一种改善增材制造晶粒尺寸的方法技术

本发明专利技术公开一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，在CMT增材制造中进行超声振动，并对已经成形的构件表面进行超声冲击处理，以使构件表面发生塑性变形，构件表层晶粒被细化。本发明专利技术采用CMT和超声振动的复合增材制造，并在制造后进行超声冲击处理，构件的晶粒尺寸减小，从而提高增材制造构件的致密度以及力学性能。

A method to improve the grain size of additive

The invention discloses a method for improving the grain size of the additive manufacturing, in which ultrasonic vibration is carried out in the additive manufacturing of CMT, and ultrasonic impact treatment is carried out on the formed component surface to make the component surface plastic deformation and the component surface grain is refined. The invention adopts the compound additive of CMT and ultrasonic vibration for manufacturing, and carries out the ultrasonic impact treatment after manufacturing, the grain size of the component decreases, so as to improve the densification and mechanical properties of the additive manufacturing component.

【技术实现步骤摘要】
一种改善增材制造晶粒尺寸的方法
本专利技术涉及电弧增材制造领域，更加具体地说，尤其涉及一种改善增材制造晶粒尺寸的方法。
技术介绍
冷金属过渡(coldmetaltransfer,CMT)技术是奥地利福尼斯公司在钢与铝焊接、无飞溅引弧技术以及微连接技术基础之上开发成功的一种低热输入量焊接工艺。CMT技术的创新之处在于将熔滴过渡与送丝过程相结合，真正实现了无飞溅焊接；由于对熔滴过渡过程的有效控制，在降低焊接热输入的同时可以实现金属构件电弧增材制造的成形控制。增材制造(additivemanufacturing,AM)技术是通过采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的切削加工技术，是一种自下而上材料累加的制造方法。但是，利用CMT焊接技术进行金属构件电弧增材制造时，成形的大量柱状晶，对构件力学性能有一定影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，在CMT增材制造中使用超声冲击处理基板并逐层超声冲击的方法，构件的晶粒尺寸减小，从而提高增材制造构件的致密度以及力学性能。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，在CMT增材制造过程中，在基板上进行超声振动(即针对基板的超声冲击)，以确保增材制造过程中，均有超声振动作用于基板；在每一层CMT增材制造后(即堆焊一层焊缝后)即在焊缝凝固成型之前对焊缝进行超声冲击处理，超声冲击设备的输出端始终垂直于焊缝表面(即超声冲击设备的输出端位于焊缝表面的法线方向)，对每一道焊缝的超声冲击位于焊缝的顶端和两侧(即从焊缝的横截面来看，超声冲击的位置在焊缝的顶端和两侧)，即一个垂直向下方向和两个水平方向。而且，基板为铝合金6061、镁合金AZ31或者钛合金TA15。而且，CMT焊丝为ER4043，焊丝选用采用直流冷金属过渡技术(coldmetaltransfer,CMT)进行铝合金电弧增材制造。而且，利用CMT铝合金一元化程序进行增材制造，即通过设定送丝速度，焊接过程中，焊接电流，焊接电压根据一元化程序自动匹配，CMT冷金属过渡焊采用铝合金程序，平均电流为80—90A，平均电压为20—25V，送丝速度为4—6m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。而且，超声振动作用于基板的位置，距离CMT增材制造的构件80—100mm，将超声频率调为20—40kHz，振幅为20—35μm，在堆焊(即增材制造)前超声振动开启，堆焊结束后关闭超声振动，确保堆焊过程中，均有超声振动作用于基板。而且，将超声冲击枪随着CMT焊枪一起运动且位于CMT焊枪之后(即超声冲击随焊CMT且位于CMT焊枪之后)，随焊过程中超声冲击始终作用于基板，产生对CMT增材制造的超声作用。而且，针对基板的超声振动或者针对CMT增材制造层的超声冲击采用多排多针冲击头进行超声振动。而且，对每一CMT增材制造层(即每一道焊缝)的超声冲击采用焊缝的顶端和两侧同时进行超声冲击的方式。而且，对每一CMT增材制造层(即每一道焊缝)的超声冲击采用先对焊缝顶端进行超声冲击，再先后对焊缝两侧进行超声冲击。而且，对每一CMT增材制造层(即每一道焊缝)的超声冲击位于焊缝的顶端和两侧，选择适当超声冲击设备的输出端，以对已成形的焊缝表面(即增材制备形成的构件表面)完全进行冲击。而且，对每一CMT增材制造层的超声冲击处理，参数如下：频率为10—30kHz，输出功率为1000—1500W，输出振幅为100±5μm，优选频率为20—30kHz，输出功率为1200—1500W，输出振幅为100±5μm。而且，超声冲击在每一CMT增材制造层后旋即在焊缝凝固成型之前进行，无论是分步还是同时进行超声冲击，超声冲击施加全过程在收弧后2min内完成，控制速度为300mm-700mm/min。而且，在焊缝顶端垂直施加超声冲击时，使超声冲击设备在自重作用下对焊缝表面进行冲击处理，在焊缝两侧水平施加超声冲击时，使用超声冲击设备对焊缝表面施加作用力，作用力与在焊缝顶端垂直施加超声冲击时作用力相同(即超声冲击设备的自重)。上述改善增材制造晶粒尺寸的方法，采用针对基板的超声振动和针对焊缝的超声冲击相结合的CMT复合增材制造方法，在超声振动CMT电弧堆焊后，对已成形的构件表面进行超声冲击处理，构件表面发生塑性变形，构件表层晶粒被细化，之后，继续在已经超声冲击的表面层进行下一层超声振动堆焊，堆焊过程反复进行，堆焊可达50层，得到晶粒被细化的构件，由于超声冲击作用，试件表面发生塑性变形，同时通过超声冲击，构件表面发生明显的塑性变形，近表层微观组织被击碎，从而构件表面的晶粒得到细化，由于CMT焊热输入小，堆焊时，熔深较浅，被冲击细化的晶粒并没有被完全熔化，因此，逐层超声冲击具有细化晶粒的效果。在CMT电弧增材制造的同时在基板上进行超声振动。施加超声振动后，可获得具有细小均匀的非枝晶组织的构件。由于超声振动的空化作用和声流效应，凝固前对熔池施加超声，产生大量微泡核心，这些微泡核心保留下来而成为形核核心，使凝固组织得到细化；凝固过程中，由于超声作用，枝晶出现断裂，导致了细小均匀组织的形成，从而有效提高构件的力学性能；采用超声冲击进行焊后处理，由于超声冲击处理时，焊缝(即堆焊构件)内部尚未完全凝固，超声冲击部分作用能量传导至CMT焊接的液态熔池中，可以减少残余应力，细化晶粒，堆焊构件(CMT增材制造层)表面无明显塑性变形，在逐层累加的过程中，内部晶粒会沿着散热方向生长，容易形成柱状晶在每一道焊后(即每一层增材制造护着堆焊后)均施加超声冲击，利用超声波冲击金属构件表面，使内部晶粒在凝固过程中破碎，可起到细化晶粒的目的，提高了增材构件的力学性能。附图说明图1为本专利技术使用的LM-30型超声设备实物图。图2为本专利技术超声冲击和CMT复合增材制造示意图。图3为本专利技术对CMT增材制造构件表面进行超声冲击的示意图(1)。图4为本专利技术对CMT增材制造构件表面进行超声冲击的示意图(2)。图5为本专利技术实施例中增材制造构件的金相显微组织照片，其中(a)未处理；(b)超声振动-超声冲击。图6为本专利技术实施例中增材制造构件的显微硬度测试曲线图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案：本专利技术涉及的金属电弧增材制造试验基板为铝合金6061，基板尺寸为300×150×4mm，焊丝选用ER4043。采用直流冷金属过渡技术(coldmetaltransfer,CMT)进行铝合金电弧增材制造试验。试验设备选用CMT焊机为福尼斯公司的CMTAdvanced4000型焊机。表1材料成分表试验前用钢丝刷将铝合金基板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将堆焊处表面各约30-40mm范围内的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜；设定焊接参数，平均电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，在CMT增材制造过程中，在基板上进行超声振动(即针对基板的超声冲击)，以确保增材制造过程中，均有超声振动作用于基板；在每一层CMT增材制造后(即堆焊一层焊缝后)即在焊缝凝固成型之前对焊缝进行超声冲击处理，超声冲击设备的输出端始终垂直于焊缝表面(即超声冲击设备的输出端位于焊缝表面的法线方向)，对每一道焊缝的超声冲击位于焊缝的顶端和两侧(即从焊缝的横截面来看，超声冲击的位置在焊缝的顶端和两侧)，即一个垂直向下方向和两个水平方向。/n

