一种调控增材制造残余应力的方法及装置

本发明涉及调控残余应力的方法的，特别是一种调控增材制造残余应力的方法及装置。

背景技术：

1、整体叶盘作为航空发动机中的重要零件，使得航空发动机的推重比和可靠性得到了提升、同时降低了航空发动机的重量。对于整体叶盘构件的加工制造，常采用数控加工技术、精密铸造、电解加工等加工方法，其中整体叶盘叶型的加工难度最大、耗时最多。

2、与航空发动机叶盘叶片传统制造工艺相比，采用激光增材制造技术不仅可以降低成本，还可以大幅提高航空航天高端装备的服役性能。但在对整体叶盘激光增材制造过程中，残余应力的产生难以避免，同时残余应力又会恶化材料服役性能，因此对金属材料中的残余应力进行控制尤为重要。

3、目前多数利用磁场辅助的方式以降低整体的残余应力，然而，磁场辅助的方式较为单一。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种调控增材制造残余应力的方法及装置，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、本发明解决其技术问题的解决方案是：

3、一种调控增材制造残余应力的方法，包括以下步骤：步骤a：对基体预热；步骤b：对基体加工，进行叶片增材制造；步骤c：对基体、叶片进行超声处理；步骤d：对基体、叶片施加交变磁场；步骤e：交替重复步骤c和步骤d，直至完成步骤b的操作。

4、在增材制造前对基体进行预热，能降低待制造叶片与基体之间的温度梯度，减少热应力，从而抑制成形件表面出现裂纹的情形；在增材制造的过程中，增加超声处理，超声振动通过空化效应和声流效应可以在一定的程度上干预熔池的熔凝行为，不仅可以使粗大的枝晶发生断裂、促使组织均匀分布，还可以增大增材制造过程中熔池凝固过程的过冷度，有助于使组织更致密，晶粒更细小；在增材制造的过程中，利用磁场辅助增材制造，当对熔池施加交变磁场后，会使液态金属按照一定频率形成正反两个方向的旋转运动，加剧了熔池金属的对流，从而增加了抑制气泡萌生的外部压力，使成形件气孔率下降；另外，交替进行超声处理和施加交变磁场，减少两者工作时相互之间产生的影响。

5、作为上述技术方案的进一步改进，步骤a中，预热的温度范围值是650℃至750℃。

6、设定一定的预热温度，当预热温度低于范围值后，随着沉积层的增加，预热效果会下降，待制造叶片与基体之间的温度梯度会增加，则无法更高效的降低成形件的热应力；当预热温度超过范围值后，对基体和叶片的表面也会造成一定的影响。

7、作为上述技术方案的进一步改进，步骤c中，超声波振幅的范围值是0至50μm。

8、限定超声波振幅的范围值，有助于提高成形件的成形质量。

9、作为上述技术方案的进一步改进，步骤c中，叶片沉积奇数层时进行超声处理，超声振动的时间为叶片沉积完第2i-1层所需要的时间，系数i为非零的自然数。

10、限定超声振动的时间以及超声振动响应的点，以限定超声处理和施加交变磁场呈交替进行。

11、作为上述技术方案的进一步改进，步骤d中，叶片沉积偶数层时施加交变磁场，交变磁场施加的时间为叶片沉积完第2n层所需要的时间，系数n为非零的自然数。

12、限定施加交变磁场的时间以及施加交变磁场响应的点，以限定超声处理和施加交变磁场呈交替进行。

13、作为上述技术方案的进一步改进，在步骤a之前，增加预处理的步骤，去除基体表面的氧化层。

14、去除表面氧化层，使其表面光滑，便于后续进行增材制造的操作。

15、作为上述技术方案的进一步改进，在步骤a之前，增加用无水乙醇清洗基体的步骤。

16、无水乙醇可以轻松洗掉一些用水洗不掉的脂溶性物质；另外，一些元件不能用水洗，但可以用无水乙醇；此外，无水乙醇挥发快,清洗完后基体表面残留会马上挥发，不影响后续的操作。

17、作为上述技术方案的进一步改进，在步骤e之后，增加缓冷保温处理，缓冷保温的温度范围值是250℃至500℃。

18、增材制造结束后，增加缓冷保温的步骤，即对成形件进行缓冷保温的处理，减缓因较高的冷却速度使成形件产生冷裂纹、热裂纹的情形，从而降低成形件表面的残余应力，提高叶片的综合性能。

