一种激光熔丝增材制造细化晶粒的方法

1.本发明属于金属激光熔丝增材制造领域，具体为一种激光熔丝增材制造细化晶粒的方法，为双超声同步辅助金属激光熔丝增材制以达到细化晶粒的目的。
技术背景
2.激光增材制造技术拥有着传统加工成形技术无法比拟的优势，逐渐成为零件成形技术中一种重要方法，具有广阔的应用前景。随着不断深入的研究，激光增材制造技术在成形机理、工艺选择、软硬件系统等方面取得了一定的进展。和传统制造技术相比，激光增材制造技术具有独特的优点如生产柔性高、生产周期短等，在众多领域都得到了重点研究和应用，例如航天航空、医疗等领域。传统的铸造技术需要采用相应的设备、熔炼工艺，经过配砂及制模、造芯及造型、浇注、打磨加工、检验等一系列复杂步骤，方可达到预期尺寸形状。相对于传统的铸造工艺增材制造具有明显的优势，具体表现在可减少复杂合金结构件周期和成本双节约。3d打印技术将三维加工转化为一系列的二维层片加工，不仅降低了加工难度，而且不需要专用的工装工具，材料利用率可达90％以上。激光选区熔化制件性能可达到甚至超过锻件性能。但是在增材制造过程中，由于温度梯度很大和极快加热冷却速率，通常会导致打印出的结构件生成粗大的柱状晶。激光作为热源使温度梯度的影响更加突出，使凝固过程更容易产生柱状晶。
3.研究表明，在增材制造过程中零件成形时经历的材料熔化、凝固和冷却都是在极短的时间内进行的，不可避免地导致熔池与基体间存在很大的温度梯度，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，呈现粗大的柱状晶。这些粗大柱状晶的出现，会导致所制备的结构件产生明显的各向异性，导致增材制造钛合金构件的强度、韧性、疲劳性能等大大降低，导致增材制造在实际生产中困难重重。如何改善材料内部微观组织、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是目前金属增材制造领域一个重要的研究方向。
4.为解决金属增材制造过程中生成粗大柱状晶的问题，人们发展了多种方法和技术。如热处理技术，小型结构件采用后处理技术较为方便，能较好地控制温度、时间、压力等来改善材料的组织和性能；但对大型结构件来说，若采用后处理技术就需要较大的热后设备处理或者热等静压设备，然而大型的设备所需要的成本较高，并且对于大型的结构件，热处理过程中温度场、应力场的控制较为困难。因此，需要找到更加简便、高效的方法来改善增材制造大型结构件过程中的组织和性能。也有人通过添加合金元素的方法来提高凝固时的形核率，来获得等轴晶粒，但是引入合金元素会在一定程度上影响材料本身的成分及性能，并且这些合金元素在熔池凝固的过程中可能会发生一定的偏析，在一些对元素含量有要求的领域很难应用。
5.超声处理是通过超声波作用于熔池，在熔池中产生超声空化和声流效应，提高形核率，来细化晶粒。相对于传统的热处本发明不需要高温环境和复杂的工艺路线，并且实现了打印与处理同步进行，节约了时间和成本。与添加合金元素相比，本发明不会改变材料本
来的合金元素，保证了处理后的结构件合金成分与未处理的合金成分一致，进而保证一些对合金元素要求较为严格的环境下正常使用。本发明采用上下同时加施加超声的方法作用于结构件上，相比于单独一个方向加超声的方法具有更明显的细化晶粒效果。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决增材制造过程中晶粒粗大问题而提供一种激光熔丝增材制造件细化晶粒方法。该方法是通过超声装置对激光熔丝增材制的沉积层同步进行超声处理，将高强度超声波引入到沉积过程中。可以降低沉积层的残余拉应力，提高结构件的疲劳性能。另一方面高强度超声波在沉积过程中作用于熔池，产生超声空化作用和声流效应对熔池进行干扰，能够促进凝固过程中的形核，细化晶粒。超声能过够逐层对沉积层细化晶粒，改善增材制造过程中晶粒粗大的问题，有效改善增材制造构件的各向异性问题。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.一种细化激光熔丝增材制造晶粒的方法，该方法通过将双超声装置与激光熔丝增材制造装置进行耦合，在上下方同时将高强度超声能场引入激光熔丝增材制造过程中，直到结构件打印完成，具体步骤如下：
