CN115213544B - 多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统和方法，将不同种类的金属丝材通过导丝机构同步送入搅拌头，再通过挤压收缩，形成实心焊丝后继续向下运输至待增材表面，以保证送丝的同时对合金进行搅拌增材制造，得到组织细化的高熵合金；再进行固溶热处理，从而得到组织均匀化的高熵合金，其比强度、抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性等都比传统合金优异。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属材料加工技术领域，具体而言涉及一种多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统及方法。
背景技术
高熵合金是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金，由于具备非常高的混合熵，使抑制了金属间化合物的形成，在耐磨性、强度、热稳定性、抗疲劳和断裂性、磁性等方面都表现出色。
传统制备高熵合金的方法主要是真空电弧熔炼法、机械合金化法、磁控溅射法等，存在尺寸形状受限，成分偏析严重等问题，容易产生冷裂、缩孔等缺陷，对制备的高熵合金的性能造成严重的不良影响。
增材制造技术与传统的减材加工思路相反，是利用高能能量源将材料逐点熔化，逐层堆积，直接成形。增材制造技术自出现以来，凭借加工周期短、生产效率高、可实现高柔性生产等优势得到了广泛关注，主要制备方法包括3D打印、磁控溅射和定向凝固等。常用的金属增材制造方法包括电弧、电子束和激光增材制造，三种技术具有各自的优势和使用范围，均能较好的实现材料的增材制造。
公开号为CN112894075A的中国专利公开了一种多丝等离子弧增材制造高熵合金的方法，采用等离子弧为热源，熔化多丝焊丝，多丝焊丝通过绞合的组件进行配方绞合，突破了通过熔化金属粉末来进行高熵合金的增材制造，使用各种常见的合金丝材作为原料进行绞合均匀高熵合金的增材制造，使高熵合金的增材制造的成本大大降低，增材的效率大幅度提升。但由于合金组成的复杂性以及各元素熔点的巨大差异，在熔融固化和冷却过程中会发生明显的元素偏析，与传统合金相比，铸态样品会有明显的铸造缺陷，需要进行后续处理。
公开号为CN109317671A的中国专利公开了一种激光增材制备高熵合金的方法，通过逐层改变每个沉积层的工艺参数，使所制备的合金心部和外部拥有不同力学性能，可以获得高性能、无缺陷的功能梯度块状高熵合金，解决沉积层间结合强度低、界面缺陷等问题；沉积结束后再进行热等静压处理，消除激光增材制造的样品内部的孔隙、微裂纹和残余热应力等，提高其机械性能。但是激光增材制造的过程中，仍然存再因熔融固化和冷却过程发生明显的元素偏析问题，同时存在原料价格贵，合金粉末利用率低，增材效率低等缺点，限制了高熵合金在工业中的应用。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统及方法，通过将所需金属丝材送进搅拌头，同步进行搅拌摩擦予以增材，改善了所得的高熵合金中的成分偏析问题，并获得细化的组织结构，并通过固溶热处理得到均匀化组织，提高力学性能，实现材料增强增韧的效果。
根据本发明目的的第一方面，提供一种多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统，包括：
送丝系统，用于向基板上的待增材区表面输送多种材质的金属丝材；
搅拌摩擦增材制造系统，包括搅拌头，搅拌头包括依次连接的连接部、轴肩部和搅拌针；
连接部内设有导丝机构，导丝机构嵌合在连接部的内部，且导丝机构与连接部之间设有轴承，通过轴承使导丝机构保持静止状态；
导丝机构的第一端面上设有多个导丝孔，每一种金属丝材从对应的一个导丝孔进入导丝机构，并沿着导丝机构内部的倒锥形的空腔向下输送并聚拢，聚拢的金属丝材进入空腔尖端处设置的收聚机构，通过收聚机构将聚拢的金属丝材收缩聚合，并继续输送至导丝机构第二端面的第一孔位内；
轴肩部内设有贯穿的第二孔位，第二孔位与第一孔位形成连通，收缩聚合的金属丝材从第一孔位进入轴肩部内，并沿着第二孔位输送至待增材区的表面；
