一种金属材料高能束-超声复合增材制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料增材制造(3D打印)领域，具体涉及一种金属材料高能束_超声复合增材制造方法。
【背景技术】
[0002]增材制造技术是由计算机控制按照CAD模型，采用高能束对金属材料(粉末、丝材或板材)进行逐层熔化/凝固堆积，直接由三维模型逐层堆积成金属构件的近净成形制造技术。和传统制造方法相比，其无需模具，生产周期短，材料利用率高，可成形传统方法无法制造复杂/超复杂结构件，具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景，因此近年来倍受关注。
[0003]然而，金属材料熔化增材制造难度大，主要有三个问题一直制约该技术发展和应用。第一，内应力问题。金属熔化增材制造过程的热应力、组织应力和凝固收缩应力造成结构件中存在巨大的内应力，造成结构件易于翘曲变形、甚至开裂。第二，冶金缺陷问题。增材制造熔化/凝固过程中易产生气孔、未熔合等内部缺陷，造成构件疲劳性能等关键力学性能差。第三，晶粒粗大问题。增材制造的金属构件晶粒无法细化到锻件水平，造成其综合力学性能无法达到锻件标准，限制了其在长期服役承力结构件的应用。上述三个问题即使在工艺优化后，仍然严重存在。因此，在结构件制造完成后，需要进行后处理，如采用热处理消除内应力、热等静压消除内部缺陷等。然而，后处理存在一定局限性，如无法防止增材制造过程中的零件变形开裂，无法细化晶粒，热等静压设备昂贵且其处理后冶金缺陷仍有部分残留。此外，热等静压设备能够处理的零件尺寸较小，限制了高能束增材制造大型金属构件的应用。因此，后处理尚无法解决金属构件增材制造的三大瓶颈问题，亟待开发新方法。
[0004]超声冲击是一种金属材料表面处理的新技术，其通过大功率超声波推动冲击工具高频冲击金属表面，使表面产生一定厚度塑性变形层，可有效消除金属表面应力和缺陷、细化晶粒。高能束增材制造技术与超声冲击结合，是解决金属材料增材制造的三大瓶颈问题的方法之一。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是基于增材制造“逐层”堆积的技术原理，提出了超声冲击实时“逐层”消除内应力和内部缺陷、细化晶粒的新方法，形成了高能束熔化逐层凝固成形+超声冲击逐层塑性成形的高能束-超声复合增材制造新技术，其能有效解决内应力、内部缺陷和晶粒粗大问题，提高增材制造金属构件的力学性能。
[0006]为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现:
[0007]本发明提供了一种金属材料高能束-超声复合增材制造方法，其特征在于，在逐层堆积的增材制造过程中，由高能束熔化金属成形材料，在逐层熔化/凝固堆积一定层数后，对凝固层进行超声冲击，使凝固层发生压塑性变形，从而消除成形件内应力和内部缺陷、细化晶粒，然后继续进行逐层熔化/凝固堆积和超声冲击过程，直至完成整个金属构件的成型过程。
[0008]根据本发明的实施例，该方法还可以具有以下技术特征，具体包括以下步骤:
[0009](I)分层与路径规划:通过CAD绘制零件的三维模型，采用切片软件获得零件分层截面数据，规划分层截面高能束扫描路径和超声冲击路径。
[0010](2)高能束熔化/凝固:高能束按照已规划截面扫描路径将金属材料熔化，形成一定厚度的凝固层，此时凝固层中存在较大拉伸残余应力、冶金缺陷及粗大晶粒；
[0011](3)超声冲击塑性变形:超声冲击枪按照已规划截面冲击路径对凝固层进行冲击，使凝固层发生压塑性变形，形成塑性变形层，从而消除内应力和内部缺陷、细化晶粒；
[0012](4)逐层堆积成形:重复执行(2)和(3)，从而形成高能束熔化逐层凝固成形和超声冲击逐层塑性成形的过程，在基板或成形板上形成多层堆积的高性能金属构件。
[0013]为了更好地实现本发明，上述高能束包括激光束、电子束、电弧或离子束等高功率或高亮度热源；所述金属成形材料可以是粉末、丝状或板状材料；所述高能束将金属材料熔化/凝固堆积一定层数可以单层或多层，随具体工艺条件而变化；所述凝固层的厚度应小于超声冲击能达到的塑性变形的厚度，超声冲击塑性变形的厚度可通过改变冲击频率和超声冲击头的冲击力来控制。
[0014]本发明与现有高能束增材制造技术相比，有如下优点和有益效果:
[0015]1、本发明采用超声冲击在高能束增材制造过程中实时“逐层”处理，可有效消除内应力和内部缺陷、细化晶粒，实现金属构件增材制造的高尺寸精度和高性能控制。
[0016]2、本发明处理工序简单，实施容易，可广泛应用于金属材料高能束流增材制造领域，特别适用于大型金属构件的高能束流增材制造，使其摆脱三大瓶颈问题的困扰，实现高性能大型金属构件的低成本快速制造。
【附图说明】
