[发明专利]一种填丝搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法

说明书

本发明涉及一种填丝搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法，该装置包括搅拌针、轴肩、丝材和基体，丝材放置于搅拌针内部的送丝孔中，丝材的端部从搅拌针侧壁伸出，搅拌针插入轴肩内部的轴向通孔中，搅拌针的下端面与轴肩的下端面平齐，轴肩与基体之间存在顶锻力，搅拌针侧壁外表面加工有螺旋槽，螺旋槽延伸至搅拌针下端面，形成槽口作为出料口，轴肩内部的轴向通孔壁上和轴肩下端面均加工有螺旋槽。增材制造时，轴肩在基体待增材区表面旋转并移动，搅拌针不发生旋转运动，丝材在螺旋槽的作用下热塑化并流出，扩散并沉积于基体待增材区表面。该装置和方法可以提高材料利用率和制造效率，解决了搅拌摩擦增材制造加工余量大、材料利用率低的问题。

技术领域

本发明涉及一种填丝搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法，属于增材制造技术领域。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing,AM)是通过计算机技术预先建立与规划3D模型，结合数字化的可控热源逐层将材料熔化、熔覆或叠加，快速成形结构件或者功能件，具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等五大技术特点，受到全球的广泛关注，给传统制造业带来一系列深刻的变革，可广泛应用于航空航天、国防、医疗、建筑设计、汽车制造等领域。

常用的金属增材制造方法有激光、电子束和电弧增材制造，3种方法具有各自的优势和适用范围，但在轻合金的增材技术上存在较多的问题。金属增材制造前期研究主要以烧结或熔化金属材料的方式逐层加工制备复杂结构的零件，铝合金由于线膨胀系数大、导热率高等原因，导致激光增材时，成形速率慢、光反射率高，能量利用率第、变形大等；电子束增材时，零件尺寸受到限制，变形较大；电弧增材时，构件变形严重、尺寸难以控制等。搅拌摩擦增材制造作为一种固相增材制造方法，在轻合金增材方面独具优势。现有的搅拌摩擦增材制造方法，主要为多层材料的焊合叠加，其增材过程类似于搅拌摩擦焊多层搭接，是一个空间搭接的过程，包括垂直于搭接方向的横向增材和平行于材料厚度方向的增材。资料表明，搅拌摩擦焊搭接接头的组织性能与结合界面状态密切相关，容易出现界面畸变及冷搭接缺陷，会降低接头的性能。而搅拌摩擦增材制造过程类似搭接，也有可能出现相应的缺陷，从而影响增材材料的组织性能。而且利用搅拌摩擦焊的技术对板材进行逐层叠加的增材制造，每叠加一层就要重新装夹一次，整体增材加工的数字化程度和激光和电子束等增材方法相比并不高。实现搅拌摩擦增材制造的全自动数字化加工是当前面临的一大主要难题。另一个需要解决的问题是如何提高材料利用率。现有的搅拌摩擦增材制造方法并不能实现材料的高利用率，增材完成后仍需要对搅拌摩擦坯件进行后期机械加工，将多余的基材部分除去。去除部分越多，材料的利用率就会越低。

总之，金属增材制造的方法很多，各具优势，是一种具有极大发展潜力的材料制备及加工一体化的方法。增材制造前期，研究者主要采用熔化材料的方式进行成形制造，对材料有所限制，如铝合金激光增材时会出现能量表面球化、利用率低等问题，电子束增材则会产生金属气化、变形等问题。摩擦增材制造技术作为一种固相增材方法，增材材料具有晶粒细小、组织致密等优点，是一种具有发展潜力的增材方法，但存在加工余量大、材料利用率低等问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种填丝搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法,可以实现铝合金等轻金属材料的高质量增材制造，同时可以提高材料利用率和制造效率，解决多层叠焊搅拌摩擦增材制造加工余量大、材料利用率低的问题。

为了实现本发明，其采用了如下技术方案：