[发明专利]增材制造中双螺旋搅拌方法及搅拌装置

说明书

本发明公开了一种增材制造中双螺旋搅拌方法，在利用旋进丝材对液相熔池进行搅拌的同时，在增材制造方向的后部利用搅拌针对半固态熔池进行搅拌，搅拌针与熔态面接触处须保持在半固态区域之内。本发明提出将熔化增材制造过程搅拌与半固态搅拌同步复合的增材制造新工艺。其可在成形过程中产生区域性的搅拌作用，进一步降低吉布斯自由能，增加形核率，搅碎常规的单向柱状晶，而且有利于减轻或消除气孔、并使得均匀细化晶粒、将熔化成形的增材制造中产生的枝状晶改变成为类等轴细晶，并实现难成形材料复杂零件的性能稳定制造。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造中双螺旋搅拌方法及搅拌装置。

背景技术

增材制造的设计与制造理念越来越向重量轻、寿命高、成本低的趋势发展。传统的零部件生产制造，主要依赖于传统的铸造、锻造、焊接的方法来完成，这就使得产品出现减重难、周期长、成本高等与设计理念及成本预算相悖的矛盾，因此亟需要开发研究考虑到重量、寿命、成本、周期、材料、工艺等多约束的合金高效的设计与制造方法及其装备制造技术。

目前的等离子弧/电弧熔丝增材制造、电子束熔丝增材制造因生产效率高，而可以实现较大构件的一体化多批次、小批量的高效率制造，但其成形过程中的晶粒粗大、各向异性明显等不足，均是科研院所及其高校研究的重点，基于目前主要采用的方法有：超声搅拌熔池法、磁电协同控制来搅拌熔池、微铸锻晶粒细化法、辊轧晶粒细化法等，虽然以上细化晶粒的方法均取得了一定的效果，但是操控方面及其稳定性方面都存在不足，因此需要开发更有效的方法来细化晶粒。

现有熔化增材制造技术主要依靠热源熔化金属并直接制造，其制件组织一般都为铸态柱状晶或枝晶与等轴晶混合组织，呈现明显的方向性和各向异性。从晶粒度上说，这些问题是缺乏晶粒细化环节，以及移动传热传质条件下无约束自由微铸造熔积成形所固有的热力学、动力学、几何学特点所决定的，仅靠改变材料成分和工艺参数等途径尚难以根本解决。

单道的螺旋搅拌熔池对焊接而言可以形成沿板面方向的流线形织构，虽然可以起到细化晶粒和提高焊缝横向抗力的作用，但是增材方面需要避免各项异性，单螺旋搅拌成形无法完成增材制造的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种增材制造中双螺旋搅拌方法及搅拌装置。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种增材制造中双螺旋搅拌方法，在利用旋进丝材对液相熔池进行搅拌的同时，在增材制造方向的后部利用搅拌针对半固态熔池进行搅拌，搅拌针与熔态面接触处须保持在半固态区域之内。

搅拌针插入半固态熔池的深度为0.5~10mm。

所述的搅拌针的下端穿过半固态熔池深入至上一道融覆重熔道的顶端。

旋进丝材的旋转速度为0.5~3m/min螺旋送入，与成形方向夹角30º~60º，旋进丝材的螺旋角为30º~45º。

所述的搅拌针直径为0.5~8mm，搅拌针与成形方向反向夹角为25º~60º；搅拌速度为2.5~6m/min，搅拌针的螺旋角为45º~60º。

所述的搅拌针搅拌前一道熔覆层的深度为0.5~2mm。

搅拌针的中心轴与半固态熔池交截面的中心与旋进丝材与液相熔池交截面中心之间的距离为L，则液相熔池与半固态熔池界面分界线在L的靠液相熔池方向的1/2-2/3处，所述的L为3~ 20mm。

所述的旋进丝材的旋转方向和搅拌针的旋转方向是相向的以实现双螺旋搅拌。

一种增材制造中双螺旋搅拌装置，包括平动平台，沿成形方向设置在平动平台前部的旋进丝材送料机构，以及设置在平动平台后部的搅拌机构，所述的搅拌机构包括受驱旋转的搅拌针。

所述的搅拌针与搅拌针与成形方向反向夹角为25º~60º。