搅拌针设于轴肩部远离连接部的端面上，且设于第二孔位的两侧，用于促进周围材料的流动；
搅拌摩擦增材制造系统与控制驱动系统连接，控制驱动系统被设置成对从轴肩部内输出的丝材进行搅拌摩擦增材制造高熵合金，从而改善高熵合金在制备过程中发生的元素偏析问题，并细化高熵合金的组织。
可选的，收聚机构包括至少一组夹紧装置，夹紧装置包括内圈、外圈和多个预紧力机构，例如弹簧，弹簧设于内圈和外圈之间，聚拢的金属丝材进入内圈，通过弹簧的反作用力使聚拢的金属丝材收缩聚合。
可选的，内圈的直径小于聚拢的金属丝材直径。
可选的，送丝系统包括多个独立的送丝装置，多个送丝装置被设置成按照相同的线速度送丝至导丝机构。
根据本发明目的的第二方面，提供一种采用前述多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统的增材制造高熵合金的方法，包括以下步骤：
S1、按照目标高熵合金选取对应种类的金属丝材，并对金属丝材表面进行预处理，去除表面氧化层，并将处理后的金属丝材装入送丝系统；
S2、按照预设的程序以相同的线速度送丝至导丝机构，丝材经过导丝机构导向进入到收聚机构，由收聚机构的夹紧装置使聚拢的金属丝材收缩聚合成一束之后，经由搅拌头的轴肩部到达待增材区的表面，通过搅拌针的搅拌摩擦以及轴肩部的搅拌与下压进行搅拌摩擦增材制造，其中搅拌头被设置成按照预设程序在基板上进行搅拌摩擦增材制造，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N层，得到第一构件；
其中，在第一层至第N层沉积的过程中，对每一层均通过搅拌摩擦使丝材经过高温强塑性变形、组织破碎、细化，从而实现组织有序流动沉积，获得沉积层，其中，通过搅拌摩擦增材可实现组织有序流动沉积，改善了当前沉积层组织中出现元素偏析，所获得的第一构件组织的晶粒细化至第一晶粒尺寸区间；
S3、对第一构件进行固溶处理，得到所需高熵合金构件。
可选的，第一晶粒尺寸区间为500nm-10μm。
可选的，高熵合金的原料为Al、Ti、Co、Cr、Ni、Fe、Cu、Zr、Nb、V、W和Mn中的至少5种金属丝材。
可选的，搅拌摩擦增材制造中，被设置成根据合金构件参数确定送丝速度和搅拌摩擦增材制造的工艺参数，并根据此设定打印程序以进行构件的打印成型。
可选的，搅拌摩擦增材制造的工艺条件如下：
搅拌头进给量为50-500mm/min，搅拌头转速为1000-4000r/min，搅拌头下压量为0.1-0.5mm，搅拌头下压力为30000-50000N，送丝速度为300-500mm/min。
可选的，对第一构件进行固溶处理的条件如下：
在第一构件的β相变点以下50-100℃进行退火处理，保温0.5-3h，然后炉冷，得到所需高熵合金构件。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统，可直接在增材制作时进行合金的成分配比设计，现场进行参数设定并进行搅拌增材，有效改进了工艺制作流程，避免金属材料的浪费，降低了成本且使其增材效率更高；
2、本发明的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的方法，可实现在搅拌摩擦增材制造的过程中，将不同种类的金属丝材的同步送入搅拌头内，通过重复地进行搅拌摩擦沉积予以增材，因搅拌摩擦增材制造过程中不存在熔化-凝固过程，避免了熔化-凝固过程中产生的冶金缺陷的特点，明显改善高熵合金的增材制备过程中会发生的元素偏析，得到的高熵合金内部缺陷小、应力小，组织均匀，具有良好的性能。
附图说明
图1是本发明的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统的结构示意图。
图2是本发明的搅拌头的剖面结构示意图。
图3是本发明的收聚机构的结构示意图。
图4是本发明的夹紧装置的结构示意图。
图5是本发明的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的方法的工艺流程图。
图6是现有技术制备的高熵合金的元素偏析情况示意图。
图7是本发明的方法制备的高熵合金的元素偏析情况示意图。
