CN115121980A

CN115121980A - 电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法

Info

Publication number: CN115121980A
Application number: CN202210854667.2A
Authority: CN
Inventors: 郭艳华; 马海涛; 贾国荣; 孙中刚; 戴国庆; 罗开玉; 鲁金忠
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-07-17
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2042-07-17
Also published as: CN115121980B

Abstract

本发明提供一种电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，采用曲面基板的设计，适用于曲面薄壁件的成型，而通过在电弧打印的同时，对沉积层进行搅拌摩擦，实现外观组织细化、消除气孔和裂纹等缺陷，获得组织致密且化学成分均匀的组织结构，提高沉积金属的力学性能；在电弧打印复合搅拌摩擦的同时，持续对基板进行水冷，在加快丝材凝固的同时，可以保持组织均匀性、细化程度，保证构件的力学性能。

Description

电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体而言涉及一种电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法。

背景技术

金属丝材的电弧增材制造技术是一种自下而上的制造方式，通过程序控制，利用离散-堆积原理，由金属丝材的融化凝固依据三维模型实现从线到面再到体的层层堆积，达到形成特定形状的目的。传统的电弧增材技术具有以下的缺点：金属晶粒粗细不均匀，组织不够致密，可能存在在裂纹、气孔、残渣等缺陷，成型件的机械性能不高。因此，传统电弧增材制造成型件必须进行特定的后期处理、加工后才能进行投入使用，增加了加工时间，浪费不必要的人力物力。因此，研究者们做了大量研究，希望能够提高电弧增材制造成型件的性能。

公开号为CN109807563A的中国专利公开了一种Al-Cu合金的丝材电弧增材制造方法，在冷却辊压辅助的电弧增材成形Al-Cu合金过程中，每沉积2～4层Al-Cu合金后，对多层沉积金属进行冷却辊压及搅拌摩擦加工改性。该方法能够完全破除Al-Cu合金增材成形过程中的枝晶生长并细化晶粒，有效地修复气孔和裂纹等缺陷，同时在丝材电弧增材制造及其改性过程中，通过施加冷却防止增材体发生过热及因此导致的微观组织粗化，大大提高增材体的力学性能，特别是塑性和疲劳性能。通过冷却辊压装置来虽然在一定程度上消除过热，但是由于只是在每次沉积后进行冷却辊压，其消除效果较低，组织粗化仍然会存在，组织的均匀性有待进一步提高。此外，该方法会导致曲面薄壁件力学性能在一定程度上的降低，并不完全适用于曲面薄壁件。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，将电弧增材、搅拌摩擦加工处理和持续水冷相结合，并通过改变曲面薄壁件成型过程中的堆积方向来制备曲面薄壁件，解决了电弧增材制造技术中产生的裂纹和气孔，同时使得曲面薄壁件的组织均匀性，晶粒细化程度，力学性能得到进一步提高。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，包括以下具体步骤：

S1、对基板通水进行水冷，并在整个打印过程中保证对基板持续水冷；

其中，基板与沉积层的接触面为曲面，曲面的曲度与待制曲面薄壁件所需的曲度相同，通过将基板与沉积层的接触面设置成曲面，以改变曲面薄壁件成型过程中的堆积方向；

S2、采用电弧增材制造工艺，按照预设打印程序在基板上从第一层开始以向上生长的方式逐层沉积，直到沉积最后一层第i层，获得所需曲面薄壁件；

其中，在第一层至第i层沉积的过程中，对基板的持续水冷，保证每一层沉积层得到的沉积态组织的晶粒尺寸在第一晶粒尺寸区间；并对每一层沉积层均进行搅拌摩擦处理，通过搅拌头与沉积层的摩擦搅拌作用，使每一层沉积层组织的晶粒细化，并在基板持续水冷的作用下，得到晶粒尺寸在第二晶粒尺寸区间的组织形态；