9.s1、将上下两超声装置与激光熔丝增材制造装置耦合到一起，上方的超声装置处于激光熔丝增材制造装置后方，下方超声装置处于基板下方并紧贴基板。
10.s2、根据结构件形状规划合适的打印路径，设置激光熔丝增材制造参数和超声参数。
11.s3根据规划的路径和参数进行打印，在激光熔丝过程中同步施加超声能场对沉积层进行超声处理，直到打印工作结束。
12.本发明还包括这样一些特征：
13.所述上方超声装置与激光熔丝增材制造沉积头的距离为l，与沉积层的夹角为α，与沉积层间的作用力为f。
14.所述s1中的上方超声装置可以为同一系统控制，也可两个系统控制进行同步耦合，下方超声装置与基板刚性连接。
15.所述s2中所说的超声参数包括：超声波频率、超声波功率、超声波振幅以及对沉积层的作用力f；所述激光熔丝增材制造系统参数包括：激光功率、扫描速度、送丝速度、送丝角度、丝直径、光斑直径，气氛保护气体流量；
16.所述激光熔丝增材制造系统激光功率控制范围为2500w-3100w；
17.所述激光熔丝增材制造系统扫描速度控制范围为3mm/s-6mm/s；
18.所述激光熔丝增材制造系统送丝速度控制范围为15mm/s-25mm/s；
19.所述激光熔丝增材制造系统送丝角度为20
°
，丝直径为1.2mm，气体流量为25l/min；
20.所述上方超声系统超声波频率为20khz，超声波振幅为0-22μm；
21.所述下方超声统超声波频率为20khz，超声波功率为0-1000w；
22.所述上方超声装置与激光熔丝增材制造沉积头的距离l可调整范围为10～50mm；
23.所述上方超声装置与沉积层的角度α可调整角度为30
°
～90
°
；
24.所述上方超声装置与沉积层之间的下压力f控制范围为0～2000n。
25.与现有技术相比，本发明的优点与有益效果是：
26.(1)本发明提供的一种细化激光熔丝增材制造晶粒的方法，通过双超声装置对激光熔丝增材制造沉积层上下同步进行超声处理，能够保证对熔池同时有两个超声对其发生作用，保证超声波能够持续稳定高强度的对熔池有干扰效果，细化晶粒。
27.(2)本发明提供的一种细化激光熔丝增材制造晶粒的方法，双超声装置底部超声能够与熔池同步移动保证了超声波传播过程中能量衰减最少，保证不同时间的熔池所接收的超声能量一致能够使结构件的微观组织更加均匀。弥补了上方超声微锻造在刚开始一段沉积距离l上不能对沉积层作用的缺点，使打印过程中整个沉积过程的熔池都得到超声波的干扰作用，使整体的组织更加均匀。
28.(3)本发明提供的一种细化激光熔丝增材晶粒的方法，上方的超声能够在作用熔池的同时对沉积层上方进行微锻造处理，对沉积层进行一定的塑性变形，使沉积层发生动态再结晶细化晶粒，提升激光熔丝增材制造结构件的总体性能。弥补了下方超声波对沉积层没有塑性变形的缺点，从而加强了整个沉积层的动态再结晶率，使整体的晶粒尺寸更加细小均匀。
29.(4)本发明提出的方法中超声装置与激光熔丝装置结构紧凑，双超声装置能够同步协调对沉积层持续稳定进行超声波处理。使整个结构件的微观组织更加均匀，在增减材过程中，使减去的部分占比降低，提高了材料的利用率。
30.(5)本发明提出的方法用于、但不限于激光熔丝沉积增材制造技术，可以应用推广在电弧熔丝、等离子电弧熔丝和电子束熔丝等增材制造工艺。
附图说明
31.图1为激光熔丝增材制造系统装置与超声系统装置分布示意图；其中：1-激光熔丝增材制造系统包括激光系统和送丝机构；2-上方超声装置；3-熔覆层；4-下方超声装置；5-基板；6-熔池；
32.图2为传统激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金组织；
33.图3为经双超声处理后的激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金组织。
34.具体实施方法
35.为了使本发明的技术方案和实施更加清楚，在此以激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金为例作进一步的详细说明。
