[发明专利]一种超声辅助摩擦增材制造方法

说明书

本发明提供了一种超声辅助摩擦增材制造方法，在超声作用下进行热塑性材料的连续固相沉积，逐层堆积实现增材。本发明所述摩擦增材工艺稳定性高，沉积金属表面高度和宽度均匀；摩擦增材沉积金属层宽度小，厚度较大，适合增材制造工业应用；摩擦增材沉积金属与基体金属连接界面宽度大，避免了裂纹和孔洞缺陷，结合性能佳。

技术领域

本技术涉及到增材制造领域，具体涉及超声辅助摩擦增材制造的装置和方法。

背景技术

随着环保意识的不断增强，减少资源消耗与环境污染受到了极大重视。摩擦增材作为一种先进的固相增材制造技术，其原理是以送进的耗材与基底之间的摩擦产热将耗材沉积在基底表面从而实现固相增材，具有高效、优质、低能耗、低污染等特点。该技术基于摩擦涂覆原理，并通过逐层制备累加得到实体零件，可在基底材料表面或者堆积层之间获得结合完整性好的涂覆层，在航空航天、石油化工、武器装备等零部件的维修与再制造等领域有广阔的应用前景，例如MELD公司利用摩擦增材的方法进行金属3D打印。

摩擦增材技术具体在于使高速旋转的棒料或螺旋送进的粉料在轴向压力的作用下接触到基底材料并产生粘塑性边界层，随后在摩擦热和压力的作用下，发生塑性变形的耗材与基底材料发生原子扩散从而实现结合。然而，常规摩擦增材存在材料的变形抗力大对工作条件要求苛刻、涂覆层薄厚不均匀，在单层边缘处和结合界面处容易出现缺陷等问题。

超声波作为一种机械能，具有频率高、方向性强和能量集中的特点，目前已有报道在摩擦增材领域或塑性变形领域辅助使用超声技术，如CN201910915488.3“一种搅拌摩擦焊径向增材制造的装置与方法”中记载了在搅拌摩擦焊径向增材制造中引入超声，用于细化晶粒、降低应力、避免偏析等。

但是摩擦增材领域或塑性变形领域辅助使用超声技术仍存在以下问题：

(1)摩擦增材工艺稳定性差，沉积金属表面高度和宽度不均匀。

(2)摩擦增材沉积金属层宽度小，厚度较大，不适合增材制造工业应用。

(3)摩擦增材沉积金属与基体金属连接界面宽度小，存在裂纹和孔洞缺陷，结合性能差。

发明内容

根据上述现有技术存在的问题的基础上，本发明提供了一种超声辅助摩擦增材制造新方法，其目的在于增强材料流动性，改善材料沉积中的铺展行为和沉积层形貌，并提高界面结合性能。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种超声辅助摩擦增材制造方法，在超声作用下进行热塑性材料的连续固相沉积，逐层堆积实现增材。

上述超声辅助摩擦增材制造方法，采用超声辅助摩擦增材制造装置，所述装置包括：

摩擦涂覆装置1带有送料工具头2，送进耗材固定在摩擦增材装置；

超声装置带有超声工作头4，超声工作头4作用于送料工具头2末端；

可移动工作台，其上固定设置基底3。

上述超声辅助摩擦增材制造方法，首先摩擦涂覆装置对旋转的棒料或者螺旋送进的粉料施加轴向压力，并通过送料工具头直接作用于基底表面，同时将超声工作头置于送料工具头末端施加超声振动，并共同沿送料工具头旋转轴线方向行进。送进耗材与基底之间摩擦摩擦产热并在超声振动辅助的共同作用下，发生塑性变形从而与基底表面之间形成界面结合从而实现固相涂覆，重复上述过程，逐层堆积实现增材制造。

优选的，超声装置产生的超声振动的方向与送料工具头送料方向呈90°夹角。

上述超声工作头振动作用方向与送料工具头旋转轴线方向(送料方向)平行或垂直。所述超声工作头作用于送料工具头末端，位置距送料工具头末端距离为30～80mm，优选为50mm。