在对第二层至第i层搅拌摩擦处理的过程中，搅拌摩擦在使当前层组织晶粒细化，并在基板持续水冷的作用下，使当前层的晶粒尺寸在第二晶粒尺寸区间的同时，还使前一层粗化的晶粒再次细化，并在基板的持续水冷作用下，使前一层组织的晶粒尺寸继续保持在第二晶粒尺寸区间。

优选的，所述第一晶粒尺寸区间为15μm-20μm。

优选的，所述第二晶粒尺寸区间为500nm-2μm。

优选的，搅拌摩擦处理在打印过程中进行，当沉积层达到所需厚度后，此时以焊枪为原点，打印方向为正向，搅拌头位于离焊枪5-15cm的负向处进行搅拌摩擦处理。

优选的，每个沉积层的厚度为搅拌针长度的2/3-3/4。

优选的，搅拌摩擦的具体工艺参数为：搅拌头的轴肩直径为6-45mm，搅拌针长度为2-5mm，搅拌头转速为100-1000r/min，搅拌头行进速度为150-440mm/min，搅拌头倾角为1.5-3°，搅拌头下压力为20000-40000N。

优选的，对基板持续水冷的参数为：冷却水的流量为2000-5000L/h，冷却水的温度为5-25℃。

优选的，所述电弧增材制造工艺，被设置成根据薄壁件参数确定送丝速度和焊接参数，并根据此设定打印程序以进行曲面薄壁件的打印成型。

优选的，电弧增材制造的送丝速度为150-440mm/min，焊接电流为90-280A，焊接电压为19-24V，焊接速度为150-440mm/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，通过将电弧增材制造和搅拌摩擦处理技术结合，合金丝材熔化沉积得到沉积态组织(如图7A)，之后对沉积层部分进行搅拌摩擦处理，在搅拌摩擦的强塑变形下，搅拌头与沉积层摩擦搅拌的机械破碎作用使得外观组织细化、沉积态组织破碎为超细晶粒，同时消除气孔和裂纹等缺陷，获得组织致密且化学成分均匀的组织结构，提高沉积金属的力学性能(如图7B)。

之后在处理后的沉积层表面继续沉积新沉积层(如图7C)，沉积结束后对新沉积层再次进行搅拌摩擦，新沉积层也由沉积态组织破碎为超细晶组织(如图的7C-1)，而此时搅拌针的长度比打印层的厚度更长，使得搅拌摩擦可以穿过新沉积层伸入至上一层的沉积层内，重复的搅拌摩擦使得上一层受热长大的组织(如图7C-2)也再次的破碎细化(如图的7C-1)，进一步提高组织均匀性和力学性能。

而基板上持续的水冷过程，可有效的降低热效应，使再次沉积时的热效应带来的组织粗化问题保证在合适的范围，有利于再次搅拌摩擦得到超细晶，同时避免了搅拌摩擦加工的热效应造成组织粗化情况，从而保持获得的超细晶粒的晶粒尺寸不粗化，保证了工件的力学性能。

2、本发明的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，适用于曲面薄壁件的制造，采用与曲面薄壁件所需曲面相吻合的曲面基板，从而改变曲面薄壁件成型过程中的堆积方向，提高曲面薄壁件的性能，且工艺简单，易操作，降低制造成本。

附图说明

图1是本发明的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法的工艺流程示意图。

图2是本发明的用于电弧增材制造曲面薄壁件的装备示意图。

图3是本发明的基板和基座的装配剖面图。

图4是本发明的基板的结构示意图。

图5是本发明的基板的剖面图。

图6a是本发明的曲面薄壁件的电弧增材制造的加工示意图。

图6b是本发明的沉积层在搅拌摩擦处理时的组织变化示意图。

图7是本发明的曲面薄壁件在加工过程中的组织变化示意图。

图8是没有采用水冷时，曲面薄壁件在加工过程中的组织变化示意图。

附图标记说明：1、基座；2、送丝系统；3、电弧增材系统；31、焊枪；32、气体保护装置；33、夹具；34、第二控制平台；4、搅拌摩擦系统；41、搅拌头；411、轴肩；412、搅拌针；42、旋转机构；43、第一控制平台；5、基板；51、通孔；6、冷却水管；61、直管段；62、弯管段；7、冷却系统。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。