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。
结合图1，本发明提供一种多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统和方法，将不同种类的金属丝材通过导丝机构同步送入搅拌头，再通过挤压收缩，形成实心焊丝后继续向下运输至待增材表面，以保证送丝的同时对合金进行搅拌增材制造，得到组织细化的高熵合金；再进行固溶热处理，从而得到组织均匀化的高熵合金，其比强度、抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性等都比传统合金优异。
如图1所示，在本发明的一个示例性实施例中，提供一种多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统，包括：
送丝系统10可采用市售的送丝装置11，可根据所需金属种类设置对应数量的送丝装置，分别输送至搅拌头内，并向基板上的待增材区表面输送金属丝材。
搅拌摩擦增材制造系统20，包括搅拌头，搅拌头包括依次连接的连接部21、轴肩部22和搅拌针23。
结合图1-4，连接部21内设有导丝机构211，导丝机构211嵌合在连接部的内部，且导丝机构211与连接部21之间设有轴承212，当搅拌头高速旋转的时候，导丝机构211通过轴承保持静止状态，从而保证送丝系统10的稳定性。
导丝机构的第一端面上设有多个导丝孔211A，导丝孔211A的数量根据所制备高熵合金所需金属种类确定，至少为5个，为满足不同的使用需求，可设置5个以上的导丝孔。
每一种金属丝材对应一个导丝孔，送丝装置将金属丝材输送至导丝孔211A并进入导丝机构211后，沿着导丝机构211内部的空腔，尤其是优选采用倒锥形的空腔211B，向下输送并聚拢，聚拢的金属丝材进入空腔尖端处设置的收聚机构213，通过收聚机构213将聚拢的金属丝材收缩聚合，性成实心焊丝，并继续输送至导丝机构第二端面的第一孔位211C内。
轴肩22内设有贯穿的第二孔位221，第二孔位221与第一孔位211C形成连通，收缩聚合的金属丝材从第一孔位211C进入轴肩内，收缩聚合的金属丝材随着轴肩部22的高速旋转开始热塑化，并沿着第二孔位221输送至待增材区的表面，图中标号30为基板。
搅拌针23设于轴肩部22远离连接部21的端面上，且设于第二孔位221的两侧，通过搅拌针促进周围的材料流动。
在轴肩内已经热塑化的金属，继续借助轴肩及搅拌针与基材搅拌摩擦产热，促进金属丝材高温强塑性变形，丝材受挤压后破碎、细化，从而实现流动沉积得到沉积态组织。
搅拌摩擦增材制造系统20与控制驱动系统连接，控制驱动系统被设置成对从轴肩部内输出的丝材进行搅拌摩擦增材制造高熵合金，改善高熵合金在制备过程中发生的元素偏析问题，并细化高熵合金的组织。
如图2、图3所示，在可选的实施例中，收聚机构213包括至少一组夹紧装置213A，内圈213A-1、外圈213A-2和多个预紧力机构213A-3，例如弹簧，弹簧设于内圈213A-1和外圈213A-2之间。
图示的示例中，收聚机构213包括多组夹紧装置213A，沿着金属丝材输送方向平行地布置，供金属丝材依次穿过而束紧成一束。
内圈213A-1采用柔性材料，从而具有一定的弹性，可使聚拢的金属丝材更容易进入，例如采用橡胶材质；外圈213A-2采用钢性材料，从而保证夹紧装置的稳定性。
聚拢的金属丝材挤进内圈213A-1后，此时内圈产生一个向外的作用力挤压弹簧，而弹簧通过反作用力使金属丝材达到收缩聚合的状态。
在更为可选的实施例中，内圈213A-1的原始直径小于聚拢的金属丝材直径，且聚拢的金属丝材直径小于内圈213A-1伸长后的最大直径，从而保证通过弹簧通过反作用力使金属丝材达到收缩聚合的状态，其中每根金属丝材的直径不做限定。
应当理解为收聚机构为可拆卸安装，从而可根据实际需要变换内圈的大小，以适应不同的丝材尺寸。
在另一个可选的实施例中，夹紧装置采用自动化收紧系统，通过控制系统控制电动执行器挤压内圈，以达到收紧金属丝材的目的。
高熵合金制备过程中由于合金组成的复杂性以及各元素熔点的巨大差异，在熔融固化和冷却过程中会发生明显的元素偏析(如图6所示)，铸态样品会有明显的铸造缺陷。
