增材制造与锻造结合的复合成形系统和方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造与锻造结合的复合成形系统和方法。

背景技术：

增材制造技术是一种快速发展的材料加工新兴技术。目前主流的增材制造通常是通过“熔化-凝固”方式来实现金属材料的冶金结合，其特点是采用激光束、电子束和电弧束等高能量束作为热源，来熔化同步送进的金属材料，如金属粉末、金属丝材等，层层堆积，以堆焊的方式实现零部件的制造，所制得的零部件的内部显微组织为凝固组织。

与传统的锻造组织相比，上述采用“熔化-凝固”方式获得的凝固组织中晶粒十分粗大，且具有明显的方向性，因而从普遍意义来讲，很难达到与锻造材料相当的综合性能。为了提高所获得的零部件的力学性能，减少内部缺陷，后来逐渐发展出了将熔化沉积增材与热机械加工结合的方法，即，通过熔化-凝固实现材料沉积和冶金结合，再增加滚压、冲击等工艺来细化晶粒，提高内部质量。

虽然熔化结合锻造的方法可以一定程度上改善内部质量和提升性能，但在这种复合加工方法中，由于工艺和装备复杂程度较高，且由于凝固和冷却速度快，使得锻造条件，如温度等参数无法得到有效控制，从而影响材料的适用范围和锻造的效果。

因此，需要新的技术，解决至少一个上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种增材制造与锻造结合的复合成形系统和方法。

在一个方面，本发明的实施例涉及一种增材制造系统，其包括材料输送器、能量源和微锻装置。所述材料输送器设置来输送材料。所述能量源设置来使能量束指向所述材料，该能量束将至少部分所述材料熔化以形成固化部分。所述微锻装置可与所述材料输送器一起移动来对所述固化部分进行锻造，其包括第一锻造锤头和第二锻造锤头，所述第一锻造锤头设置来对所述固化部分进行锤击并产生第一形变量，所述第二锻造锤头设置来对所述固化部分进行锤击并产生第二形变量，所述第二形变量大于所述第一形变量。

在另一个方面，本发明的实施例涉及一种增材制造方法。该方法包括：通过材料输送器将材料送到平台；将能量束指向所述材料并将至少部分所述材料熔化，以形成固化部分；及通过以下步骤对所述固化部分进行锻造：与所述材料输送器一起移动包括第一锻造锤头和第二锻造锤头的微锻装置；用所述第一锻造锤头对所述固化部分进行锤击并产生第一形变量；及用所述第二锻造锤头所述预锻后的固化部分进行锤击并产生第二形变量，其中所述第二形变量大于所述第一形变量。

附图说明

参考附图阅读下面的详细描述，可以帮助理解本发明的特征、方面及优点，其中：

图1为本发明一个实施例的复合成形系统的示意图。

图2显示了适用于图1所示复合成形系统的实时微锻装置中的一种锤头装置。

图3显示了适用于图2所示锤头装置的一种简易导轨结构。

图4显示了适用于图2所示锤头装置的一种直线导轨结构。

图5显示了一种可通过单电机来驱动图2所示锤头装置中的两个偏心轮的传动机构。

具体实施方式

本申请中使用的“包括”、“包含”、或“具有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以内。本申请中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于所述具体数量，还包括与所述数量接近的、可接受的、不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。

在说明书和权利要求中，除非清楚地另外指出，所有项目的单复数不加以限制。除非上下文另外清楚地说明，术语“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。

本申请说明书中提及“一些实施例”等等，表示所述与本发明相关的一种特定要素(例如特征、结构和/或特点)被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，可能或不可能出现于其他实施例中。另外，需要理解的是，所述发明要素可以任何适合的方式结合。

本发明实施例涉及一种增材制造系统及方法，该系统包括用来以增材制造技术逐层地形成物体的增材制造装置、以及用来与所述增材制造装置同步地逐层对正在形成的物体在线进行实时微锻的微锻装置。其中，所述增材制造装置可包括：设置用来支撑所述正在形成的物体的平台、设置用来将材料送到所述平台或所述正在形成的物体上的材料输送器、以及设置来提供能量束的能量源，当所述材料被送到时使得所述能量束指向所述材料并将其熔化以形成固化部分。具体地，所述实时微锻装置可与所述材料输送器同步移动，用来跟在所述材料输送器之后对所述固化部分进行锻造。所述实时微锻装置包括第一锻造锤头和第二锻造锤头，所述第一锻造锤头设置来对所述固化部分进行预锻并产生第一形变量，所述第二锻造锤头设置来对所述预锻后的固化部分进行锻造并产生第二形变量，所述第二形变量大于所述第一形变量。

