CN112342366A - 一种改善增材制造金属构件组织和性能的超声冲击与沉积成形集成装置与技术 - Google Patents

一种改善增材制造金属构件组织和性能的超声冲击与沉积成形集成装置与技术 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改善增材制造金属构件组织和性能的超声冲击与沉积成形集成装置与技术，属于金属材料增材制造领域。本发明是将沉积成形装置与超声冲击工具头同轴装配，冲击路径可随任意加工路径同步变化，在金属沉积过程中环形超声微锻造工具头跟随沉积层进行同步冲击锻造，在沉积层发生塑性变形基础上，该种新型的集成冲击装置可促使再结晶温度以上的高温区域处发生动态再结晶，从而细化晶粒、减小材料缺陷、消除残余应力。与现有的装置相比，本发明的集成装置可大幅增加作用深度及冲击效果，同时可以使复杂工件成形路径规划和超声冲击路径合二为一，大幅简化了复杂金属构件的加工程序，有利于增锻减复合制造高端加工中心的设计和制造。

Description

一种改善增材制造金属构件组织和性能的超声冲击与沉积成 形集成装置与技术
技术领域
本发明属于金属增材制造领域，具体涉及一种新型的改善增材制造金属构件组织和性能的超声冲击与沉积成形（激光熔丝、电弧熔丝、激光熔粉）集成装置与技术，适用于激光同轴熔丝沉积成形、激光同轴送粉沉积成形、电弧熔丝沉积成形、电子束熔丝沉积成形及等离子沉积成形增材制造领域。
背景技术
增材制造，又称“3D 打印技术”是指运用计算机软件建立零件的三维模型，通过特定打印技术以逐层熔凝堆积的方法将离散材料(粉末、液体、丝材等)加工成形的一种低损耗叠层加工技术。
金属及合金材料因其快速成形过程中伴有复杂的非平衡物理冶金过程，增材制造中激光等热源对金属材料的作用时间极短，叠层堆积的材料经历骤冷骤热的交替过程，导致金属在“熔化-凝固-冷却”过程中存在较高的温度梯度，从而使得材料内部会产生较大热应力。由于加工过程熔池的定向移动，熔覆层内的应力状态以拉应力为主，极易引发材料变形或诱发裂纹导致材料力学性能下降甚至失效。同时，由于增材制造特有的叠层成形工艺，金属增材制造很难避免的会产生球化、孔隙、夹杂等缺陷，对金属构件的机械性能产生影响，与传统锻件相比最明显的不足表现在材料塑形韧性较差，疲劳强度较低，该问题严重制约了大型复杂金属零件增材制造技术的工程应用。因此，消除和改善金属及合金材料在增材制造中的热应力，减少裂纹等组织缺陷，提高材料塑韧性及疲劳性能，已经成为增材制造领域中制备大型金属构件制备的核心技术。
目前，用于改善增材制造材料力学性能和显微组织的主要方法有热处理、热等静压、滚压轧制、超声冲击、超声冲击微锻造等。
热处理工艺能够降低构件内的残余应力、微裂纹等缺陷，其常用的手段为去应力退火，尽管热处理退火后材料的塑性比沉积态有显著提高，但对于微观组织的影响不太明显，且热处理易导致沉淀硬化，降低材料的高周疲劳性能，同时，热等静压、热处理受制于设备空间对产品的尺寸限制，生产效率低，设备成本高，尤其对于大型的复杂金属结构件的应力场、温度场的控制十分困难。
滚压轧制技术是利用加载的滚轮对增材制造过程中的沉积层进行轧制锻造，该技术可改善材料内部组织和减少残余应力，使作用区域发生细晶强化，改善构件的力学性能。但是这种技术需要通过滚轮对沉积层施加很高的机械载荷，特别是对高强度材料（如钛合金、钛基复合材料、高强钢等），才能发挥作用。所以，对薄壁件采用这种技术时很容易引起构件的变形和塌陷。
超声振动技术是将超声振动装置安装在基板的下方，在沉积过程中通过利用超声波的空化作用以及产生的高频振动等对上方成形件液态金属熔池的凝固过程进行干扰，从而达到细化晶粒、消除气孔、均匀组织的目的。但该技术不适合应用于大型金属构件，因为超声波在传递过程中会发生反射和衰减，有一定的作用深度，随着沉积层数增加和沉积构件尺寸的增加，其透过已成形的金属构件作用与上方熔池中的效果不断衰减，对于大型金属构件成形中无法采用这一技术。
