一种梯度组织可控制备方法及装置

本发明属于增材制造领域，更具体地说，涉及一种梯度组织可控制备方法及装置。

背景技术：

1、电弧增材制造是一种以焊接技术为基础，采用电弧或等离子弧为热源将金属焊丝熔化，按照逐层堆积原理，根据三维数字模型,由线-面-体制造出接近产品形状和尺寸要求的三维金属坯件的先进数字化制造技术,主要形式有熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊等，然而增材由于外延生长，显微组织生长为柱状晶，导致组织不均匀，存在各向异性，残余应力拉应力大，力学性能差等问题。

2、超音频脉冲电流是指周期性变化的电弧压力对熔池的搅拌作用能够破碎枝晶，加深熔池的结晶中心，促进晶粒细化，当脉冲电流达到上万hz以上时，电弧形态和热分布将发生显著变化，在平均电流相同的情况下，超音频脉冲电弧比连续直流电弧的电磁收缩效应增强，熔透性增加，同时，熔池受到超声波振动，可改善冶金过程和增加熔池流动性，超音频脉冲电流与同等功率普通直流相比，电弧压力、所获得的熔深、焊接速度均提高了2～3倍。

3、激光冲击强化是一种新型的表面强化技术，将激光诱导等离子体冲击波作用于材料表面使金属表层产生塑性变形，进而提高金属材料的力学性能。激光冲击强化原理是将一层吸收层(铝箔或者黑胶带)粘贴于待冲击材料表面，其上再覆盖一层约束层(去离子水或者透明玻璃)，高功率密度(gw/cm2)、短脉冲(10～30ns)的激光作用于金属材料表面的吸收层，使其迅速气化电离产生高温高压的等离子体，等离子体受到约束层的作用形成高压冲击波向材料内部传播，当冲击波峰值压力超过材料的hugoniot弹性极限(σhel)时，材料表面产生塑性变形，表层显微组织及残余应力分布随之改变，材料的抗疲劳、耐磨损和抗应力腐蚀等性能因此得到改善。

4、发明专利cn111088470b公开了一种制备高强ti55531钛合金梯度组织的方法，利用脉冲电流产生的电阻热效应对钛合金棒材或板材进行选择性的局部加热处理，最终在室温条件下获得梯度组织结构，但该方法仅是针对钛合金，且对增材钛合金并不适用。发明专利cn102816981b公开了一种表面具有梯度组织结构的锆铌合金的制备方法,将锆铌合金热处理得到网篮状组织然后进行机械冲击变形，冲击能量为50～100j，这种能量过大也不适合在增材构件中使用。

5、因此，目前迫切需要一种在增材制造中既能细化晶粒同时可实现梯度组织可控制备的方法和装置。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种梯度组织可控制备方法及装置，可以获得可控的梯度组织，其具体技术方案如下：

2、本发明提供了一种梯度组织可控制备方法，具体包括以下步骤：

3、s1、通过逐层堆叠材料进行逐层增材制造；

4、s2、在逐层增材过程中，对增材构件施加超音频脉冲电流，进行超音频脉冲处理，完成超音频脉冲电弧增材构件的制造；

5、s3、将超音频脉冲电弧增材构件转移进行激光强化过程，对超音频脉冲电弧增材构件表面施加激光冲击强化。

6、针对电弧增材组织柱状晶粗大，存在各向异性、大的残余拉应力等问题，本发明提供了一种梯度组织可控制备方法，该方法可有效改善电弧增材柱状晶粗大问题，通过施加超音频脉冲电流，达到细化晶粒的作用，将粗大柱状晶转变为小的等轴晶，有效改善力学性能，并对增材表层进行激光冲击强化，从而在表层产生梯度组织。

7、进一步地，步骤s2中，脉冲电流形式分为常规脉冲电流、峰值复合超音频脉冲电流、基值复合超音频脉冲电流、全阶段复合超音频脉冲电流多种形式，通过对常规脉冲电流附加峰值复合超音频、基值复合超音频、全阶段复合超音频，实现对脉冲电流的动态调控。