图1显示了根据本发明一个实施例的复合成形系统100的示意图。如图1所示，该复合成形系统100包括增材制造装置110和实时微锻装置140。其中，增材制造装置110用来逐层地形成目标物体，具体可包括平台112、材料输送器114和能量源116。平台112用来支撑正在形成的物体200。材料输送器114用来将材料115送到所述平台112或所述正在形成的物体200上。能量源116用来提供能量束118，当所述材料115被送到平台112或物体200上时，使得该能量束118指向所述材料115并将其熔化，熔化的材料快速凝固形成固化部分，并成为正在形成的物体的一部分。实时微锻装置140可与所述材料输送器114同步移动，用来跟在所述材料输送器114之后实时在线地对所形成的固化部分进行锻造。

所述能量源116可以是任何能够提供适用于增材制造的能量束的装置或设备。能量束的具体实例包括但不限于激光束、电子束和电弧束。所述材料115通常是以粉末或丝材的形式(如金属粉末、金属丝材等)进行输送的。所述材料输送器114可以包括用来输送粉末材料的送粉喷嘴、或者用来输送丝材的送丝装置。在一些实施例中，所述材料输送器114包括与所述能量束同轴的送粉喷嘴或送丝装置。比如，在图1所示的实施例中，材料输送器114所输送的材料为粉末形式，且其包括与能量束118同轴的送粉喷嘴120。具体的，该送粉喷嘴120中设有同轴的送粉通道和能量束通道，且送粉通道中流动的粉末材料所形成的粉末流的中心轴线与能量束的中心轴线大致重合。通过同轴设置，可以提供稳定均匀汇聚性好的粉末流，同时减少加工过程中的机械干涉发生。在其它实施例中，材料输送器114所输送的材料可为丝材形式，且材料输送器114可包括与能量束118同轴的送丝装置。

在一些实施例中，所述实时微锻装置140包括两个或两个以上的锻造锤头，且这锤头可相互独立地控制各自的锻造力和捶打频率等参数。在图1所示的实施例中，所述实时微锻装置140包括第一锻造锤头141和第二锻造锤头142，所述第一锻造锤头141设置来对所述固化部分进行预锻并产生第一形变量，所述第二锻造锤头142设置来对所述预锻后的固化部分进行锻造并产生第二形变量。通过控制所述第一和第二锻造锤头的参数，比如使得第二锻造锤头142的锻造力和捶打频率中的至少一个比第一锻造锤头141的大，可以使得所述第二形变量大于所述第一形变量。在一些实施例中，可使得所述第二锻造锤头142的频率高于第一锻造锤头，比如，可使得所述第一锻造锤头141的预锻频率为2hz到10hz，所述第二锻造锤头142的锻造频率为10hz到50hz。

在一些实施例中，可控制每个锤头锻造所产生的形变量，并控制整个实时微锻装置140所产生的总的形变量，比如，可将总的形变量控制在不大于50％的范围。在一些具体的实施例中，可将所述第一形变量控制在5％至15％的范围，将所述第二形变量控制在15％至35％的范围。

在一些实施例中，所述实时微锻装置140还可进一步包括更多的锻造锤头，比如，可进一步包括第三锻造锤头(未图示)，设置来对所述第二锻造锤头142锻造后的固化部分进行进一步的锻造，并产生大于第二形变量的第三形变量。

在一些实施例中，所述实时微锻装置140可相对于所述增材制造装置110移动，从而调节其与熔池(所述材料被熔化的位置)中心的距离。比如，在一些具体的实施例中，所述实时微锻装置140可相对所述材料输送器114在热锻位置和冷锻位置之间移动，其中，在所述实时微锻装置140位于热锻位置时，第一锻造锤头141在距离熔池2毫米到9毫米的位置处进行预锻，在所述实时微锻装置140位于冷锻位置时，第一锻造锤头141在距离所述熔池大于9毫米的位置处进行预锻。在一些实施例中，当所述实时微锻装置140位于所述冷锻位置时，所述实时锻造(包括第一锻造锤头141所进行的预锻和第二锻造锤头142所进行的锻造)是在所述材料的熔点的30％至50％的温度范围进行的。当所述实时微锻装置140位于所述热锻位置时，所述实时锻造是在所述材料的熔点的60％至80％的温度范围进行的。

所述复合成形系统100可包括控制装置(未图示)来实现对增材制造装置110、实时微锻装置140以及系统中其他装置的控制，包括但不限于：对实时微锻装置140的相对位置的控制，对多个锻造锤头的动作参数的控制。