近年来发展的超声冲击技术（例如，CN104525944A，CN105838863A和CN107470628A）引起了人们的普遍关注，这些超声能场辅助增材制造技术通过逐层对金属沉积层的超声冲击，可以有效地改善金属构件的微观组织、消除微观缺陷、改变应力状态和提高构件力学性能。本发明的作者前期提出的超声冲击微锻造技术（No：CN107470628A）由于采用了特殊的结构设计，使冲击头和变幅杆刚性连接，实现了真正意义上的超声频冲击，提高了超声能场的作用效果和作用深度。使用该装置和技术过程中发现：（1）超声冲击微锻造施加时需要跟随在激光（或电弧）沉积头后边，需要沿沉积头运动方向移动，对于大型复杂异形构件，加工过程需要不断调整冲击头位置，确保在准确的冲击位置实施超声冲击，沉积成形和超声冲击多路加工协同设计和路径规划相对复杂；（2）由于受超声冲击头和激光（或电弧、电子束、等离子）沉积头结构尺寸的限制，二者之间的距离较大，无法同步超声锻造。因其作用距离与熔池距离有一定的距离，超声微锻造作用区域的沉积层温度较低（低于再结晶温度），材料以发生加工硬化现象为主，但难以发生动态再结晶，不能有效地提高材料的塑韧性；（3）超声冲击微锻造装置和沉积头分开设计，占用空间大，影响了超声冲击微锻造系统与减材制造设备及在线监测系统进行集成复合、开发增锻减高端复合制造装备。
发明内容
本发明提出一种新型的改善增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，用于提高金属构件塑性和疲劳寿命，解决金属增材制造领域制件组织以粗大、树枝晶为主、存在显微组织缺陷以及残余应力大工件易变形开裂等问题。
为了实现上述目的，本发明所述的超声冲击微锻造与沉积成形复合技术与装置包括：航空插头、换能器、空气冷却装置、气动滑台连接架、变幅杆、光内送料激光（或电弧、电子束、等离子）同轴熔覆头及连接件、可嵌入式镂空环形冲击工具头；所述航空插头用于连接外部超声波装置，进行信号传输，将超声波装置驱动的电信号输入到换能器端；所述换能器为能量转换装置，用于将电能转换为超声波能场；所述换能器外壳用来保护内部元器件，结构设计与压缩空气接口、排气口等构成空气冷却系统，对换能器进行冷却，以保证换能器长期稳定的运行。
所述空气冷却装置由换能器外壳、压缩空气接口、排气口组成，超声波设备在正常工作时，换能器会产生一定的热量，为了保证换能器长期稳定的工作，需对换能器部件加入冷却装置。冷却方式一般有水冷和空冷两种方式，水冷冷却器需要与换能器紧密接触，结构及回路设计复杂且不便于安装，因此采用空冷装置，并与换能器外壳设计为一体，简化结构的同时提升压缩空气对换能器的冷却效率。其工作原理为：压缩空气通过换能器外壳上方接口进入壳体内，热交换后的气体经外壳下方的缺口流出，压缩空气在流动过程中会带走换能器产生的热量，由于换能器外壳的约束，保证了冷却气体集中在换能器的周围，可以显著提高热传递效率。
所述气动滑台连接架用于固定装置连接外部工作台；所述变幅杆用于将换能器转换的超声能场进一步放大，也称为调幅器，通过放大振幅的方式增强超声波能场；所述光内送料激光（或电弧、电子束、等离子）同轴熔覆头相对于传统光外送料熔覆头具有以下优点：（1）粉末的运动轨迹为直线状与重力、气载压力、惯性力的作用方向一致，发散角小，粉末输送过程中不与光束发生干涉，显著提高材料利用率；（2）光束包裹着金属粉末，减少了合金与空气及其他杂质的接触的几率，可有效防止粉末氧化；（3）粉末在光束作用中可充分吸收能量，提高加热效率；（4）减少液滴、粉末和粉尘等的飞溅，有利于改善增材制造工作舱内的环境，提高非接触光学在线监测系统的测量精度；（5）可以在构件侧向实施沉积成形和超声冲击，提高构件的整体质量和性能；所述可嵌入式镂空环形冲击工具头用于冲压金属沉积层，同时用于传递变幅杆放大后的超声波能场，直接作用于工件表面；所述的激光（或电弧、电子束、等离子）同轴熔覆头内嵌于镂空的冲击工具头中，确保熔池始终处于环形超声冲击头中心部位，集成装置无论向那个方向运动，超声冲击都能对成积层冲击微锻造。
本发明所述的一种新型的改善增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于，把传统的超声冲击装置与沉积头集成为一体化装置，并且为了改善超声冲击工具头工作过程的灵活性，提高空间利用率，加强作用效果，沉积头设计在可嵌入镂空环形冲击工具头中，成形时熔池始终在环型冲击头的中心，而环形超声冲击工具头的边缘任意方向均可以沉积层实施冲击。这种创新设计可以通过改变环形冲击头的直径改变超声冲击工具头对沉积熔覆区的作用距离，满足不同合金的冲击强化，显著提高超声冲击在改善增材制造金属组织和性能的作用效果，并能够实现对沉积层进行再结晶温度以上区域的高温锻造，发生动态再结晶，大幅提高材料塑性。