激光金属增材制造通过金属材料快速熔化、凝固并逐层堆积的方式实现金属零件的近净成形。成形过程中温度梯度大，在零件内会产生热应力和热变形，导致冶金缺陷以及显微组织性能退化，因此，现有技术中会在铺设粉末前对基板进行预热或者对铺设的每一层粉末进行预热，以减小温度梯度，从而减小零件内产生热应力和热变形，导致的冶金缺陷以及显微组织性能退化。

本发明采用在整个打印过程中持续对基板进行水冷，并结合电弧打印和搅拌摩擦处理，获得具有超细晶、组织均匀的曲面薄壁件，提高曲面薄壁件的力学性能。

结合图1，本发明提供一种电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，采用曲面基板的设计，适用于曲面薄壁件的成型，而通过在电弧打印的同时，对沉积层进行搅拌摩擦，实现外观组织细化、消除气孔和裂纹等缺陷，获得组织致密且化学成分均匀的组织结构，提高沉积金属的力学性能；在电弧打印复合搅拌摩擦的同时，持续对基板进行水冷，在加快丝材凝固的同时，可以保持组织均匀性、细化程度，保证构件的力学性能。

本发明的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法是针对薄壁件，薄壁件的厚度一般小于10mm，因厚度较薄，因此当对基板持续水冷时，可对整个构件起来均匀的冷却效果，有效的降低热效应，减缓再次沉积时的热效应带来的组织粗化，有利于再次搅拌摩擦得到超细晶，同时避免了搅拌摩擦加工时的组织粗化情况，保持获得的超细晶粒的晶粒尺寸不粗化，保证了工件的力学性能。

根据本发明的示例性实施例，提供一种电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，图2-5为用于电弧增材制造曲面薄壁件的装备示意图。

图2-5所示的示例性的用于电弧增材制造曲面薄壁件的装备，包括包括基座1、送丝系统2、电弧增材系统3和搅拌摩擦系统4。

作为熔池安装基础的基座1，水平的安装在地面上，基座1上设有连接部，与基板5第一端面上的连接部相互嵌合，从而使基板5固定在基座1上。

如图4、5所示，基板5的第二端面为基板与沉积层的接触面，被设置成曲面，曲面的曲度与待制备曲面薄壁件的曲度吻合，基板内设有多个用于放置冷却水管的通孔51，冷却水管6在基板内呈蛇形排布，冷却水管6通过管路与冷却系统7连接，在打印过程中，通过冷却系统对冷却水管持续通冷水，从而对基板进行持续水冷，使得每一层沉积层在打印过程中均处于水冷状态。

送丝系统2、电弧增材系统3和搅拌摩擦系统4设在基板5的上方，且电弧增材系统3和搅拌摩擦系统4处于同一水平高度。

送丝系统2用于向基板5上输送金属丝材，可采用市售的自动送丝装置，根据预设程序完成输送金属丝材。

电弧增材系统3包括焊枪31和气体保护装置32，送丝系统2位于焊枪31的下方，并倾斜放置，向基板表面输送丝材，使丝材位于焊枪31的下方1-2cm处。

焊枪31提供热源，气体保护装置32在打印过程中，根据需求持续输送所需保护气体，防止工件氧化，避免工件出现缺陷，焊枪31和气体保护装置32距离送丝装置1-3cm处。

电弧增材系统3用于以设定的打印程度将基板5上的金属丝材熔覆成型，并以逐层打印的方式打印工件，直到整个工件打印完成。

焊枪31、气体保护装置32和送丝系统2均通过夹具33与第二控制平台34连接，第二控制平台被设置成按照预设程序送丝、对金属丝材进行熔覆成型，以及输送保护气。

所述搅拌摩擦系统4，包括搅拌头41，搅拌头41通过旋转机构42与第一控制平台43连接，第一控制平台被设置成在电弧增材系统3完成每一层沉积层的沉积后，驱动搅拌摩擦系统4，以预设的下压力压向下方的沉积层，同时搅拌头41在旋转机构的作用下进行高速旋转，对下方的沉积层进行搅拌摩擦处理。