在一些具体的实施例中，控制装置可根据增材制造装置110所使用的能量束的不同而让所述实时微锻装置140自适应地调节与熔池中心的距离。当所述能量束为电弧束时，所述实时微锻装置140位于所述冷锻位置，所述第一锻造锤头141在距离所述熔池大于9毫米的位置处进行预锻，所述实时锻造(包括第一锻造锤头141所进行的预锻和第二锻造锤头142所进行的锻造)是在所述材料的熔点的30％至50％的温度范围进行的。当所述能量束为激光束或电子束时，所述第一锻造锤头141在距离熔池2毫米到9毫米的位置处进行预锻，所述实时微锻装置140位于所述热锻位置，所述实时锻造是在所述材料的熔点的60％至80％的温度范围进行的。比如，针对熔点约为1600℃镍基合金而言，所述冷锻一般是在480℃至800℃的温度范围进行，所述热锻一般是在960℃至1280℃的温度范围进行。

所述复合成形系统100还可以进一步包括实时磨平装置160，其可跟在所述实时微锻装置140之后与所述实时微锻装置140同步移动，用来对所述实时微锻装置140锻造后的固化部分进行实时磨平，消除由于锻造产生的凹凸不平，从而有利于随后一层的材料堆积和增材制造。所述磨平装置可包括一个微型磨砂轮或微型铣刀来对所述锻造后的部分进行磨平。在一些具体的实施例中，所述增材制造装置110、实时微锻装置140和实时磨平装置160依次排列，并使得熔池处熔化的材料在凝固后被依次排列的多个锤头锻造，再磨平后便可再次重复所述熔化-凝固-多次锻造-磨平的步骤来获得下一层。

在一些实施例中，所述增材制造装置110、实时微锻装置140和实时磨平装置160通过一定的连接机构180实现连接。所述连接机构180的设置可实现所述装置110、140、160之间的相对运动和协同作用。所述连接机构包括但不限于连杆、支架、滑动装置等。

所述复合成形系统100广泛适用于各类增材制造用的材料，尤其适用于650℃以下的使用环境中力学性能基本不退化的高温合金材料，如镍基和钴基合金等。

图2显示了适用于所述复合成形系统100的实时微锻装置中的一种锤头装置244，其包括锻造锤头245及相应的辅助安装和驱动机构。如图2所示，锤头245通过锤座安装于基座247上，基座247与对称设置的一对可滑动支架248、249相连。可滑动支架248、249分别在与其相连的偏心轮(图中不可见，分别位于外盖250、251之下)的驱动下可沿着形成于固定支架252上的导轨(图2中不可见，图3中仅一侧导轨255可见)上下滑动，从而带动锤头245以一定频率和振幅上下振动。其中，所述位于外盖250、251之下的偏心轮分别由作为动力源的电机253、254驱动，所述电机253、254可以是步进电机，也可以是伺服电机。在图2所示的实施例中，所述包括可滑动支架248、外盖250之下的偏心轮、电机253和导轨(图2中不可见，图3中255)的驱动机构和所述包括可滑动支架249、外盖251之下的偏心轮、电机254和导轨(图中不可见)的驱动机构对称地设置在固定支架252的两侧，该对称设置的驱动机构一起作用驱动产生稳定可控的振动。

图3显示的是一种简易导轨结构，导轨(仅一侧导轨255可见)直接与可滑动支架248、249接触配合，构造简单，适用于锤头在较小的频率和振幅下振动的情况。在其它实施例中，也可在导轨上设置滑块等滑动元件，将可滑动支架安装于滑动元件上，并使得滑动元件沿导轨滑动。比如，图4显示了一种直线导轨356，其上设有可沿其滑动的滑块357，滑块357可安装所述可滑动支架248或249，这样的带滑块的直线导轨更加稳定可靠，从而更适用于锤头在较大的频率和振幅下振动的情况。

所述锤头装置244可用作图1所示的复合成形系统100中的任一锻造锤头，包括但不限于第一锤头141和第二锻造锤头142，且所述锤头装置244可通过连杆等结构与系统中的其它装置，如增材制造装置和实时磨平装置相连。

图5显示了一种可通过单电机来驱动图2所示锤头装置244中的两个偏心轮的传动机构400，该传动机构400包括蜗杆401、与该蜗杆401啮合的主涡轮403、与该主涡轮403啮合的从涡轮405和406、与从涡轮405啮合的正转涡轮407、以及与从涡轮406啮合的反转涡轮408。其中，所述主涡轮403包括与蜗杆401啮合的齿轮、以及分别与从涡轮405和406啮合的左旋齿轮和右旋齿轮。所述蜗杆401可与一电机连接并由该电机驱动，所述正转涡轮407和反转涡轮408可分别与图2所示锤头装置244的两个偏心轮连接，因而可以通过所述与蜗杆401连接的单个电机来驱动所述两个偏心轮，这样可以避免在使用两个电机的情况下可能会出现的同步问题。

由于所述实时微锻装置包含两个或以上的锻造锤头，可通过这些锤头对增材制造所形成的每一层进行多次锤击，这在一定程度上可以解决逐层堆积成形过程中可能产生的由于后面一层成形过程的热量输入导致的前面一层的重熔问题。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。