19、本发明还提供一种调控增材制造残余应力的装置，应用所述的一种调控增材制造残余应力的方法，包括：热场发生装置，其包括罩体、加热管和温度控制器，所述加热管连接于所述罩体内，所述温度控制器与所述加热管电性连接；超声发生装置，其包括超声发生器、超声换能器和变幅杆，所述超声发生器与所述超声换能器电性连接，所述超声换能器与所述变幅杆连接；磁场发生装置，其包括相互连接的磁铁和通电导线。

20、在增材制造前对基体通过热场发生装置进行预热，能降低待制造叶片与基体之间的温度梯度，减少热应力，从而抑制成形件表面出现裂纹的情形；加热管在罩体内，罩体能形成一定的保温效果；在温度控制器的控制下能限定加热管的具体加热温度；在增材制造的过程中，增加超生发生装置进行超声处理，超声振动通过空化效应和声流效应可以在一定的程度上干预熔池的熔凝行为，不仅可以使粗大的枝晶发生断裂、促使组织均匀分布，还可以增大增材制造过程中熔池凝固过程的过冷度，有助于使组织更致密，晶粒更细小；接通超声发生器的电源，电源将工频交流电转变为超声频电信号后传给超声换能器，超声换能器将电信号转变为机械振动，然后通过变幅杆将机械振动的振幅放大；在增材制造的过程中，增加磁场发生装置，利用磁场辅助增材制造，当对熔池施加交变磁场后，会使液态金属按照一定频率形成正反两个方向的旋转运动，加剧了熔池金属的对流，从而增加了抑制气泡萌生的外部压力，使成形件气孔率下降；通电导线对磁铁施加交变电流后，磁铁周边会产生交变磁场。

21、作为上述技术方案的进一步改进，还包括：夹持装置，其包括夹持驱动件和夹爪，所述夹持驱动件驱动连接所述夹爪；移动装置，其驱动连接所述夹持装置，且使所述夹爪移动至所述罩体内。

22、在移动装置的驱动下能带动夹持装置运动，进而使被夹持的基体运动至罩体内。

技术特征：

1.一种调控增材制造残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种调控增材制造残余应力的方法，其特征在于，步骤a中，预热的温度范围值是650℃至750℃。

3.根据权利要求1所述的一种调控增材制造残余应力的方法，其特征在于，步骤c中，超声波振幅的范围值是0至50μm。

4.根据权利要求1所述的一种调控增材制造残余应力的方法，其特征在于，步骤c中，叶片沉积奇数层时进行超声处理，超声振动的时间为叶片沉积完第2i-1层所需要的时间，系数i为非零的自然数。

5.根据权利要求1所述的一种调控增材制造残余应力的方法，其特征在于，步骤d中，叶片沉积偶数层时施加交变磁场，交变磁场施加的时间为叶片沉积完第2n层所需要的时间，系数n为非零的自然数。

6.根据权利要求1所述的一种调控增材制造残余应力的方法，其特征在于，在步骤a之前，增加预处理的步骤，去除基体表面的氧化层。

7.根据权利要求1所述的一种调控增材制造残余应力的方法，其特征在于，在步骤a之前，增加用无水乙醇清洗基体的步骤。

8.根据权利要求1所述的一种调控增材制造残余应力的方法，其特征在于，在步骤e之后，增加缓冷保温处理，缓冷保温的温度范围值是250℃至500℃。

9.一种调控增材制造残余应力的装置，其特征在于，应用如权利要求1至8任意一项所述的一种调控增材制造残余应力的方法，包括：

10.根据权利要求9所述的一种调控增材制造残余应力的装置，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明公开了一种调控增材制造残余应力的方法及装置，以其中一个为例，一种调控增材制造残余应力的方法，包括以下步骤：步骤a：对基体预热；步骤b：对基体加工，进行叶片增材制造；步骤c：对基体、叶片进行超声处理；步骤d：对基体、叶片施加交变磁场；步骤e：交替重复步骤c和步骤d，直至完成步骤b的操作。对基体进行预热，减少热应力，从而抑制成形件表面出现裂纹的情形；增加超声处理，不仅可以使粗大的枝晶发生断裂、促使组织均匀分布，还可以增大增材制造过程中熔池凝固过程的过冷度，有助于使组织更致密，晶粒更细小；利用磁场辅助增材制造，增加了抑制气泡萌生的外部压力，使成形件气孔率下降。

技术研发人员：来佑彬,张艺川,岳雯雯,张诗友,刘庆,吕洋,陈泽康
受保护的技术使用者：汕头大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13