在优选的实施例中，冷却水管6包括直管段61和弯管段62，通过弯管段62将直管段61连接，使冷却水管6在基板内呈蛇形排布。

如图5所示，在优选的实施例中，搅拌头41包括轴肩411和搅拌针412，搅拌针412的一端设在轴肩411的中心孔内，搅拌针412的另一端伸入沉积层内，并通过第一控制平台对沉积层进行搅拌摩擦处理。

在优选的实施例中，搅拌针412的长度为每个沉积层厚度的1.6-1.8倍，轴肩411的直径为6-45mm。

在可选的实施例中，搅拌头采用钨基复合材料，搅拌头的材料硬度和高温强度大于所用增材制造的材料即可。

在优选的实施例中，连接部为连续的齿状凸起，使基板和基座啮合固定，齿状凸起优选为矩形齿，也可以是其他形状，只要达到啮合固定的目的即可。

结合图6a-6b所示，在图2所示的装备的基础上，在示例性的使用过程中，电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法包括以下具体步骤：

在对第二层至第i层搅拌摩擦处理的过程中，搅拌摩擦在使当前层组织晶粒细化，并在基板持续水冷的作用下，使当前层的晶粒尺寸在第二晶粒尺寸区间的同时，还使前一层粗化的晶粒再次细化，并在基板的持续水冷作用下，使前一层组织的晶粒尺寸继续保持在第二晶粒尺寸区间。(图6b)

在优选的实施例中，所述第一晶粒尺寸区间为15μm-20μm。

在优选的实施例中，所述第二晶粒尺寸区间为500nm-2μm。

在优选的实施例中，搅拌摩擦处理在打印过程中进行，当沉积层达到所需厚度后，此时以焊枪为原点，打印方向为正向，搅拌头位于离焊枪5-15cm的负向处进行搅拌摩擦处理。此时，进行搅拌摩擦的沉积层已凝固，晶体数目稳定，保证后续搅拌摩擦处理后，所得金属微观组织的稳定性，同时也保证了搅拌摩擦处理不干扰新熔池的形成和凝固。

搅拌头与焊枪之间的距离，根据加工金属的性质来调节，当所用增材制造的材料为熔点小于700℃的金属时，例如，铝合金、镁合金、锌合金等，可延长焊枪与搅拌头的距离，距离控制在10-15cm。

当所用增材制造的材料为熔点大于700℃的金属时，例如，钛合金、不锈钢、中低碳钢等，可缩短焊枪与搅拌头的距离，距离控制在5-10cm，从而借助电弧增材的残余热量加快搅拌摩擦加工的速度，使得搅拌摩擦加工更加的容易。

在优选的实施例中，每个沉积层的厚度为搅拌针长度的2/3-3/4，每个沉积层的宽度大于搅拌头的轴肩直径。

沉积层的厚度为搅拌针长度的2/3-3/4，搅拌针可穿过新的沉积层，伸入到上一层沉积层内1/3-1/2厚度处，从而可以使得上一层受热长大的组织再次的破碎细化。

沉积层的宽度大于搅拌头的轴肩直径，可以便于搅拌摩擦加工的效率，但并不限于此。

在优选的实施例中，搅拌摩擦的具体工艺参数为：搅拌头的轴肩直径为6-45mm，搅拌针长度为2-5mm，搅拌头转速为100-1000r/min，搅拌头行进速度为150-440mm/min，搅拌头倾角为1.5-3°，搅拌头下压力为20000-40000N。

