其对熔池区域的作用效果，维持对裂纹气孔的抑制程度，每次电感输入电流减小的同时超声声强增加0.05～0.5W/cm2。
一种基于上述装置实现的电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法，包括以下步骤：
第一步：辅助装置安装及位置调整
去除基板2的氧化层，清洗干净，安装上述超声电感辅助装置；超声平台1固定于机床工作台上，基板2固定在超声平台1上，安装后确保超声平台1上表面与基板2底面接触良好；调整感应线圈3到基板2上方2～4mm位置，调整激光与粉末流焦点重合并聚焦于基板2顶面。
第二步：辅助装置参数设置
打开电磁感应主机7，设置电流频率，与此同时在关闭激光的情况下以程序设置好的扫描速度运行机床，用红外测温仪6实时监测激光头4正下方基板2顶面位置温度，调整电感输入电流，红外测温仪6的示数稳定在目标预热温度时，关闭电磁感应主机7，所述感应加热目标预热温度为600～1000℃；打开超声波发生器8，设定初始超声功率，使用激光测振仪9辅助调整超声频率直到找到基板2的谐振频率，关闭超声装置；
第三步：设置激光器参数进行成形
参数设置好后依次打开保护气、送粉器、超声波发生器8、红外测温仪6、电磁感应主机7以及激光器，按照设定程序逐层进行金属成形。成形过程中随成形高度增加实时调整电感输入电流及超声声强，具体为：成形过程中每成形10层电感输入电流减小1～5A，每次电感输入电流减小的同时超声声强增加0.05～0.5W/cm2；成形结束机床停止后依次关闭送粉器、超声波发生器(8)以及电磁感应主机7；最后关闭高纯氩气以及红外测温仪6。
超声波发生器(8)的初始超声声强Q与初始电感输入电流I之间满足Q＝-0.05I+2.5，其中超声声强单位为W/cm2，电感输入电流单位为A。本发明在成形前预先调整好电磁感应主机7和超声波发生器8的参数，成形时同时打开电磁感应主机7和超声波发生器8。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种感应加热温度场与超声振动波动场相耦合的辅助加工方式。单一应用感应加热进行辅助加工无法对熔池进行冲击搅拌，不能减轻错综复杂的枝晶对金属液的阻碍作用；单一应用超声对熔池进行振动则熔池存在时间过短，凝固过快，超声作用效果不明显；将两个能量场进行耦合，弥补了单一能量场的不足；感应加热的预热缓冷效果起到降低温度梯度、减小热应力、促进金属液流动以及减缓熔池凝固的作用；在感应加热的同时超声充分发挥其冲击搅拌作用，破碎粗大枝晶，均匀金属液中合金成分抑制成分偏析。两能量场耦合作用，从而对裂纹气孔进行抑制，提高金属材料成形件的机械性能。
附图说明：
图1为本发明中电感超声耦合辅助成形示意图；
图中：1超声平台；2基板；3感应线圈；4激光头；5线圈架；6红外测温仪；7电磁感应主机；8超声波发生器；9激光测振仪。
具体实施方式
下面结合以上所述方法给出一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的实例。选用材料为钛合金(TC4)以及镍基高温合金(Inconel718)球形粉末。成形过程具体步骤如下：
第一步：准备工作
将实验用40～90μm粒度的球形TC4和Inconel718金属粉末按照7：3的质量分数混合均匀，放入干燥箱中120℃下烘干4h，将烘干后的粉末倒入送粉器；将实验所用的TC4基板2用砂纸打磨去除氧化层后再依次用丙酮、乙醇及去离子水清洗干净，清洗后吹干；如图所示安装超声电感辅助装置，超声平台1固定于机床工作台，基板2固定在超声平台1上，安装后确保超声平台1上表面与基板2底面接触良好，调整感应线圈3位于基板2上方3mm位置，调整激光与粉末流焦点重合并聚焦于基板2顶面。
第二步：超声电感装置参数调试