本发明的多丝同步搅拌摩擦固相增材制造过程中金属没有发生熔化-凝固行为，避免了金属熔化-凝固带来的元素偏析等一系列缺陷(如图7所示)，因而成型构件能够获得优异的机械性能。
如图5所示，在前述多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统的基础上，本发明示例性的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的方法，包括以下步骤：
S1、按照目标高熵合金选取对应种类的金属丝材，并对金属丝材表面进行预处理，去除表面氧化层，并将处理后的金属丝材装入送丝系统11；
S2、按照预设的程序以相同的线速度送丝至导丝机构211，丝材经过导丝机构导向进入到收聚机构，由收聚机构的夹紧装置213A使聚拢的金属丝材收缩聚合成一束之后，经由搅拌头的轴肩部到达待增材区的表面，通过搅拌针的搅拌摩擦以及轴肩部的搅拌与下压进行搅拌摩擦增材制造，其中搅拌头被设置成按照预设程序在基板上进行搅拌摩擦增材制造，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N层，得到第一构件；
其中，在第一层至第N层沉积的过程中，对每一层均通过搅拌摩擦增材制造，使丝材经过高温强塑性变形、组织破碎、细化，从而实现组织有序流动沉积，获得沉积层，其中，通过搅拌摩擦增材可实现组织有序流动沉积，改善了当前沉积层组织中出现元素偏析，所获得的第一构件组织的晶粒细化至第一晶粒尺寸区间；
S3、对第一构件进行固溶处理，得到所需高熵合金构件。
在可选的实施例中，第一晶粒尺寸区间为500nm-10μm。
在可选的实施例中，高熵合金的原料为Al、Ti、Co、Cr、Ni、Fe、Cu、Zr、Nb、V、W和Mn中的至少5种金属丝材。其中，在一个或者多个实施例中，所采用的不同材质的金属丝材，均按照相同的摩尔比送入搅拌头进行搅拌摩擦增材制造。
应当理解为，高熵合金的原料包括但不限于上述种类，本领域技术人员可根据实际情况进行合金的成分配比设计，并选择对应的金属。
在可选的实施例中，搅拌摩擦增材制造中，被设置成根据合金构件参数确定送丝速度和搅拌摩擦增材制造的工艺参数，并根据此设定打印程序以进行构件的打印成型。
在可选的实施例中，搅拌摩擦增材制造的工艺条件如下：
搅拌头进给量为50-500mm/min，搅拌头转速为1000-4000r/min，搅拌头下压量为0.1-0.5mm，搅拌头下压力为30000-50000N，送丝速度为300-500mm/min。
在可选的实施例中，对第一构件进行固溶处理的条件如下：
在第一构件的β相变点以下50-100℃进行退火处理，保温0.5-3h，然后炉冷，得到所需高熵合金构件。
在本发明实施例的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的方法中，送丝装置11被设置成按照预定的线速度，而且各个材料输送的线速度相同。
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。
【实施例1】
步骤一：按目标复合材料选取组份，原子比为1：1：1：1：1的5种不同种类的金属丝材Al、Co、Cr、Fe、Ni(5根丝材聚合的直径为4mm)，并对金属丝材表面进行预处理，去除表面氧化层。
步骤二：处理完成后将对应的金属丝材装入送丝机构，并设置送丝参数：送丝速度350mm/min，由送丝设备进行同步送丝的操作。
步骤三：选择合适的钢材基板。
步骤四：选择夹紧机构中橡胶内圈的原始直径径大小为3mm，并靠周围的一圈弹簧箍紧丝材；搅拌头采用钨铼合金搅拌头。
步骤五：在控制系统中输入参数对合金进行搅拌增材制造，其中搅拌摩擦处理的参数为：搅拌头进给量300mm/min、转速1500r/min、下压量0.2mm和下压力40000N；进行搅拌增材制造直至构件完全成型。
步骤六：等待打印件冷却后，取下打印件。
步骤七：将获得的打印件进行600℃退火处理，保温2h后炉冷，以消除残余应力，得到组织性能优异的高熵合金构件。
【实施例2】