8、进一步地，步骤s2中，超音频脉冲电流的施加适用于不同类型金属，其中，钛合金、高温合金、碳钢适用于在直流和脉冲电流上施加超音频，铝合金、镁合金适用于在变极性方波和低频调质变极性方波上施加超音频。

9、进一步地，步骤s3中，对超音频脉冲电弧增材构件进行激光冲击强化分为两种形式，第一种为增材构件完成搭建后，对其进行整体表面激光冲击强化；第二种为增材3～6层，就进行激光冲击强化，强化完再将构件进行增材制造；如此循环往复，完成最终增材和强化过程。

10、进一步地，在步骤s3的激光强化过程中，通过调控激光能量、冲击次数、光斑直径、光斑搭接率以及激光行进路径，实现对表层梯度组织的可控调节。

11、进一步地，激光能量为1～20j,冲击次数1～100次，光斑直径为1～6mm。

12、进一步地，电弧增材过程和激光冲击强化过程都在室温大气环境下完成。

13、本发明还提供了一种梯度组织可控制备装置，包括电弧增材机构，电弧增材机构又包括工控机、数据采集卡、霍尔传感器、焊接电源、焊枪、基板、送丝机，工控机与数据采集卡连接，数据采集卡通过霍尔传感器一端与焊接电源连接，另一端与焊枪连接，焊接电源与基板连接，形成了闭合回路，送丝机置于焊枪一侧；焊枪置于多自由度行进器上，并在通氩气保护气环境中产生电弧，焊枪上方连接保护气线路、冷却水线路以及焊接电源连接线路；焊枪产生的电弧将焊丝熔化，同时焊枪通过多自由度行进器在基板上方进行多自由度运动，从而进行往复运动，实现逐层增材制造。

14、进一步地，通过调控焊接电源，实现20khz～100khz超音频脉冲电流的转换；脉冲电流由基值电流+峰值电流组成，空载电压为70v，基值电流范围为5～300a,峰值电流范围为5～300a，脉冲频率为20～100khz，占空比为20～80％。

15、进一步地，梯度组织可控制备装置还包括激光冲击强化机构，制造的超音频脉冲电弧增材构件转移至激光冲击强化机构中的激光冲击强化基板上进行强化过程。

16、相较于现有技术，本发明一种梯度组织可控制备方法及装置，具有以下

17、有益效果：

18、1、不需要改变合金成分组成，通过超音频脉冲电流手段既可完成组织转变，超音频电流的施加可以增强电弧力，电弧径向收缩，能量聚集，电弧穿透力增强，熔池温度增加，深宽比增加，减少元素偏析。增强组织分布均匀性，细化晶粒，力学性能得到显著提升。

19、2、对增材组织进行表面激光冲击强化，超音频脉冲电弧增材上表面组织由于热量输入低导致的未能实现晶粒细化问题进行改善，粗大柱状晶向细小等轴晶发生转变，在增材表面进行激光冲击强化，实现表层微尺度塑性变形，增材构建得到强化，力学性能得到提升，疲劳寿命增加，并且增材后表层残余拉应力转变为残余压应力，进一步提升增材构建疲劳寿命。

20、3、由于电弧增材过程和激光冲击强化过程均在室温大气环境下进行，所以超音频电弧增材+激光冲击强化易于实现，可操作性强，设备环境要求不高。

21、4、同时，电弧增材过程和激光冲击强化过程两种工艺过程可穿插完成，即进行3～6层增材工艺就可进行强化过程，两种工艺也可按先后独立完成，即完成增材构建的搭建，再进行冲击强化过程，设备操作灵活性高。

22、5、对增材构件进行表面激光冲击强化，可在表层制备梯度组织，并且对激光能量、冲击次数、光斑直径、光斑搭接率、激光行进路径等工艺参数调节，可实现对表层梯度组织的调控。

23、6、增材过程中施加的不同电流模式可制备出满足不同需求的合金材料。超音频的施加适用于不用类型金属，其中钛合金、高温合金、碳钢适用于在直流和脉冲电流上施加超音频，铝镁合金由于阴极雾化的影响适用于在变极性方波和低频调质变极性方波上施加超音频，从而去除氧化膜，进一步提升增材组织性能。