本发明专利技术公开了一种双超声辅助激光增材制造装置,包括试样安装台架、超声搅拌系统、超声冲击系统和激光增材制造系统;所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统设置在所述试样安装台架的上侧,所述超声搅拌系统设置在所述试样安装台架的下侧,所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对设置,试样在经过所述激光增材制造系统后经过所述超声冲击系统。本发明专利技术使阻燃钛合金在进行激光增材制造的过程中接受超声搅拌和超声冲击的双重作用,以达到阻燃钛合金的组织细化和均匀化,实现对合金组织和力学性能的有效调控。
【技术实现步骤摘要】
一种双超声辅助激光增材制造装置及方法
本专利技术涉及钛合金的加工方法
,特别是涉及一种双超声辅助激光增材制造装置及方法。
技术介绍
钛合金因其比重小、比强度高、耐高温等优点被广泛应用于涡轮发动机上。现代高涵道比的大型发动机,在风扇压气机部件以及其他结构上均使用了大量钛合金。但是,常规钛合金在一定的空气压力和温度条件下会发生燃烧,从而造成发动机发生着火事故(钛火),影响飞机的安全性。阻燃钛合金是为应对钛火隐患而研制的专用材料,它的研制是解决钛火问题的最直接方法。根据不同阻燃机理开发了Ti-V-Cr系和Ti-Cu系两类阻燃钛合金,其中Ti-V-Cr系阻燃钛合金(V、Cr元素含量分别为22-40%,13-36%)是目前最具工程意义的航空发动机用功能性结构材料。经过近十年的研发,国内外在Ti-V-Cr系阻燃钛合金锻件制备及合金抗点燃性能评价方面均取得了较大的进展,为Ti-V-Cr系阻燃钛合金的工程化应用奠定了基础。Ti-V-Cr系阻燃钛合金有良好的室温塑性,但高温塑性较差,使该合金在高温变形时,金属流动困难,晶界易开裂,致使合金的热加工困难。该类合金很难自由锻造,热加工困难是阻碍Ti-V-Cr系阻燃钛合金大批量工程化应用的主要障碍之一。由上可知,Ti-V-Cr系阻燃钛合金由于合金元素含量大、难于获得高品质铸锭,且铸态组织塑性有限、变形抗力大,铸锭开坯有较大难度。除此之外,机械加工困难也是国内外阻燃钛合金的“通病”,加工效率低和刀具破损严重是Ti-V-Cr系阻燃钛合金材料铣削加工存在的主要问题。铸、锻热加工带来的制造缺欠及昂贵的机械加工成本限制了Ti-V-Cr系阻燃钛合金的工程化应用,迫切需要发展该类材料的近净增材制造技术。在该类材料应用于航空构件制造及其后续使用过程中还将出现其他工程实际问题,如因各种不可避免原因导致大量的加工超差,或在服役使用中经常出现裂纹、腐蚀、磨损等失效。特别是对于钛合金主承力结构的加工超差或服役损伤,补救措施往往需要较大的经济成本或较长的修理周期。这些重要结构件价值少则数十万元,多则上百万元,严重者只能作报废处理。因此,在阻燃钛合金结构件的制造及再制造过程中,高效、高性能的增材制造技术是亟待解决的关键问题,包括构件的近净成形制造技术及损伤和失效零件的快速修复,从而实现零部件的高效制造及修复。激光增材制造技术是一种兼顾精确成形和高性能成性需求的一体化近净成形制造技术,包括以同步材料送进为主要技术特征的激光立体成形技术(lasersolidforming,LSF)和以粉末床为主要技术特征的选区激光熔化技术(selectivelasermelting,SLM)。激光立体成形技术利用高能激光使熔覆材料与基体形成良好的冶金结合,实现零件几何尺寸及力学性能的精确控制,是解决阻燃钛合金近净成形及修复难题的较好途径。目前在该方向的研究包括超声辅助、磁场辅助和高频感应辅助外场辅助激光增材制造技术等。在激光增材制造过程中施加超声振动或者磁场均属于通过强制流体流动而控制凝固过程的方法。液相区液体的流动将改变凝固界前沿的温度场和浓度场,从而对凝固组织形态产生影响。超声的高频振动及辐射压力可在熔池熔融金属中形成有效的搅拌和流动,能显著减弱液体的表面张力及摩擦力,能够起到去除熔融金属中气体的作用。但是由于在超声搅拌辅助激光增材制造技术中,激光沉积修复熔池的体积小、存在时间短等特点,且与铸造和焊接工艺不同的是,超声搅拌是从修复件底部施加进去的,熔池的两侧没有壁面加以约束,处于自由状态。过大的超声振幅会使得熔池的振动加剧,难以形成质量较好的修复层,超声振幅较小时起不到预期作用,较大(超过0.55微米)时出现蜂窝状的表面形貌。一定范围的超声振幅才能得到较好的修复层表面形貌。在保证成形效果的前提下,超声搅拌又不足以克服成形层晶粒的外延生长的驱动力,阻止β柱状晶的生长。因此如何解决超声搅拌辅助激光增材制造的成形性与β柱状晶晶粒细化的矛盾是当前迫切需要解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双超声辅助激光增材制造装置及方法,以解决上述现有技术存在的问题,使阻燃钛合金在进行激光增材制造的过程中接受超声搅拌和超声冲击的双重作用,以达到阻燃钛合金的组织细化和均匀化,实现对合金组织和力学性能的有效调控。为实现上述目的,本专利技术提供了如下方案:本专利技术提供了一种双超声辅助激光增材制造装置,包括试样安装台架、超声搅拌系统、超声冲击系统和激光增材制造系统;所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统设置在所述试样安装台架的上侧,所述超声搅拌系统设置在所述试样安装台架的下侧,所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对设置,试样在经过所述激光增材制造系统后经过所述超声冲击系统。