打开电磁感应主机7，设置电流频率为100kHz，与此同时在关闭激光的情况下以程序预先确定好的250mm/min扫描速度运行机床，用红外测温仪6实时监测激光头4正下方基板2顶面位置温度，调整电磁感应主机7的输入电流，直到红外测温仪6显示温度稳定在800℃左右时关闭电感装置；打开超声波发生器8，初始声强定为1W/cm2，计算基板2面积，求出超声功率并设置好，使用激光测振仪9辅助调整超声频率直到找到基板2的谐振频率，关闭超声装置；
第三步：设置其他参数进行成形实验
实验中激光功率为360W，扫描速度250mm/min，搭接率35％。参数设置好后依次打开高纯氩气、送粉器、超声波发生器8、电磁感应主机7、红外测温仪6以及激光器，按照设定程序逐层进行钛-镍复合材料成形。成形过程中每成形10层电感输入电流减小2A，每次电感输入电流减小的同时超声声强增加0.05W/cm2；成形结束机床停止后依次关闭送粉器、超声波发生器8以及电磁感应主机7；最后关闭高纯氩气以及红外测温仪6。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法，其特征在于,包括以下步骤：
第一步：安装超声电感辅助装置及位置调整
安装超声电感辅助装置，超声平台(1)固定于机床工作台上，基板(2)固定在超声平台(1)上，安装后确保超声平台(1)上表面与基板(2)底面接触良好，调整感应线圈(3)至基板(2)上方2～4mm处，调整激光焦点与粉末流焦点重合并聚焦于基板(2)顶面；感应线圈(3)通过安装于机床悬臂的线圈架(5)保持与激光头(4)同心，并通过线圈架(5)的伸缩调整感应线圈(3)距激光头(4)的距离；电磁感应主机(7)通过系于线圈架(5)的线缆与感应线圈(3)连接；
第二步：超声电感装置参数调试
打开电磁感应主机(7)，设置电流频率，与此同时在关闭激光的情况下以程序预先确定好的扫描速度运行机床，用红外测温仪(6)实时监测激光头(4)正下方基板(2)顶面位置温度，调整电磁感应主机(7)的输入电流，直到红外测温仪(6)的显示温度稳定在初始加热温度时关闭电感装置；所述初始加热温度为600～1000℃；打开超声波发生器(8)，设定初始超声功率，所施加的超声作用于熔池及固液界面位置处，调整超声频率直到找到基板(2)的谐振频率，关闭超声装置；
第三步：设置其他参数进行成形实验
参数设置好后依次打开高纯氩气、送粉器、超声波发生器(8)、电磁感应主机(7)、红外测温仪(6)以及激光器，按照设定程序逐层进行成形；成形过程中随成形高度增加实时调整电感输入电流及超声声强，成形过程中每成形10层电感输入电流减小1～5A，每次电感输入电流减小的同时超声声强增加0.05～0.5W/cm2；成形结束机床停止后依次关闭送粉器、超声波发生器(8)以及电磁感应主机(7)；最后关闭高纯氩气以及红外测温仪(6)。
2.根据权利要求1所述的一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法，其特征在于，施加电感温度场所用感应线圈(3)为单个单匝线圈，直径3～5cm，实时加热面积为5～20cm2。
3.根据权利要求1所述的一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法，其特征在于，所述超声波发生器(8)的初始超声声强Q与初始电感输入电流I之间满足Q＝-0.05I+2.5，其中超声声强单位为W/cm2，电感输入电流单位为A。
4.根据权利要求1所述的一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法，其特征在于，所述电磁感应主机(7)输入电流调节范围0～40A。
5.根据权利要求1所述的一种电感超声耦合辅助直接激光沉积金属材料的方法，其特征在于，所述红外测温仪(6)与水平面夹角为45°～70°，对成形过程中的温度进行实时监测。
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