所述的超声波冲击与沉积成形集成复合技术与装置，其特征在于，该装置所述的可嵌入式镂空环形工具头，可与沉积熔覆头进行同轴装配，达到跟随任意路径行走方向，冲击强化金属沉积层的目的。
所述沉积层熔池始终在环形超声冲击工具头中心位置，超声冲击工具头的环形边缘均可作为冲击点，沉积头任意运动方向上受到超声冲击的作用，复杂零部件的超声冲击和沉积熔覆头可采用同一路径规划路线，极大地简化了程序设计和路径规划。
所述超声冲击工具头为镂空结构，其特征在于：（1）该结构设计有利于气体流通，改善集成装置过程中的整体散热效果；（2）该结构降低了冲击头的质量，有利于超声冲击装置的固有频率、结构匹配设计等；（3）该结构设计极大方便于熔池在线监测系统，在线监测的光束可直接透过工具头的空间间隔对熔池形貌进行实时检测。
所述超声冲击工具头与加工状态的工件接触位置为圆环形设计，加工时直接作用在沉积层表面。
所述超声冲击工具头底部冲击环直径，可根据沉积金属的类型、再结晶温度、冷却速度等差异进行缩放调整，以保证对不同金属材料实现再结晶温度以上的超声冲击。
所述超声冲击工具头除设计为镂空圆形结构以外，可以根据实际加工过程需要设计成椭圆形，方形，长方形，三角形等，用以适配不同场景下的需求；所述超声冲击工具头，可根据熔覆头尺寸进行调整，以便于精准装配。
所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于，所述金属增材制造技术为激光送粉增材制造领域、激光及电弧熔丝沉积增材制造领域、电子束及等离子沉积增材制造领域；所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于，所述金属材料为任何种类的金属材料：钛合金、合金钢、高温合金、不锈钢、有色金属（如，铝合金、铜合金、镁合金等）、金属间化合物（如，钛铝系、镍铝系和铁铝系等）、金属非晶态合金和高熵合金等。
所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于，所述增材制造工艺的材料供给方式可以为同轴送粉、同轴送丝等。
所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于，所述金属材料的形状可以为丝材和粉体，以及用于沉积成形工艺的其他可流动金属形态。
所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于：所述超声冲击和沉积头的复合主要是通过重新设计超声冲击工具头机械结构来实现与沉积设备的集成，为方便安装和维护，连接形式为可拆卸螺纹连接。
所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于：所述拉近超声冲击工具头对沉积位置的作用距离，此效果实现得益于将工具头与熔覆头采用同轴设计，避免了分体式装配时因其他部件干扰导致的两者距离间距大，从而实现近距离同步处理，提高超声冲击作用效果。
主要从以下三个方面进行说明本发明的特点和作用原理。
1. 细化晶粒、减少缺陷、提高塑性：
（1）高频能量的超声冲击作用在沉积层，对近表面晶粒形成高频振动作用，导致其晶格发生畸变、晶界迁移，原始粗晶粒内出现大量的位错,随着冲击时间的增加,位错之间不断发生增殖、滑移，位错线大量交缠形成位错墙分割原来的晶粒，位错堆积在小角度晶界,同时伴随着相邻细晶间发生晶粒转动或晶界滑动现象, 小角度晶界转变为大角度的晶界,原来的晶粒就会被分割为多个细小的亚晶粒，随应变量增加晶粒被不断细化，此过程还会导致材料发生塑性变形，可有效消除气孔、微裂纹等缺陷；
（2）在超声波能场的作用下，试样近表面晶粒受力屈服并产生局部的塑性变形，因复合装置中环形超声冲击工具头紧随熔覆头运动，可在沉积层冷却至再结晶温度之前对金属沉积层进行作用，使其发生的动态再结晶，此外熔池中液态金属凝固受到超声能场的干扰效果，增加了形核率，从而使晶粒发生细化，提高塑性。
