[发明专利]改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置与增材制造方法

说明书

本发明提供了一种改善增材制造金属组织与性能的超声微锻造复合装置与增材制造方法。包括换能器、气动滑台、气动滑台连接架、变幅杆、工具头和滚柱，换能器置于换能器外壳内，换能器外壳上设置接插件和管路接头，变幅杆连接于换能器下，工具头连接于换能器下，滚柱位于工具头与工件之间，气动滑台通过气动滑台连接架与换能器外壳和变幅杆连接。该装置综合了超声冲击频率高和机械滚压产生变形大的优点，可实现超声冲击和连续滚压微锻造复合作用，实现改善增材制造金属微观组织和提高零部件力学性能的目的。通过本发明和现有增材制造技术的有机结合，解决现有金属增材制造中控形易、控性难的技术瓶颈，引发金属快速成形与制造技术的创新和发展。

技术领域

本发明涉及的是一种金属增材制造装置，本发明也涉及一种金属增材制造方法。具体地说是一种改善增材制造金属微观组织和力学性能的超声微锻造复合装置及方法。

背景技术

目前，增材制造技术已经在铸造砂型、生物医疗器械、高分子材料等领域获得了广泛应用，但是由于该技术本身的特点限制了其在金属零部件快速成形制造领域的应用，尤其在利用现有的高能束(激光、电子束和等离子)增材制造技术制造大型复杂金属结构件时遇到了瓶颈。因为金属的增材制造过程经历了复杂物理冶金过程，零件成形时经历的材料熔化、凝固和冷却都是在极快的条件下进行的，不可避免的导致熔池与基体间处在很大的温度梯度，这样会产生热应力和残余应力，易产生微裂纹降低材料的韧性。同时，材料内部的金属组织为铸态，呈现出树枝状。另外，由于增材制造过程中多种成形工艺因素的影响，在金属沉积层中易形成裂纹、气孔、夹杂、层间结合不良、球化效应等缺陷。材料内部微观组织缺陷导致增材制造金属零部件的力学性能(如韧性、强度和疲劳性能等)劣化，这是影响增材制造技术在金属零部件、特别是大型复杂金属构件制造应用推广的最主要技术瓶颈。因此，如何改善材料内部微观组织、减少材料内部缺陷、提高金属零部件的力学性能，降低和消除增材制造金属零部件内部残余应力防止变形和开裂、实现大型金属构件控形控性增材制造是目前金属增材制造领域一个重要的研究方向。

目前，解决增材制造微观组织和力学性能主要方法和技术有后处理技术、超声干扰、超声冲击和滚压轧制技术。

后处理技术：包括热等静压和热处理技术等，都需要昂贵的大型设备，难以处理大型金属制件，效率太低、成本较高；

超声干扰技术：是在金属沉积层凝固以前，将超声能场从工件的底部作用于上端的高温液态熔池，破碎熔池中籽晶，增加金属组织形核率，从而达到细化晶粒的目的。但是由于超声能场作用深度的限制，随着金属沉积高度的增加，对零部件上端沉积层微观组织的细化作用越来越小。所以，这种方法难以应用于大尺寸复杂金属零部件制造。另外也会大幅影响沉积效率，使增材制造的成形制造效率降低；

超声冲击技术：原理是将超声冲击作用于固态沉积层，使其发生塑性变形和回复再结晶，从而达到细化晶粒的效果。但是传统的超声冲击装置其变幅杆与换能器输出端固定在一起，频率和换能器相同，达到了超声频率。但是和工件直接接触的冲击针并没有和变幅杆端部直接相连，是分体的。冲击针作用后二者分离，所以实际上目前所谓的超声冲击技术频率远远没有达到超声波高频范围。研究表明工程上目前使用的超声冲击装置冲击针实际的冲击频率只有几百赫兹左右，根本没有达到超声波冲击频率的20KHz范围。因此，超声能场在改善金属微观组织和提高力学性能的作用效果也还远远没有发挥出来；