步骤一：按目标复合材料选取组份，摩尔比为1：1：1：1：1的5种不同种类的金属丝材Al、Co、Cr、Fe、Ni(5根丝材聚合的直径为4mm)，并对金属丝材表面进行预处理，去除表面氧化层。
步骤二：处理完成后将对应的金属丝材装入送丝机构，并设置送丝参数：送丝速度350mm/min，由送丝设备进行同步送丝的操作。
步骤三：选择合适的钢材基板。
步骤四：选择夹紧机构中橡胶内圈的原始直径径大小为3mm，并靠周围的一圈弹簧箍紧丝材；搅拌头采用钨铼合金搅拌头。
步骤五：在控制系统中输入参数对合金进行搅拌增材制造，其中搅拌摩擦处理的参数为：搅拌头进给量400mm/min、转速1500r/min、下压量0.2mm和下压力40000N；进行搅拌增材制造直至构件完全成型。
步骤六：等待打印件冷却后，取下打印件。
步骤七：将获得的打印件进行600℃退火处理，保温2h后炉冷，以消除残余应力，得到组织性能优异的高熵合金构件。
【实施例3】
步骤一：按目标复合材料选取组份，摩尔比为1：1：1：1：1的5种不同种类的金属丝材Al、Co、Cr、Fe、Ni(5根丝材聚合的直径为4mm)，并对金属丝材表面进行预处理，去除表面氧化层。
步骤二：处理完成后将对应的金属丝材装入送丝机构，并设置送丝参数：送丝速度350mm/min，由送丝设备进行同步送丝的操作。
步骤三：选择合适的钢材基板。
步骤四：选择夹紧机构中橡胶内圈的原始直径径大小为3mm，并靠周围的一圈弹簧箍紧丝材；搅拌头采用钨铼合金搅拌头。
步骤五：在控制系统中输入参数对合金进行搅拌增材制造，其中搅拌摩擦处理的参数为：搅拌头进给量300mm/min、转速1800r/min、下压量0.2mm和下压力40000N；进行搅拌增材制造直至构件完全成型。
步骤六：等待打印件冷却后，取下打印件。
步骤七：将获得的打印件进行600℃退火处理，保温2h后炉冷，以消除残余应力，得到组织性能优异的高熵合金构件。
【实施例4】
步骤一：按目标复合材料选取组份，摩尔比为1：1：1：1：1的5种不同种类的金属丝材Ni、Cr、W、Fe、Ti(5根丝材聚合的直径为6mm)，并对金属丝材表面进行预处理，去除表面氧化层。
步骤二：处理完成后将对应的金属丝材装入送丝机构，并设置送丝参数：送丝速度350mm/min，由送丝设备进行同步送丝的操作。
步骤三：选择合适的钢材基板。
步骤四：选择夹紧机构中橡胶内圈的原始直径径大小为5mm，并靠周围的一圈弹簧箍紧丝材；搅拌头采用钨铼合金搅拌头。
步骤五：在控制系统中输入参数对合金进行搅拌增材制造，其中搅拌摩擦处理的参数为：搅拌头进给量300mm/min、转速1500r/min、下压量0.2mm和下压力40000N；进行搅拌增材制造直至构件完全成型。
步骤六：等待打印件冷却后，取下打印件。
步骤七：将获得的打印件进行800℃退火处理，保温3h后炉冷，以消除残余应力，得到组织性能优异的高熵合金构件。
【实施例5】
步骤一：按目标复合材料选取组份，摩尔比为1：1：1：1：1的5种不同种类的金属丝材Ni、Cr、W、Fe、Ti(5根丝材聚合的直径为6mm)，并对金属丝材表面进行预处理，去除表面氧化层。
步骤二：处理完成后将对应的金属丝材装入送丝机构，并设置送丝参数：送丝速度350mm/min，由送丝设备进行同步送丝的操作。
步骤三：选择合适的钢材基板。
步骤四：选择夹紧机构中橡胶内圈的原始直径径大小为5mm，并靠周围的一圈弹簧箍紧丝材；搅拌头采用钨铼合金搅拌头。
步骤五：在控制系统中输入参数对合金进行搅拌增材制造，其中搅拌摩擦处理的参数为：搅拌头进给量400mm/min、转速1500r/min、下压量0.2mm和下压力40000N；进行搅拌增材制造直至构件完全成型。
步骤六：等待打印件冷却后，取下打印件。
步骤七：将获得的打印件进行800℃退火处理，保温3h后炉冷，以消除残余应力，得到组织性能优异的高熵合金构件。
【实施例6】
步骤一：按目标复合材料选取组份，摩尔比为1：1：1：1：1的5种不同种类的金属丝材Ni、Cr、W、Fe、Ti(5根丝材聚合的直径为6mm)，并对金属丝材表面进行预处理，去除表面氧化层。
步骤二：处理完成后将对应的金属丝材装入送丝机构，并设置送丝参数：送丝速度350mm/min，由送丝设备进行同步送丝的操作。
步骤三：选择合适的钢材基板。