[0017]图1为根据本发明实施例的一种金属材料高能束-超声复合增材制造方法，其中示出了选区激光熔化-超声冲击复合增材制造装置示意图
[0018]图中:1.激光器；2.扫描振镜；3.气体保护成形室；4.机械移动装置；5.超声冲击枪；6.成形缸；7.金属粉末；8.成形件；9.刮粉板；10.储粉箱
[0019]图2为根据本发明另一实施例的一种金属材料高能束-超声复合增材制造方法，其中示出了激光快速成形-超声冲击复合增材制造装置示意图
[0020]图中:1.激光器；2.聚焦透镜系统；3.气体保护成形室；4.机械移动装置；5.超声冲击枪；6.基体；7.成形层；8.同轴喷嘴；9.送粉器
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0022]实施例1
[0023]图1示出了本发明一个实施例；选区激光熔化-超声冲击复合增材制造装置示意图，具体操作包括以下步骤:
[0024](I)刮板9将储粉箱10落下的金属粉末7刮至成形缸6的工作板上，形成一定厚度的预先铺制粉末层；
[0025](2)激光器I产生激光束，通过扫描振镜2按照已规划的截面扫描路径对预先铺制的金属粉末7进行选择性熔化；
[0026](3)激光扫描熔化/凝固一定层数后，超声冲击枪5在机械装置4的驱动下移至工作区域按设定的冲击频率、冲击力以及规划的路径冲击整个凝固层表面；
[0027](4)超声冲击枪5回复到初始位置，成形缸6下降一层厚度；
[0028](5)重复执行步骤(I)?(4)，成形件8的熔化/凝固和塑性变形均在气体成形保护室3内进行。
[0029]实施例2
[0030]图2示出了本发明的另一具体实施例；激光快速成形-超声冲击复合增材制造装置示意图，具体操作包括以下步骤:
[0031](I)聚焦透镜系统2和同轴喷嘴8移至基体6上方工作区域；
[0032](2)激光器I通过聚焦透镜系统2产生一定光斑直径的激光束熔化基体6或已成形层7表面形成熔池。同时送粉器9利用保护气体输送金属粉末，通过同轴喷嘴8将金属粉末喷射到熔池中，从而熔化/凝固形成凝固层；
[0033](3)激光按已规划扫描路径熔化/凝固一定层数后，聚焦透镜系统2和同轴喷嘴8回复到初始位置，并升高一个成形层厚度；
[0034](4)超声冲击枪5在机械装置4的驱动下移至工作区域按设定的冲击频率、冲击力以及已规划的路径冲击整个凝固层表面；
[0035](5)超声冲击枪5回复到初始位置，并升高一个成形层厚度，
[0036](6)重复执行步骤(I)?(5)，以上操作均在气体成形保护室3内进行。
[0037]实施例3
[0038]本实施例除下述特征外其他特征同实施例1:所述激光器I为电子束发射装置。
[0039]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种金属材料高能束-超声复合增材制造方法，其特征在于，在逐层堆积的增材制造过程中，由高能束熔化金属成形材料，在逐层熔化/凝固堆积一定层数后，对凝固层进行超声冲击，使凝固层发生压塑性变形，从而消除成形件内应力和内部缺陷、细化晶粒，然后继续进行逐层熔化/凝固堆积和超声冲击过程，直至完成整个金属构件的成型过程。
2.根据权利要求1所述的金属材料高能束-超声复合增材制造方法，其特征在于，所述高能束包括激光束、电子束、电弧或离子束等高功率或高亮度热源。
3.根据权利要求1所述的金属材料高能束-超声复合增材制造方法，其特征在于，所述金属成形材料可以是粉末、丝状或板状材料。
4.根据权利要求1所述的金属材料高能束-超声复合增材制造方法，其特征在于，所述高能束将金属材料熔化/凝固堆积一定层数可以单层或多层，可随具体工艺条件而变化。
5.根据权利要求1所述的金属材料高能束-超声复合增材制造方法，其特征在于，所述凝固层的厚度应小于超声冲击能达到的塑性变形的厚度。
6.根据权利要求1所述的金属材料高能束-超声复合增材制造方法，其特征在于，所述超声冲击塑性变形的厚度可通过改变冲击频率和超声冲击头的冲击力来控制。
【专利摘要】本发明公开了一种金属材料高能束-超声复合增材制造方法，属于金属材料增材制造(3D打印)领域。该方法基于增材制造“逐层”堆积的技术原理，由高能束熔化金属成形材料，在逐层熔化/凝固堆积一定层数后，对凝固层进行超声冲击，使凝固层发生压塑性变形，从而消除成形件内应力和内部缺陷、细化晶粒，然后继续进行逐层熔化/凝固堆积和超声冲击过程，直至完成整个金属构件的成型过程。本发明利用超声冲击对凝固层进行实时“逐层”处理，可有效减少或消除内应力和内部缺陷、细化晶粒，提高增材制造金属构件的力学性能。
【IPC分类】B22F3-105
【公开号】CN104525944
【申请号】CN201410815471
【发明人】刘长猛, 石学智, 马树元
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月23日