[发明专利]一种增材制造中细化晶粒的方法及其装置

说明书

本发明涉及一种增材制造中细化晶粒的方法及其装置，该方法在于熔化增材制造过程中采用搅拌半固态成形坯料的方法，搅碎树枝晶/支晶，增加形核率，提高结晶速率，细化晶粒，同步结合两侧侧面与垂直方向轴肩随形约束方式约束坯料，防止搅拌过程中坯料流淌偏离数模或因搅拌导致成形不连续等问题，侧面随形约束与搅拌运动均随增材制造运动同步前进。本发明可以实现难成形材料较复杂零件的性能稳定高效、高精度、低成本增材制造。

技术领域

本发明涉及一种增材制造中细化晶粒的方法及其装置，属于增材制造/焊接技术领域。

背景技术

航空航天零部件的设计与制造理念越来越趋向于重量轻、寿命高、成本低的趋势发展。传统的零部件生产制造，主要依赖于传统的铸造、锻造、焊接的方法来完成，这就使得产品出现减重难、周期长、成本高等与设计理念及成本预算相悖的矛盾，因此亟需要开发研究考虑到重量、寿命、成本、周期、材料、工艺等多约束的合金高效的设计与制造方法及其装备制造技术。

目前的等离子弧/电弧熔丝增材制造、电子束熔丝增材制造因生产效率高，可以实现较大构件的一体化多批次、小批量的高效率低成本制造，而这些熔化增材制造技术主要依靠热源13熔化金属填充材料直接熔覆实现增材制造，其制件组织一般都为铸态树枝晶/支晶及枝晶与等轴晶混合组织，宏观上呈现明显的粗大树枝晶/支晶和微观上呈各向异性，其成形过程中的晶粒粗大、各向异性明显等不足，均是其国内重点科研院所和高校研究增材制造需突破的关键技术。

且在微铸锻领域均是正面单辊轧制或者是正面锤锻，在制造过程中锻压力不足，难以锻透，而锻压力过大时则会产生毛皮开裂等，但其总的缺点是制造精度不高、轧制不均匀等工艺问题。若采用超声/电磁波等对熔池的振荡或对成形面的微锻，因其作用力度较小以及作用区域有限的限制，其在下一道重熔过程中会被融化掉而无法形成对晶粒细化的实质性作用。

这些问题均因为缺乏较为彻底的晶粒细化环节，以及在移动传热传质条件下无约束自由微铸造熔积成形所固有的热力学、动力学、几何学特点所决定的，仅靠改变材料成分和工艺参数等途径尚难从根本得到解决。目前细化晶粒主要采用的方法有：超声搅拌熔池法、磁电协同控制来搅拌熔池、机械微铸锻晶粒细化法、以及超声波铸锻晶粒细化法等，虽然以上细化晶粒的方法均取得了一定的效果，但是仍然存在效率低，以及成形精度低等问题。

基于上述技术问题，亟需创新并拓展一种解决直接成形高性能金属零件的成形质量与组织性能的增材制造技术。

发明内容

针对高性能、熔化增材成形金属构件的传统制造流程长、能耗大以及目前直接成形制件的性能难以稳定可靠地达到锻件水平、表面质量不高的增材制造技术实用化瓶颈等技术问题，本发明提出了一种增材制造中细化晶粒的方法及其装置，其在熔化增材制造过程的半固态坯料，采用侧边随形柔性约束与同步搅拌复合制造的新工艺方法。本方法可在成形过程中产生连续的搅拌作用，可以有效地搅碎支晶，增加形核，大幅降低增材制造的树枝晶/支晶倾向，侧面随形约束有效地提高了成形精度和材料的利用率。本发明可以实现难成形材料较复杂零件的性能稳定高效、低成本增材制造。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下方案实现：

熔化增材制造过程中采用外加轴肩约束搅拌半固态坯料的方法，搅碎支晶，增加形核率，提高结晶速率，细化晶粒，同时结合两侧侧面随形约束方式约束坯料，防止搅拌过程中坯料流淌偏离数模，侧面随形约束与搅拌运动均随增材制造运动同步前进。

在一个优选的技术方案中，所述侧面随形束方式采用轧辊+平板的方式进行。

随形约束方式采用轧辊+平板组成侧向约束单元，轧辊的目的是一方面约束，另一方面可以便于随增材制造过程同步向前推进。其约束间距因数模、成形材料、成形工艺而不同；约束单元的具体尺寸随成形构件空间尺寸(长短、宽窄、单边曲率等)而不同，具体应用可以采用添加约束单元库的形式来实现无间隙更换。采用轧辊+平板的组合在现有技术中尚属首例。