步骤四：选择夹紧机构中橡胶内圈的原始直径径大小为5mm，并靠周围的一圈弹簧箍紧丝材；搅拌头采用钨铼合金搅拌。
步骤五：在控制系统中输入参数对合金进行搅拌增材制造，其中搅拌摩擦处理的参数为：搅拌头进给量300mm/min、转速1800r/min、下压量0.2mm和下压力40000N；进行搅拌增材制造直至构件完全成型。
步骤六：等待打印件冷却后，取下打印件。
步骤七：将获得的打印件进行800℃退火处理，保温3h后炉冷，以消除残余应力，得到组织性能优异的高熵合金构件。
【对比例1】
通过激光增材制造中激光选区熔化的方法制备高熵合金：
步骤一：通过雾化技术制备预合金粉末，然后通过机械合金化方式将粉末粒径为30μm的Al、Ti、Co、Cr、Ni各元素单质粉末按照1：1：1：1：1的摩尔比混合，得到目标高熵合金所使用的粉末材料。
步骤二：通过刮刀或铺粉辊将粉末平铺到基板上，高能激光束在每层切片的选定区域进行扫描，设置激光功率1600W、扫描速度10mm/s，将零件切片轮廓内的金属粉末完全熔化。
步骤三：加工完一层后，成型平台下降一层高度，该高度即三维模型每层切片的厚度，然后继续下一层铺粉、激光扫描，最终直接成型零件。
步骤四：打印完成，待打印件冷却取下成型零件。
【对比例2】
通过激光增材制造中激光选区熔化的方法制备高熵合金：
步骤一：通过雾化技术制备预合金粉末，然后通过机械合金化方式将粉末粒径为30μm的Ni、Cr、W、Fe、Ti各元素单质粉末按照1：1：1：1：1的摩尔比混合，得到目标高熵合金所使用的粉末材料。
步骤二：通过刮刀或铺粉辊将粉末平铺到基板上，高能激光束在每层切片的选定区域进行扫描，设置激光功率1600W、扫描速度10mm/s，将零件切片轮廓内的金属粉末完全熔化。
步骤三：加工完一层后，成型平台下降一层高度，该高度即三维模型每层切片的厚度，然后继续下一层铺粉、激光扫描，最终直接成型零件。
步骤四：打印完成，待打印件冷却取下成型零件。
性能测试
测试实施例1-6和对比例1-2得到的高熵合金的抗拉强度、屈服强度、硬度及延伸率，结果如下表所示。
由上述测试结果，结合实施例1-3和4-6的性能测试结果，可以看出，使用相同材料进行搅拌增材制造得到d高熵合金，随着搅拌头进给量和转速的增加，高熵合金构件的拉伸性能(抗拉强度体现)、抗塑性变形能力(屈服强度体现)、硬度、及塑性性能(延伸率体现)均得到了一定程度上的改善。
根据对比例1和实施例1-3、对比例2和实施例4-6相比，相比可知，通过搅拌摩擦增材制造制备的高熵合金材料明显改善了元素成分的偏析问题，而由于成分偏析的减少及强塑性的作用使得材料的拉伸性能、塑性性能、耐磨性能的得到了一定提升，优于激光增材制造制备的高熵合金。另外，搅拌头的搅拌作用有效减少了微观组织结构存在的气孔、裂纹等内部缺陷，有效提高了材料成型后的综合性能。
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 (10)
1.一种多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统，其特征在于，包括：
送丝系统(10)，用于向基板上的待增材区表面输送多种材质的金属丝材；
搅拌摩擦增材制造系统(20)，包括搅拌头，所述搅拌头包括依次连接的连接部(21)、轴肩部(22)和搅拌针(23)；
连接部内设有导丝机构(211)，所述导丝机构(211)嵌合在连接部的内部，且导丝机构(211)与连接部(21)之间设有轴承(212)，通过轴承(212)使导丝机构(211)保持静止状态；
所述导丝机构的第一端面上设有多个导丝孔(211A)，每一种金属丝材从对应的一个导丝孔(211A)进入导丝机构，并沿着导丝机构(211)内设有的倒锥形的空腔(211B)向下输送并聚拢，聚拢的金属丝材进入空腔(211B)尖端处设有的收聚机构(213)；
所述收聚机构(213)包括多组夹紧装置(213A)，所述夹紧装置(213A)包括内圈(213A-1)、外圈(213A-2)和多个设于内圈(213A-1)和外圈(213A-2)之间的预紧力机构(213A-3)，并且所述预紧力机构(213A-3)使得内圈(213A-1)与外圈(213A-2)之间保持相互远离的趋势；
