[发明专利]一种基于动-静轴肩复合搅拌摩擦的增材制造方法

说明书

本发明提供了一种基于动‑静轴肩复合搅拌摩擦的增材制造方法，涉及增材制造技术领域。本发明利用动轴肩增材时塑性金属流动范围大的特点，实现较大的单道次增材量，同时加大增材道间距，即在提高增材效率的同时降低热输入，再利用静轴肩增材时塑性金属流动范围小、热输入低且均匀的特点，打碎动轴肩搅拌摩擦增材时两道次增材区之间的未结合或弱连接界面缺陷，从而为获得更加致密和均匀、力学性能更好的增材组织提供新方法。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种基于动-静轴肩复合搅拌摩擦的增材制造方法。

背景技术

基于搅拌摩擦发展的固相增材制造技术在轻质合金构件的增材制造中具有独特优势。与金属熔化型增材技术相比，基于搅拌摩擦发展的固相型增材技术在增材过程中不发生金属材料的熔化与凝固，避免了热裂纹和孔隙率较高的问题，以及合金元素烧损问题，增材构件的致密度高、残余应力低，质量更高。而且，基于搅拌摩擦发展的固相增材过程中不需要特殊的真空腔室或保护气体，灵活性更好，可增材构件的尺寸范围更大、增材速度更快、能耗和成本更低。

板材堆积型搅拌摩擦增材技术是基于搅拌摩擦发展的固相增材制造技术的一种，其原理类似传统搅拌摩擦焊搭接，将薄板叠加逐层焊接在一起。如图1所示，板材堆积型搅拌摩擦增材技术分为动轴肩搅拌摩擦增材技术和静轴肩搅拌摩擦增材技术。动轴肩搅拌摩擦增材技术(如图1的左侧)是采用搅拌针和轴肩一体的搅拌头，通过高速旋转进行逐层叠焊。静轴肩搅拌摩擦增材技术(如图1的右侧)采用分离式的轴肩和搅拌针，增材过程中轴肩静止不动，通过搅拌针的高速旋转进行逐层叠焊。

对比动轴肩搅拌摩擦增材与静轴肩搅拌摩擦增材，可以发现：(1)在搅拌针直径相同的情况下，动轴肩搅拌摩擦增材时轴肩的旋转运动促使增材区塑性金属流动范围更大，而静轴肩搅拌摩擦增材时由于轴肩不参与产热，塑性金属流动范围更小，因此动轴肩搅拌摩擦增材比静轴肩搅拌摩擦增材的单道次增材量更多；(2)动轴肩搅拌摩擦增材时由于轴肩参与，搅拌头沿板厚方向的热力耦合作用不均匀，增材区靠近轴肩的区域受到搅拌头热力耦合作用影响更大，增材区远离轴肩的区域受到搅拌头热力耦合作用影响更小，因此动轴肩搅拌摩擦增材的单道次增材区呈V型；(3)静轴肩搅拌摩擦增材时由于轴肩静止，增材区沿板厚方向上受到搅拌头热力耦合作用影响较为均匀，因此静轴肩搅拌摩擦增材的单道次增材区呈U型。

中国专利CN105171229A提供了一种金属材料搅拌摩擦增材制造方法，该方案采用搅拌摩擦逐层搭接的方法，实现金属板材的堆积制造，该方法属于动轴肩搅拌摩擦增材制造。在板材水平方向上进行动轴肩搅拌摩擦增材时，增材间距较大容易导致两道次间存在未结合或弱连接界面缺陷，如图2所示。为消除此类缺陷，需减小水平方向上的增材间距，但又会导致两道次增材区重合面积较大，如图3所示。对热处理型铝合金进行动轴肩搅拌摩擦增材时，两道次增材区重合面积越大，则搅拌头对增材区的热输入量越大，那么增材区软化会更加严重。

由于只有搅拌针的作用，静轴肩搅拌摩擦增材单道次的塑性金属流动范围较小，导致单道次增材量较小，增材效率低。

在动轴肩搅拌摩擦增材中，为提高水平方向上的增材效率而加大增材间距，如何避免两道次增材区之间存在未结合或弱连接界面，同时减小两道次增材区重合面积，即保证一定增材效率的同时减小整个增材区的热输入量，是需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动-静轴肩复合搅拌摩擦的增材制造方法，本发明能够在提高增材效率的同时降低热输入，获得更加致密和均匀、力学性能更好的增材组织。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于动-静轴肩复合搅拌摩擦的增材制造方法，包括以下步骤：

(1)在待增材板材表面叠加第一层金属板材；