【技术特征摘要】
1.一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，在CMT增材制造过程中，在基板上进行超声振动(即针对基板的超声冲击)，以确保增材制造过程中，均有超声振动作用于基板；在每一层CMT增材制造后(即堆焊一层焊缝后)即在焊缝凝固成型之前对焊缝进行超声冲击处理，超声冲击设备的输出端始终垂直于焊缝表面(即超声冲击设备的输出端位于焊缝表面的法线方向)，对每一道焊缝的超声冲击位于焊缝的顶端和两侧(即从焊缝的横截面来看，超声冲击的位置在焊缝的顶端和两侧)，即一个垂直向下方向和两个水平方向。


2.根据权利要求1所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，基板为铝合金6061、镁合金AZ31或者钛合金TA15；CMT焊丝为ER4043。


3.根据权利要求1或者2所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，利用CMT铝合金一元化程序进行增材制造，即通过设定送丝速度，焊接过程中，焊接电流，焊接电压根据一元化程序自动匹配，CMT冷金属过渡焊采用铝合金程序，平均电流为80—90A，平均电压为20—25V，送丝速度为4—6m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。


4.根据权利要求1所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，超声振动作用于基板的位置，距离CMT增材制造的构件80—100mm，将超声频率调为20—40kHz，振幅为20—35μm或者将超声冲击枪随着CMT焊枪一起运动且位于CMT焊枪之后(即超声冲击随焊CMT且位于CMT焊枪之后)，随焊过程中超声冲击始终作用于基板，产生对CMT增材制造的超声作用。


5.根据权利要求1所述的一种改善增材制造晶粒尺寸的方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡绳荪，田银宝，申俊琦，勾健，王万东，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12