在优选的实施例中，对基板持续水冷的参数为：冷却水的流量为2000-5000L/h，冷却水的温度，冷却水的温度为5-25℃。

在优选的实施例中，所述电弧增材制造工艺，被设置成根据薄壁件参数确定送丝速度和焊接参数，并根据此设定打印程序以进行曲面薄壁件的打印成型。

在更为优选的实施例中，送丝速度为150-440mm/min，焊接电流为90-280A，焊接电压为19-24V，焊接速度为150-440mm/min。

为了便于更好的理解，下面结合几个具体实例对本发明进行进一步说明，但加工工艺不限于此，且本发明内容不限于此。

【实施例1】

步骤一：选择合适的水冷低应力基板并安装好，然后安装好直径为2mm的2024铝合金丝材，其合金成分见表1。

表1

Cu	Mn	Mg	Cr	Si	Zn	Al
							3.8-4.9	0.30-1.0	1.2-1.8	0.10	0.50	0.25	余量

对电弧增材以及搅拌摩擦加工进行调平，使电弧增材的焊枪与搅拌摩擦加工的搅拌头平行于水冷低应力基板。

步骤二：设计三维模型(尺寸100mmⅹ100mmⅹ10mm)，平均曲率为0.001的薄壁件，设置打印参数。

电弧打印部分参数设置：焊接电流95A、焊接电压20.4V、焊接速度200mm/min，层厚1.2mm，送丝速度400mm/min。

搅拌摩擦加工部分参数：搅拌针长度1.8mm，搅拌头进给量100mm/min、转速500r/min、下压量0.2mm、下压力40000N。

冷却系统参数：冷却液的力量3500L/h，冷却水的温度15℃。

切片，将模型信息转化为机械语言。

步骤三：开启冷却系统，使水冷低应力板通水进行水冷，加快丝材的凝固。

步骤四：根据切片信息，电弧增材部分进行这一层的增材，首先是自动送丝器进行送丝，焊枪利用电弧使丝材融化，随着机械臂的不断移动，在水冷低应力基板上形成特定的形状，同时，气体保护器提供保护氩气对融化的丝材进行保护。

步骤五：一层电弧增材打印时，搅拌头位于距离焊枪10cm处，对沉积完的部分进行搅拌摩擦加工。

搅拌头以一定的速度旋转进入母材，使母材产生塑性，改变电弧增材后母材的组织性能和力学性能，完成这一层的打印。

步骤六：对于下一层的工件打印重复步骤三到步骤五。

步骤七：待打印完成，完全冷却后，关闭冷却系统，取下打印的曲面薄壁件。

【实施例2】

步骤二：设计三维模型(尺寸100mmⅹ100mmⅹ6mm)，平均曲率为0.001的薄壁件，设置打印参数。

搅拌摩擦加工部分参数：搅拌针长度1.8mm，搅拌头进给量150mm/min、转速500r/min、下压量0.2mm、下压力40000N。

冷却系统参数：冷却液的力量5000L/h，冷却水的温度25℃。

切片，将模型信息转化为机械语言。

步骤三：开启冷却系统，使水冷低应力板通水进行水冷，加快丝材的凝固；

步骤五：一层电弧增材打印时，搅拌头位于距离焊枪15cm处，对沉积完的部分进行搅拌摩擦加工。

步骤六：对于下一层的工件打印重复步骤三到步骤五。

【实施例3】

步骤一：选择合适的水冷低应力基板并安装好，然后安装好直径为2mm的TC4钛合金丝材，其成分见表2。

表2

Al

V

Fe

C

N

H

O

5.5-6.75

3.5-4.5

≤0.03

≤0.08

≤0.05

≤0.015

0.08-0.12

电弧打印部分参数设置：焊接电流160A、焊接电压20.4V、焊接速度200mm/min，层厚1.2mm，送丝速度400mm/min。

搅拌摩擦加工部分参数：搅拌针长度1.6mm，搅拌头进给量100mm/min、转速800r/min、下压量0.2mm、下压力40000N。

冷却系统参数：冷却液的力量2000L/h，冷却水的温度5℃。

切片，将模型信息转化为机械语言。

步骤五：在电弧增材的时候，当已经在水冷低应力基板上凝固一定的丝材时，搅拌摩擦加工部分在保证不会影响电弧增材的情况下，即焊枪距离搅拌头5cm时进行搅拌摩擦加工，利用电弧增材残留的热量，在搅拌头以一定的速度旋转进入母材，使母材产生塑性，改变电弧增材后母材的组织性能和力学性能，完成这一层的打印。