36.发明的目的是为了解决在增材制造过程中晶粒粗大问题而提供一种细化激光熔丝增材制造晶粒的方法。该方法是通过超声装置对激光熔丝增材制造的沉积层同步进行超声处理，将高强度超声波引入到沉积过程中。可以降低沉积层的残余拉应力，提高结构件的疲劳性能。另一方面超强超声波在沉积过程中作用于熔池，产生超声空化作用和声流效应对熔池进行干扰，能够促进凝固过程中的形核，细化晶粒。超声能过够逐层对沉积层细化晶粒，改善增材制造过程中晶粒粗大的问题，有效改善增材制造构件的各向异性问题。
37.s1、将上下两超声装置与激光熔丝增材制造装置耦合到一起，上方的超声装置处于激光熔丝增材制造装置后方，下方超声装置处于基板下方与基板刚性连接；
38.s2、根据结构件形状规划合适的打印路径，设置激光熔丝增材制造参数和超声参数。
39.s3、根据规划的路径和参数进行打印，在激光熔丝过程中同步施加超声能场对沉积层进行超声处理，直到打印工作结束；
40.所述上方超声装置与激光熔丝增材制造沉积头的距离为l，与沉积层的夹角为α，与沉积层间的作用力为f；
41.所述s1中的上方超声装置可以为同一系统控制，也可两个系统控制进行同步耦合。下方超声装置要与基板刚性连接；
42.所述s2中所说的超声参数包括：超声波频率、超声波功率、超声波振幅以及对沉积层的作用力f；所述激光熔丝增材制造系统参数包括：激光功率、扫描速度、送丝速度、送丝角度、丝直径、光斑直径，气氛保护气体流量；
43.所述上方超声装置与激光熔丝增材制造沉积头的距离l可调整范围为10～50mm；
44.所述上方超声装置与沉积层的角度α可调整角度为30
°
～90
°
；
45.所述上方超声装置与沉积层之间的下压力f控制范围为0～2000n。
46.以激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金为例，在激光熔丝增材制造之前需对基板进行打磨，然后再用酒精沾湿的医用棉花清洗基板，去除基板表面的油污，可以降低其他因素对激光熔丝增材制造成形构件的影响。
47.实验基板为ti-6al-4v合金；ti-6al-4v丝材直径为1.2mm。激光参数：激光功率为3100w，送丝速度为20mm/s，沉积速度为4mm/s，上方超声系统具体参数为超声振幅22μm，超声频率20khz，压力f为400n。超声与激光熔丝增材制造系统之间的间距l为25mm，超声微锻造与沉积层之间的夹角α为30
°
；超声系统具体参数为超声功率1000w，超声频率20khz，超声振幅16μm。
48.原始沉积层和经双超声的处理的激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金的组织见图2和图3。
49.对比图2和图3可以明显的看出，未经超声处理的钛合金在整个结构件截面上看到多为大尺寸且不规则的晶粒，经过超声处理的ti-6al-4v合金的晶粒大小在相同大小的构件截面上明显比未加超声处理的增加很多。在沉积层上方经双超声处理后晶粒明显细化，中下部可以看到晶粒由不规则的晶粒转变为等轴晶并且得到细化。可见，本发明所提出的方法能够有效的细化激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金的晶粒。
50.本发明提供一种激光熔丝增材制造细化晶粒的方法。本发明的创新在于实现了激光熔丝增材制过程中双超声同时在上下同步作用于结构件。上方为超声微锻造装置能够持续对沉积层进行塑性变形与熔池搅拌作用，下方超声能场能够同步作用于熔池底部加强对熔池的搅拌作用，双超声场相互配合对构件进行处理。激光熔丝增材制中的缺陷在于粗大的柱状晶造成打印出的产品呈现出各向异性，这一缺陷阻碍了激光熔丝增材的发展与应用。超声波在打印过程中对熔池起到振动效果，可以有效促进形核数量，并且超声在熔池中传播时产生空化效应，在熔池局部产生能量波动能够碎化枝晶产生更多的晶核，从而达到细化晶粒并且使原本的柱状晶向等轴晶转化，进而改善产品的性能。本发明提出的方法用于激光熔丝增材制造，但不限于激光熔丝增材制造，也可以应用推广其他热源和其他金属材料的增材制造方法中。