[发明专利]一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的方法

说明书

本发明公开了一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置及方法，其装置包括强流变摩擦头、两个静轴肩模块、两个梯度式刨刀模块、两个滑动安装座和两个带有滑槽的连接座；强流变摩擦头利用搅拌针‑轴肩组合结构摩擦挤压细化增材重熔区晶粒，强化组织性能，并且可以减少材料上下流动，避免材料过多溢出导致孔洞、沟槽缺陷出现。利用静轴肩模块和刨刀模块，一方面可以强化沉积层并形成船形凹面，可以提高增材成形精度，避免侧面边缘塌陷；另一方面，可以对增材直壁侧面进行梯度性精加工，实现高质量增材与高精度减材一体化制造。

技术领域

本发明涉及增材制造设备技术领域，尤其是一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置及方法。

背景技术

金属增材制造是指通过电弧、电子束和激光等热源熔化丝材或粉材，逐层往复堆积制造金属构件。在堆积过程中，一方面，后一层的增材会对前一层再次加热，热累积作用会使增材组织晶粒粗大，另一方面，能量密度不同、增材扫描速度不同，沉积层各处的线能量也不同，会出现增材后一层时将前面一层甚至几层重熔，多次凝固重熔增材区的晶粒取向、组织种类差异较大，力学性能较低。对于直壁结构增材，沉积层成拱形弧面，易导致熔池在侧面下挂，侧面成形差。

现有的热处理强化手段强化效果有限，且不能消除在增材过程中出现的气孔、孔洞等缺陷。采用冷轧/热轧在增材件表面轧制，只能对材料表面一定深度范围内起到降低残余应力和细化晶粒的作用。采用激光/超声冲击强化技术的方法，但其应用在电弧增材过程中时只能实现表面强化，且不能完全破碎细化粗大组织，对强化电弧增材组织的实际作用有限。

现有技术中：

中国发明专利201810949446.7公开了一种搅拌摩擦焊强化电弧增材制造铝合金工件的方法，其搅拌摩擦处理的深度为层厚的1～1.2倍，而以电弧、激光、等离子、电子束等作为热源会对重熔前几层增材组织，并不能对增材组织进行细化和强化。中国发明专利202010689368.9公开了一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法，采用的动轴肩搅拌摩擦焊处理增材组织，动轴肩产热高会使得细化的组织再次回复、长大，强化效果一般，并且其只能对沉积层中间区域进行细化，无法对侧面细化和精加工处理。中国发明专利201910038056.9公开了一种电弧增材成形与搅拌摩擦加工的复合制造方法，是利用搅拌摩擦焊搅拌头摩擦挤压沉积层，为使细晶强化区在重熔过程中能保留下来，搅拌针的长度比常规焊接用搅拌头要长的多，材料在搅拌针附近上下流动范围大且根部产热不足，极易出现孔洞、隧道缺陷，因此单纯采用搅拌摩擦焊方法处理增材组织，细化晶粒的同时又会带来新的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服以上现有技术存在的缺陷，提供一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置及方法，避免材料过多溢出导致孔洞、沟槽缺陷出现，提高增材成形精度和强度，实现高质量增材与高精度减材一体化制造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置，包括强流变摩擦头、静轴肩模块、梯度式刨刀模块，所述的静轴肩模块设为C型结构的两个，两个静轴肩模块拼装包围在所述的强流变摩擦头外，静轴肩模块的两侧端面上对称连接有滑动安装座，所述的梯度式刨刀模块包括T型滑块和若干把刨刀，所述的T型滑块与滑动安装座底部的T型滑槽相配合安装，所述的刨刀安装于T型滑块的下方，所述的滑动安装座顶部滑动连接有连接座，所述的强流变摩擦头包括主体、与外设电机相连的夹持端、与增材直壁相接触的台阶式搅拌头。

进一步，所述的静轴肩模块的内面与强流变摩擦头的主体之间设置退屑槽。

进一步，所述的台阶式搅拌头端部设置轴肩和若干级呈台阶式布置的搅拌针-轴肩组合结构，搅拌针一般为柱状或圆台状，也可根据需求定制。