步骤六：对于下一层的工件打印重复步骤三到步骤五。

【实施例4】

搅拌摩擦加工部分参数：搅拌针长度1.6mm，搅拌头进给量150mm/min、转速500r/min、下压量0.2mm、下压力40000N。

冷却系统参数：冷却液的力量3500L/h，冷却水的温度15℃。

切片，将模型信息转化为机械语言。

步骤五：在电弧增材的时候，当已经在水冷低应力基板上凝固一定的丝材时，搅拌摩擦加工部分在保证不会影响电弧增材的情况下，即焊枪距离搅拌头10cm时进行搅拌摩擦加工，利用电弧增材残留的热量，在搅拌头以一定的速度旋转进入母材，使母材产生塑性，改变电弧增材后母材的组织性能和力学性能，完成这一层的打印。

步骤六：对于下一层的工件打印重复步骤三到步骤五。

【对比例1】

冷却系统参数：冷却液的力量3500L/h，冷却水的温度15℃。

切片，将模型信息转化为机械语言；

步骤三：冷却系统保持关闭，不对水冷低应力板通水进行水冷。

步骤六：对于下一层的工件打印重复步骤三到步骤五。

【对比例2】

步骤二：设计三维模型(100mmⅹ100mmⅹ6mm)平均曲率0.001，设置打印参数，电弧打印部分参数设置：焊接电流160A、焊接电压20.4V、焊接速度200mm/min，层厚1.2mm，送丝速度400mm/min。

步骤三：冷却系统开启对水冷低应力板通水进行水冷。

步骤五：对于下一层的工件打印重复步骤三到步骤四。

步骤六：待打印完成，完全冷却后，关闭冷却系统，取下打印的曲面薄壁件。

【对比例3】

步骤二：设计三维模型(100mmⅹ100mmⅹ6mm)平均曲率0.001，设置打印参数，电弧打印部分参数设置：焊接电流95A、焊接电压20.4V、焊接速度200mm/min，层厚1.2mm,送丝速度400mm/min。

步骤三：冷却系统开启对水冷低应力板通水进行水冷。

步骤五：对于下一层的工件打印重复步骤三到步骤五。

对比实施例1-4和对比例1-2成型的构件进行力学性能测试，测试结果如表3所示。

表3

样品性能	抗拉强度MPa	延伸率％	致密度％
				实施例1	248	3.9	98.1
实施例2	251	4.1	98.3
				实施例3	991	10.1	99.1
实施例4	979	9.1	98.4
				对比例1	965	8.2	96.5
对比例2	922	7.6	90.6
				对比例3	214	3.2	91.2

实施例1-2与对比例3相比，实施例3-4与对比例2相比，结果表明，通过搅拌摩擦处理复合电弧增材沉积制备的材料，由于搅拌摩擦处理的存在使得晶粒细化进一步导致材料塑性的提高，材料表现出来的塑性(抗拉强度、延伸率体现)优于普通电弧增材沉积制备材料构件，这也证明了通过搅拌摩擦处理复合电弧增材沉积制备的材料具有细化晶粒。

实施例3-4与对比例1相比，结果表明，在都进行搅拌摩擦处理的前提下，水冷辅助的塑性(抗拉强度、延伸率体现)明显更优。

结合图7，图8所示，这是因为没有水冷辅助时，相比较有水冷辅助得到的组织，首先得到的沉积态组织的晶粒(图8的A部分)就会更粗大(晶粒尺寸约25μm左右)，即便采用搅拌摩擦处理使晶粒得到一定程度的细化，也难以得到超细晶(此时，细化后的晶粒尺寸为3.5μm左右)，且搅拌摩擦过程也具有一定的热效应，导致处理后的组织还会有一定的粗化情况，因此在没有水冷辅助的情况下，搅拌摩擦处理后的组织无法为超细晶(图8的B部分)，之后再次沉积时，也无法保证沉积时的热效应带来的组织粗化在合适的范围(图8C的位置1)，进一步影响了最终组织的晶粒尺寸。