通过收聚机构(213)的夹紧装置(213A)将聚拢的金属丝材收缩聚合，并继续输送至导丝机构第二端面的第一孔位(211C)内；
轴肩部(22)内设有贯穿的第二孔位(221)，第二孔位(221)与第一孔位(211C)形成连通，收缩聚合的金属丝材从第一孔位(211C)进入轴肩部(22)内，并沿着第二孔位(221)输送至待增材区的表面；
搅拌针(23)设于轴肩部(22)远离连接部(21)的端面上，且设于第二孔位(221)的两侧，用于促进周围材料的流动；
所述搅拌摩擦增材制造系统(20)与控制驱动系统连接，控制驱动系统被设置成对从轴肩部内输出的丝材进行搅拌摩擦增材制造高熵合金。
2.根据权利要求1所述的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统，其特征在于，所述聚拢的金属丝材进入内圈(213A-1)，通过弹簧的预紧力并作用于内圈(213A-1)，使聚拢的金属丝材收缩聚合成一束。
3.根据权利要求1所述的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统，其特征在于，所述内圈(213A-1)的直径小于聚拢的金属丝材直径。
4.根据权利要求1所述的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统，其特征在于，所述预紧力机构(213A-3)为具有预紧力的弹簧。
5.根据权利要求1所述的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统，其特征在于，所述送丝系统(10)包括多个独立的送丝装置(11)，多个送丝装置(11)被设置成按照相同的线速度送丝至导丝机构(211)。
6.一种采用权利要求1-5中任意一项所述的多丝同步搅拌增材制造高熵合金的系统的增材制造高熵合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照目标高熵合金选取对应种类的金属丝材，并对金属丝材表面进行预处理，去除表面氧化层，并将处理后的金属丝材装入送丝系统(10)；
S2、按照预设的程序以相同的线速度送丝至导丝机构(211)，丝材经过导丝机构(211)导向进入到所述收聚机构(213)，由所述收聚机构(213)的夹紧装置(213A)使聚拢的金属丝材收缩聚合成一束之后，经由搅拌头的轴肩部(22)到达待增材区的表面，通过搅拌针(23)的搅拌摩擦以及轴肩部(22)的搅拌与下压进行搅拌摩擦增材制造，其中搅拌头被设置成按照预设程序在基板上进行搅拌摩擦增材制造，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N层，得到第一构件；
其中，在第一层至第N层沉积的过程中，对每一层均通过搅拌摩擦使丝材经过高温强塑性变形、组织破碎、细化，从而实现组织有序流动沉积，获得沉积层，其中，通过搅拌摩擦增材获得的第一构件组织的晶粒细化至第一晶粒尺寸区间；
S3、对第一构件进行固溶处理，得到所需高熵合金构件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一晶粒尺寸区间为500nm-10μm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高熵合金的原料为Al、Ti、Co、Cr、Ni、Fe、Cu、Zr、Nb、V、W和Mn中的至少5种金属丝材的组合。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，搅拌摩擦增材制造的工艺条件如下：
搅拌头进给量为50-500mm/min，搅拌头转速为1000-4000r/min，搅拌头下压量为0.1-0.5mm，搅拌头下压力为30000-50000N，送丝速度为300-500mm/min。
10.根据权利要求6-9中任意一项所述的方法，其特征在于，对第一构件进行固溶处理的条件如下：
在第一构件的β相变点以下50-100℃进行退火处理，保温0.5-3h，然后炉冷，得到所需高熵合金构件。
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