优选地,所述超声搅拌系统包括第一超声波发生器、第一外壳、第一换能器、第一变幅杆和耦合机构;所述试样安装台架、所述耦合机构和所述第一变幅杆的工具头依次连接,所述第一变幅杆与所述第一换能器连接,所述第一换能器与所述第一超声波发生器电连接,所述第一换能器和所述第一变幅杆均设置在所述第一外壳内部。优选地,所述第一超声波发生器的最大输出功率为1kW,所述第一超声波发生器输出的超声频率为20kHz。优选地,还包括固定支架,所述超声冲击系统和所述激光增材制造系统分别通过一滑台支架与所述固定支架连接。优选地,所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对于所述试样安装台架同步运动。优选地,所述超声冲击系统包括第二超声波发生器、第二外壳、第二换能器、第二变幅杆和冲击头,所述冲击头、所述第二变幅杆和所述第二换能器依次连接,所述换能器和所述第二超声波发生器电连接,所述第二换能器和所述第二变幅杆均设置在所述第二外壳内部,所述第二外壳通过所述滑台支架与所述固定支架连接。优选地,所述第二超声波发生器的最大输出功率为1.5kW,所述第二超声波发生器输出的超声频率为20kHz。优选地,所述第二变幅杆输出的振幅为150μm。本专利技术还提供了一种双超声辅助激光增材制造方法,包括以下步骤:S1:预热试样;S2:利用激光增材制造系统使所述试样受损的部位熔融并补充金属粉末,并使所述金属粉末熔融,形成液态熔池;S3:利用超声搅拌系统对所述液态熔池施加超声搅拌,使所述液态熔池在超声搅拌的作用下凝固,所述超声搅拌系统的输出功率为1kW,超声频率为20kHz;S4:所述液态熔池凝固后形成熔覆区,在所述熔覆区的试样温度为600-700℃时,使冲击头与所述熔覆区接触,利用超声冲击系统对熔覆区施加超声冲击,超声冲击系统的输出功率为1.5kW,超声频率为20kHz,振幅为150μm,持续时间为30s-4min。本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果:本专利技术针对现有外场辅助激光增材制造为单一的以增加液态熔池流动为目的、导致对粗大柱状晶难于调控的不足,提出采用双超声耦合辅助的新方法,分别对液态熔池增加搅拌作用和对激光增材制造的熔覆区进行冲击,利用大功率超声波的高频、高效和聚焦下的大能量,使固态金属表面产生较大的塑性变形,通过高频微塑变锻造处理,锻碎激光快速成形特有的规则树枝晶状组织,使其表面组织由铸态转变成锻态再结晶组织,使得新激光熔覆时熔池均以细小等轴晶(锻造组织)区域为界面进行形核凝固,从而控制粗大柱状晶形成,使晶粒本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双超声辅助激光增材制造装置,其特征在于:包括试样安装台架、超声搅拌系统、超声冲击系统和激光增材制造系统;所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统设置在所述试样安装台架的上侧,所述超声搅拌系统设置在所述试样安装台架的下侧,所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对设置,试样在经过所述激光增材制造系统后经过所述超声冲击系统。
【技术特征摘要】
1.一种双超声辅助激光增材制造装置,其特征在于:包括试样安装台架、超声搅拌系统、超声冲击系统和激光增材制造系统;所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统设置在所述试样安装台架的上侧,所述超声搅拌系统设置在所述试样安装台架的下侧,所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对设置,试样在经过所述激光增材制造系统后经过所述超声冲击系统。2.根据权利要求1所述的双超声辅助激光增材制造装置,其特征在于:所述超声搅拌系统包括第一超声波发生器、第一外壳、第一换能器、第一变幅杆和耦合机构;所述试样安装台架、所述耦合机构和所述第一变幅杆的工具头依次连接,所述第一变幅杆与所述第一换能器连接,所述第一换能器与所述第一超声波发生器电连接,所述第一换能器和所述第一变幅杆均设置在所述第一外壳内部。3.根据权利要求2所述的双超声辅助激光增材制造装置,其特征在于:所述第一超声波发生器的最大输出功率为1kW,所述第一超声波发生器输出的超声频率为20kHz。4.根据权利要求1所述的双超声辅助激光增材制造装置,其特征在于:还包括固定支架,所述超声冲击系统和所述激光增材制造系统分别通过一滑台支架与所述固定支架连接。5.根据权利要求4所述的双超声辅助激光增材制造装置,其特征在于:所述激光增材制造系统和所述超声冲击系统相对于所述试样安装台架同步运动。6.根据权利要求4所述的双超...
【专利技术属性】
技术研发人员:黄春平,林鑫,杨海欧,刘奋成,黄卫东,
申请(专利权)人:西北工业大学,南昌航空大学,
类型:发明
国别省市:陕西,61
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