而基板上持续的水冷过程，可有效的降低热效应，首次沉积的沉积态组织的晶粒就更为细小，晶粒尺寸为15μm-20μm(图7的A部分)，持续水冷避免了搅拌摩擦带来的热效应问题，搅拌摩擦处理后更容易得到超细晶组织，晶粒尺寸为500nm-2μm(图7的B部分)，再次沉积时的热效应带来的组织粗化问题也可以比保持在合适的范围(图7的C部分的位置2)，有利于再次搅拌摩擦得到超细晶(图7的C部分的位置1)，从而保持获得的超细晶粒的晶粒尺寸不粗化，保证了工件的力学性能。

实施例1与实施例2相比，可知，对于低熔点的材料而言，调整搅拌头和焊枪之间的距离对塑性影响不大；实施例3与实施例4相比，可知，对于熔点高的的材料，减小搅拌头和焊枪之间的距离可以提高塑性(抗拉强度、延伸率体现)。

实施例1-2与对比例3相比，实施例3-4与对比例1-2相比，本发明的方法得到的电弧增材沉积层中的致密度均较好，说明其存在的气孔、裂纹等缺陷较少，提高了材料成型后的综合性能。这说明，结合搅拌摩擦处理和水冷过程，有利于减少电弧增材沉积层中的的气孔、裂纹等缺陷。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

其中，在第一层至第i层沉积的过程中，对基板的持续水冷，使得每一层沉积层得到的沉积态组织的晶粒尺寸在第一晶粒尺寸区间；并通过对每一层沉积层均进行搅拌摩擦处理，通过搅拌头与沉积层的摩擦搅拌作用，使每一层沉积层组织的晶粒细化，并在基板持续水冷的作用下，得到晶粒尺寸在第二晶粒尺寸区间的组织形态；

2.根据权利要求1所述的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，其特征在于，所述第一晶粒尺寸区间为15μm-20μm。

3.根据权利要求1所述的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，其特征在于，所述第二晶粒尺寸区间为500nm-2μm。

4.根据权利要求1所述的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，其特征在于，搅拌摩擦处理在打印过程中进行，当沉积层达到所需厚度后，此时以焊枪为原点，打印方向为正向，搅拌头位于离焊枪5-15cm的负向处进行搅拌摩擦处理。

5.根据权利要求1所述的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，其特征在于，每个沉积层的厚度为搅拌针长度的2/3-3/4。

6.根据权利要求1所述的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，其特征在于，搅拌摩擦的具体工艺参数为：搅拌头的轴肩直径为6-45mm，搅拌针长度为2-5mm，搅拌头转速为100-1000r/min，搅拌头行进速度为150-440mm/min，搅拌头倾角为1.5-3°，搅拌头下压力为20000-40000N。

7.根据权利要求1所述的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，其特征在于，对基板持续水冷的参数为：冷却水的流量为2000-5000L/h，冷却水的温度为5-25℃。

8.根据权利要求1所述的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，其特征在于，所述电弧增材制造工艺，被设置成根据薄壁件参数确定送丝速度和焊接参数，并根据此设定打印程序以进行曲面薄壁件的打印成型。

9.根据权利要求1所述的电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法，其特征在于，电弧增材制造的送丝速度为150-440mm/min，焊接电流为90-280A，焊接电压为19-24V，焊接速度为150-440mm/min。

10.一种根据权利要求1-9中任意一项所述电弧熔丝搅拌复合薄壁复杂结构低应力增材制造方法所制备的薄壁复杂结构零件。