[发明专利]一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法

说明书

一种Al‑Si合金的丝材电弧增材制造方法，包括以下步骤:步骤1、利用冷却辊压辅助进行电弧增材成形；步骤2、对增材体的侧面和顶面进行铣削加工；步骤3、利用搅拌摩擦加工设备对增材体进行搅拌摩擦加工，同时在搅拌摩擦加工过程利用冷却辊压装置对增材体侧壁施加冷却辊压；步骤4、对增材体上表面进行精铣，以备下一步的电弧增材成形；步骤5、循环重复执行以上步骤，直到完成零件的最终成形。本发明能够完全破除Al‑Si合金增材成形过程中的枝晶生长并细化晶粒，有效地修复气孔和裂纹等缺陷，同时在丝材电弧增材制造及其改性过程中，通过施加冷却防止增材体发生过热及因此导致的微观组织粗化，大大提高增材体的力学性能，特别是塑性和疲劳性能。

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，涉及一种Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法，具体涉及一种利用冷却辊压及搅拌摩擦加工辅助的Al-Si合金的丝材电弧增材制造方法。

背景技术

金属的丝材电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)是采用熔化极气体保护焊(GMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)或等离子弧焊(PAW)为热源，利用离散、堆积原理，通过金属丝材的添加，在程序的控制下根据三维数字模型由线-面-体逐层堆焊出三维金属零件的先进制造技术。与以激光和电子束为热源的增材制造技术相比，具有以下优点：1)沉积速率高并且丝材利用率高，制造成本低；2)可以成形激光反射率高的材质(比如铝合金)；3)制造零件尺寸不受设备成型缸和真空室尺寸限制，易于实现大尺寸构件的制造。

Al-Si合金是用途最广的铸造铝合金。Si作为该类合金的主加元素，可以提高合金的铸造性能，改善熔体流动性，降低热裂倾向，减少疏松，提高气密性。获得的铸件组织致密，具有良好的焊接性、耐热性、抗蚀性、耐磨性和中等强度，但塑性较低。Al-Si合金的力学性能与Si的形态和分布密切相关，粗大针状或板片状的共晶Si组织会显著降低合金的强度和塑性。大量研究表明，通过变质处理、快速凝固，熔体搅拌等控制凝固组织的手段可改善Al-Si合金的铸态组织，使粗大、硬脆的针片状共晶Si组织更细小，分布更均匀，从而获得良好的力学性能。基此，具有良好焊接性能的Al-Si合金被认为是合适的电弧增材用合金材料。但在应用丝材电弧增材制造技术进行Al-Si合金的成形过程中仍存在以下问题亟待解决。

(1)成形精度控制问题(控形)

成形精度主要包括几何尺寸精度和表面粗糙度两个指标。增材过程中多重热循环导致产生较高的热应力引起成形件和基板变形，给尺寸精度控制带来更多困难。另外，由于丝材电弧增材成形过程中热积累严重、散热差等因素易导致层间结合处出现塌陷和“流淌”现象，成形面易产生高低不平的现象，最终导致成形件表面粗糙度增加。

(2)成形组织和性能控制问题(控性)

①电弧增材制造过程中，成形件易形成粗大的柱状晶以及偏析导致的化学成分不均匀现象，进而导致性能恶化(晶界脆性、晶间腐蚀等)。

②在电弧增材制造过程中易出现气孔、热裂纹等缺陷问题，降低了沉积金属的致密度及耐蚀性，减小了增材零件的有效承载面积，易造成应力集中，从而降低了增材零件的强度和塑形。