[发明专利]一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造棒材的方法，具体涉及一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法。

背景技术

增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。我国各高校自90年代开始进行相关研究，但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面较国外先进水平落后，在高性能终端零部件直接制造方面还具有非常大的提升空间。

以激光束、电子束为能源的高能束增材制造技术是该技术领域的重要发展方向，具有快速成型、加工精度较高等优点，在高温合金成形和精密部件制造等领域应用广泛。但在高能束增材制造过程中，温度较高会使材料发生熔化，由于成形速度较快，材料凝固时不可避免地会存在气孔、裂纹以及熔合不良等缺陷，且后续加工制造对已凝固材料产生热作用，可能降低整体性能，这对于目前广泛应用的铝、镁合金等低熔点轻金属材料的影响更为严重。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的高能束增材制造方法制造的材料存在气孔、裂纹、变形大的问题，进而提供一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法。

本发明的技术方案是：一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，它包括以下步骤：

步骤一、圆柱形母材的制备：

先确定增材制造的材料类型，并采用机械加工的方式加工成圆柱形棒材，其直径为10-50mm，长度为50-200mm；然后在棒材上端的外侧面加工一个深2-5mm的平台，平台长度为10-20mm，以便于将其固定在搅拌摩擦设备上；用砂纸将棒材表面打磨干净，再在丙酮中进行超声清洗，最后风干备用；

步骤二、增材制造模具的制备：

选择熔点高于增材材料的管材制作增材制造的模具，并清除其内外表面的油污和氧化膜；管材壁厚为2-10mm，内径比圆柱形棒材直径大2-10mm；

步骤三、增材制造基板的制备：

选择熔点高于增材材料的板材制作增材制造的基板，基板的厚度大于5mm、基板的长度和基板的宽度均需大于增材制造模具的外径；基板表面用砂纸打磨干净，并在丙酮中进行超声清洗，最后风干备用；

步骤四、模具与基板的焊接：

采用氩弧焊方法将增材制造模具和基板焊接在一起，以保证搅拌摩擦增材制造能够在模具内持续、稳定进行；

步骤五、模具和基板的定位：

采用工装夹具，将焊在一起的模具和基板固定在搅拌摩擦设备上，保证模具和基板在搅拌摩擦增材制造过程中不发生滑动；

步骤六、增材制造参数的确定：

搅拌摩擦增材制造参数包括圆柱形棒材的旋转速度和进给速度；棒材的旋转速度范围为200-3000r/min，棒材的进给速度的范围为1-200mm/min；

步骤七、增材制造的成形过程：

将棒材固定在旋转机构上，在控制系统中输入增材制造参数；启动搅拌摩擦设备，棒材以设定的增材制造参数运动，在棒材接触到基板时开始进行增材制造，直至达到预定的尺寸为止。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明提出一种搅拌摩擦增材制造的方法，该方法采用固相增材制造技术，增材制造过程中峰值温度低于材料熔点，材料不发生熔化，不涉及熔池的形成和凝固，可以消除高能束增材制造时熔池凝固过程中产生的裂纹、气孔等缺陷；

2、搅拌摩擦增材制造过程中高速旋转的棒材与已增材金属摩擦，摩擦界面附近金属受到较高热输入发生塑化的同时产生剧烈的塑性变形，形成细小均匀的等轴再结晶晶粒，可以显著改善传统增材制造时结构件力学性能各向异性明显的缺点，有利于结构件整体力学性能的提高；

3、搅拌摩擦增材制造与传统增材制造方法相比热输入大幅降低，材料受热或冷却过程中发生膨胀或收缩的程度不大，不均匀变形程度很小，使得残余应力极小，对工件疲劳强度、应力腐蚀等力学性能的不利影响几乎可以忽略不计，易于获得质量稳定、具有优良性能的结构材料；

4、搅拌摩擦增材制造过程中由于材料始终处于固态，不易发生氧化，因此不需要惰性气体环境或真空环境，无需相关辅助设备，制造成本降低；

5、搅拌摩擦增材制造过程中不会产生光辐射、烟尘和噪音污染等，是一种绿色的增材制造方法，对人体和环境无任何危害；

6、搅拌摩擦增材制造过程仅需部分电能带动搅拌摩擦设备主轴旋转，并驱动棒材旋转摩擦产生热量自发塑化形成增材金属，无其他能源消耗，总体能源消耗较低。

附图说明