2. 消除残余应力：由于增材制造特殊的成形方式，导致成性材料内部存在较大的残余应力，残余应力分布是由于微观结构中不同位错排列造成，位错越密集、位错密度越大则对应的应力分布越集中；沉积层表层组织在超声波高频能量和冲击应力作用下高密度不稳定位错移动、重排，发生塑性变形，高峰值应力区将发生局部屈服从而降低峰值。表层金属发生塑性变形的同时伴随有大量位错滑移和重排，位错区域由高能态高密度向低能态发展，从而使相对应的残余应力重新分布，使沉积层中易导致裂纹的拉应力不断向压应力转换。
3. 提高疲劳性能：超声冲击提高材料疲劳寿命的原因受晶粒尺寸，残余应力分布以及应力集中多种因素影响，超声冲击可细化晶粒，有效消除组织缺陷显著提高组织性能，在超声冲击作用下沉积层之间的过度半径增加，有效降低了应力集中，并引入了有益的残余压应力，防止了早期疲劳裂纹的萌生，从而延长了工件的使用寿命。
需要指出的是，上述作用效果是利用了超声冲击对金属的组织、微观缺陷、应力状态的有效作用机理，通过对金属沉积层逐层作用，实现作用效果的逐层累加、和对大型金属构件组织和性能的整体调控。
附图说明
图1为本发明实例中超声冲击与激光沉积复合装置结构示意图。
图2为本发明实例的工具头细节结构示意图。
图3为本发明实例的工作状态下工具头与熔池位置关系图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种新型的改善增材制造金属组织和性能的超声冲击与激光沉积集成复合技术与装置，包括：航空插头1、压缩空气接口2、换能器外壳3、换能器4、气动滑台5、变幅杆6、气动滑台连接架7、光内送料激光（或电弧、电子束、等离子）同轴熔覆头及连接件8、可嵌入式镂空环形工具头9；其特征在于，航空插头用于连接外部超声波发生装置，进行信号传输；外部冷却气体通过压缩空气接口与换能器外壳连接，实现对换能器进行冷却。换能器、变幅杆、可嵌入式镂空环形工具头均通过螺杆进行刚性连接，以保证了工具头作用在工件表面上的频率真正达到超声频率，安装完成后需检查相关连接处的牢固性，避免工作状态下发生强烈震动造成零部件损伤，减少能量传递过程中的能量损失，同时，方便拆卸组装以及相关零部件更换及维护。
结合图2，工具头9为镂空形式可将光内送料激光（或电弧、电子束、等离子）同轴熔覆头及连接件8嵌套其中，装配位置为同轴设计，沉积装置由气动滑台连接架7连接气动滑台5与外部工作台单独固定，保证工作状态下激光沉积设备的稳定性。工具头端部为圆环状围绕在激光（或电弧、电子束、等离子）同轴熔覆头周围，紧随激光沉积方向直接作用于沉积层，其特征在于，在加工路径复杂工件时，无需单独调节超声冲击工具头的位置，其冲击作用可随激光沉积路径360°实时工作，大幅节省设备空间提高升超效率，同时，保证了超声冲击作用时沉积层状态的一致性，有益于获得整体力学性能稳定，材料组织均匀的工件。
结合图3，本发明的结构设计可保证该装置工作状态下激光沉积层熔池2始终在环形超声冲击工具头3的中心位置，确保超声冲击稳定无死角的作用在熔池区域，大幅简化复杂构件的路径规划程序和软件，提高生产效率。
激光增材制造过程沉积层的冷却速度快，所述超声冲击与激光沉积复合装置中可嵌入式镂空环形工具头9能够显著缩短与熔池的距离，在沉积层冷却至再结晶温度以下的高温状态之前进行作用，确保该区域发生动态再结晶，从而细化晶粒提高塑性韧性，同时能够有效地减少或者消除材料内部的缺陷；在超声冲击作用下，沉积层中引入残余压应力，有效降低裂纹扩展，提高材料疲劳寿命。
因超声波能量在传递过程中会不断减弱，因此作为后处理作用于工件时随着能量损失，作用深度有限其强化效果仅限于表层处无法将超声作用效果深入工件内部，而在金属增材制造过程中，则可以完美避免此问题，增材制造加工过程采用的为逐层堆积的方式，每一沉积层厚度较小，利用该种装置超声冲击可随工件加工路径在每一道沉积层上同步作用，随着“金属沉积—超声冲击—再沉积”过程的进行，直至整个零件打印完成，可显著改善整体材料内部组织，提升整体材料的性能。

Claims (15)

