一种搅拌摩擦辅助激光增材制造异构金属材料的方法

1.本发明涉及激光增材制造以及搅拌摩擦加工领域，特指一种搅拌摩擦辅助激光增材制造异构金属材料的方法。本发明在激光增材制造过程中引入搅拌摩擦加工处理，实现增材层微观组织细化，消除气孔和裂纹等缺陷，构筑出多样化的异质结构，可以实现金属材料强度和韧性的同步提升。


背景技术：

2.激光逐层增材制造过程中，移动熔池超高温合金熔体在温度梯度和快冷却速极高的条件下快速非平衡凝固，其凝固热力学和动力学过程非常复杂，从而使成形过程中存在明显的组织不均匀和冶金缺陷问题。首先，在微观组织方面，在增材过程中，前一增材层成形完成后，进行后一层增材时，由于较大的熔池局部凝固温度梯度，促进池底晶体的外延生长、抑制熔池表面的异质形核，彻底熔化消除了前一增材层表面等轴晶，从而使相邻增材层界面区域形成连续生长的柱状晶。这些柱状晶不但引起成形件的显微组织和力学性能具有很强的各向异性，而且导致成形件的塑韧性、损伤容限和疲劳性能较低。其次，在冶金缺陷方面，在循环往复的“逐点熔化—逐线搭接—逐层堆积”过程中，微熔池处于亚平衡状态，极易在微熔池内部、道与道之间、层与层之间界面区域产生未熔合、卷入性和析出性气孔、夹杂等冶金缺陷。这些缺陷很难通过优化工艺完全消除，它们会成为疲劳裂纹源区，极大降低成形件的力学性能，使成形件难以在长期服役的承力部件上使用，限制了其应用范围。
3.近年来，在充分挖掘金属材料微观组织设计潜力的基础上，异构设计的理念被提出并广受关注。异构金属材料中包含两种以上性能差异较大的微观结构单元，并且微观结构单元的分布遵循特定的空间结构，诸如，梯度结构、层状结构等。这些力学性能不同的区域在发生塑性变形时，在界面处会产生较大的应变梯度，软-硬单元域之间会产生较大的长程背应力，由于应变梯度效应和背应力硬化使得材料能够兼备高强度和高塑性的能力，从而实现强度与塑性的完美匹配。因此，将异构设计的理念引入增材制造为解决增材构件的强韧性匹配问题提供了一种新思路，同时也是充分发挥增材制造逐层制造和自由设计内涵的重要途径。
4.搅拌摩擦加工技术是从搅拌摩擦焊演变而来的一种工艺加工方法，在1999年由密苏里大学mishra等人提出，成功应用于制备超细晶铝合金。基本原理是通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。搅拌摩擦加工可以消除铸造产品中的缩松、缩孔等缺陷，还可以细化晶粒，进而提高材料性能。特别的是，加工时可以精确控制加工区的长度，也可以根据需要通过合理改变搅拌头的形状控制加工区的深度和宽度，具有较高的灵活性。
5.因此，针对增材构件“内部质量”(显微组织、冶金缺陷等)控制问题，导致增材构件综合性能难以达到锻件水平，无法满足高可靠性和长服役寿命的工程应用需求。如何提高增材构件的综合力学性能，满足实际工程应用需求，一直是国际难题和研究热点。如何有效调控增材层的组织结构，实现强韧性的同步提升，是高性能增材制造面临的关键问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提出一种搅拌摩擦辅助激光增材制造异构金属材料的方法。首先，根据金属材料的功能和性能需求，设计或选用异质结构；接着，获取异质结构的三维数字模型，根据异质结构特征，确定激光增材制造过程中需要搅拌摩擦加工的位置和区域；然后，采用激光增材制造和搅拌摩擦加工的组合工艺，在基板上先增材后局部搅拌摩擦加工，如此往复，完成异质结构的增材制造；最后，用线切割或者机械加工将上述增材制造的异构金属材料从基板上整体取下。本发明在激光增材制造过程中引入搅拌摩擦加工处理，实现增材层微观组织细化，消除气孔和裂纹等缺陷。另外，通过搅拌摩擦辅助激光增材制造方法，构筑出多样化的异质结构，可以实现金属材料强度和韧性的同步提升。
7.其具体步骤如下：
8.(1)根据金属材料的功能和性能需求，设计或选用异质结构。异质结构主要包括梯度结构、层状结构、谐波结构、魔方结构和双联通结构。
9.(2)获取异质结构的三维数字模型，根据异质结构特征，确定激光增材制造过程中需要搅拌摩擦加工的位置和区域，搅拌摩擦加工路径采用单点搅拌、单道搅拌、多道搅拌或交叉搅拌。
10.(3)采用激光增材制造和搅拌摩擦加工的组合工艺，在基板上先增材后局部搅拌摩擦加工，如此往复，完成异质结构的增材制造。其中激光增材制造方法主要包括激光粉末床熔融、激光定向能量沉积和激光-电弧增材制造；搅拌头的轴肩直径为6-45mm，搅拌针长度为2-6mm，搅拌针直径为5-20mm，搅拌头转速为100-1000r/min，搅拌头行进速度为150-440mm/min，搅拌头倾角为1.5-3
°
，搅拌头下压力为20000-40000n；搅拌摩擦加工过程中使用的搅拌头包括轴肩和搅拌针，其中轴肩为圆柱状，搅拌针可根据异质结构特征选用，主要包括圆柱状、偏心圆柱状、三角平面圆台状和三凹圆弧槽柱状。
11.(4)最后用线切割或者机械加工将上述增材制造的异构金属材料从基板上整体取下。
12.本发明的有益效果：
13.(1)在激光增材制造过程中引入搅拌摩擦加工处理，可以实现增材层微观组织细化，消除气孔和裂纹等缺陷。
14.(2)通过引入搅拌摩擦加工技术作为激光增材制造过程中的精确调控手段，在增材过程中协同搅拌摩擦加工强塑性变形实现组织异构设计，构筑出多样化的异质结构，可以实现金属材料强度和韧性的同步提升。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术的技术方案，下面对实例或现有技术所需要使用的附图作简单地介绍。
16.图1为一种搅拌摩擦辅助激光增材制造异构金属材料的方法流程图。
17.图2为搅拌摩擦辅助激光增材制造魔方结构示意图。
18.图3为搅拌摩擦加工后的增材层微观组织示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
20.实施例1激光增材制造方法选用激光定向能量沉积技术，金属粉末选用ti6al4v钛合金粉末，粉末的粒径为53-150μm。
21.其具体步骤如下：
22.(1)根据强韧性同步提升的需求，选用魔方结构作为异质结构。
23.(2)获取魔方结构的三维数字模型，根据魔方结构特征，确定了激光增材制造过程中增材层需要搅拌摩擦加工的位置和区域为交错的横向和纵向，搅拌摩擦加工路径采用单道搅拌。
24.(3)首先在基板上沉积长度为100mm，宽度为100mm，厚度为5mm的沉积层，激光沉积工艺参数为：激光功率为1500w，光斑直径为3mm，扫描速度为600mm/min，沉积单层厚度为1mm。接着在沉积层上采用圆柱状搅拌针，沿同一方向间隔20mm距离进行全幅面搅拌，构筑横向局域超细晶，搅拌摩擦加工参数为：搅拌头的轴肩直径为20mm，搅拌针直径为10mm，长度为4mm，搅拌头转速为600r/min，搅拌头行进速度为200mm/min，搅拌头倾角为2
°
，搅拌头下压力为40000n；然后再沉积长度为100mm，宽度为100mm，厚度为5mm的沉积层，接着在二次沉积层上采用圆柱状搅拌针，搅拌方向转换90
°
角，沿同一方向间隔20mm距离进行全幅面搅拌，构筑纵向局域超细晶，如此往复，最终形成长度为100mm，宽度为100mm，厚度为35mm的横向与纵向交替的魔方结构。
25.(4)最后用线切割将上述增材制造的魔方结构金属材料从基板上整体取下，对金属材料进行力学性能测试。
26.实施例2激光增材制造方法选用激光定向能量沉积技术，金属粉末选用ti6al4v钛合金粉末，粉末的粒径为53-150μm。
27.与实施例1不同，实施例2直接将ti6al4v钛合金粉末激光定向能量沉积制造，不引入搅拌摩擦加工处理，激光定向能量沉积的工艺参数与实施例1相同，激光功率为1500w，光斑直径为3mm，扫描速度为600mm/min，沉积单层厚为1mm。最终得到长度为100mm，宽度为100mm，厚度为35mm的块体。
28.实施例1和2得到ti6al4v钛合金增材构件的抗拉强度和延伸率如表1所示，结果表明，通过搅拌摩擦辅助激光沉积制造的ti6al4v钛合金表现出来的力学性能(抗拉强度、延伸率)优于普通激光沉积制造的ti6al4v钛合金，这也证明了通过搅拌摩擦辅助激光增材制造制备的异质结构表现出优异的强韧性。
29.表1
30.