1.一种新型的改善增材制造金属组织和性能的超声冲击与激光沉积集成复合技术与装置，其特征在于：把传统的超声冲击装置与激光沉积头集成为一体化装置，并且为了改善超声冲击工具头工作过程的灵活性，提高空间利用率，加强作用效果，激光沉积头设计在可嵌入镂空环形冲击工具头中，成形时熔池始终在环型冲击头的中心，而环形超声冲击工具头的边缘任意方向均可以沉积层实施冲击。
2.这种创新设计可以使超声冲击工具头对激光沉积熔覆区的作用距离缩短，显著提高超声冲击在改善增材制造金属组织和性能的作用效果，并能够实现对沉积层进行再结晶温度以上区域的高温锻造，发生动态再结晶，大幅提高材料塑性。
3.根据权利要求1所述的超声波冲击与沉积成形集成复合技术与装置，其特征在于，该装置所述的可嵌入式镂空环形工具头，可与沉积熔覆头进行同轴装配，达到跟随任意路径行走方向，冲击强化金属沉积层的目的。
4.所述沉积层熔池始终在环形超声冲击工具头中心位置，超声冲击工具头的环形边缘均可作为冲击点，沉积头任意运动方向上受到超声冲击的作用，复杂零部件的超声冲击和沉积熔覆头可采用同一路径规划路线，极大地简化了程序设计和路径规划。
5.所述超声冲击工具头为镂空结构，其特征在于：（1）该结构设计有利于气体流通，改善集成装置过程中的整体散热效果；（2）该结构降低了冲击头的质量，有利于超声冲击装置的固有频率、结构匹配设计等；（3）该结构设计极大方便于熔池在线监测系统，在线监测的光束可直接透过工具头的空间间隔对熔池形貌进行实时检测。
6.所述超声冲击工具头与加工状态的工件接触位置为圆环形设计，加工时直接作用在沉积层表面。
7.所述超声冲击工具头底部冲击环直径，可根据沉积金属的冷却速度、再结晶温度进行缩放调整，以保证对不同金属材料实现再结晶温度以上的超声冲击。
8.所述超声冲击工具头除设计为圆形结构以外，可以根据实际加工过程需要设计成椭圆形，方形，长方形，三角形等，用以适配不同场景下的需求；
所述超声冲击工具头，可根据熔覆头尺寸进行调整，以便于精准装配。
9.根据权利要求1所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于，所述金属增材制造技术为激光送粉增材制造领域、激光及电弧熔丝沉积增材制造领域、电子束及等离子沉积增材制造领域。
10.根据权利要求1所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于，所述金属材料为任何种类的金属材料：钛合金、合金钢、高温合金、不锈钢、有色金属（如，铝合金、铜合金、镁合金等）、金属间化合物（如，钛铝系、镍铝系和铁铝系等）、金属非晶态合金和高熵合金等。
11.根据权利要求1所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于，所述增材制造工艺的材料供给方式可以为同轴送粉、同轴送丝等。
12.根据权利要求1所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于，所述金属材料的形状可以为丝材和粉体，以及用于沉积成形工艺的其他可流动金属形态。
13.根据权利要求1所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于：所述超声冲击和沉积头的复合主要是通过重新设计超声冲击工具头机械结构来实现与沉积设备的集成，为方便安装和维护，连接形式为可拆卸螺纹连接。
14.根据权利要求1所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于：所述缩小超声冲击工具头对沉积位置的作用距离，此效果实现得益于将工具头与熔覆头采用同轴设计，避免了分体式装配时因部件尺寸限制导致的二者距离增大等问题，从而实现近距离同步处理，提高超声冲击作用效果。
15.根据权利要求1所述的改善金属增材制造金属组织和性能的超声冲击与沉积头集成复合技术与装置，其特征在于：该超声冲击和沉积成形集成装置的结构紧凑、尺寸减小以及路径规划和加工软件的简化，有利于简化和优化增减材复合制造机床设计中的超声冲击微锻造、缺陷在线检测等多路加工系统的设计和集成，研发出新一代增锻减复合制造高端加工中心。
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