基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，将超声冲击处理的超声氧化效应和元素转移效应用到电弧増材制造过程中，有效改善了电弧增材金属构件微观组织，提升了综合力学性能。在电弧增材制造的同时对已成形构件进行超声冲击处理；超声冲击过程中所采用的冲击针具有特定的化学成分，且其硬度小于或等于构件金属的硬度，在超声冲击氧化效应下使冲击针元素在构件的分层表面形成氧化物，该氧化物在后续打印过程中与构件所用金属同时熔化，形成熔池，并与熔池中发生冶金反应，形成微小颗粒状状氧化物，进而影响金属结晶方式和固态相变。结晶方式和固态相变。结晶方式和固态相变。

【技术实现步骤摘要】
基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法及其应用


[0001]本专利技术涉及电弧增材制造领域，尤其涉及一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法及其应用。

技术介绍

[0002]电弧增材制造技术(Wire+Arc Additive Manufacturing，WAAM)利用焊接电弧为热源、金属丝材为原料进行增材制造，具有高熔覆率，低材料和设备消耗、较好结构完整性等特点，可有效弥补锻造和铸造技术在较复杂结构件制造方面的不足，具有广泛应用前景。但电弧增材常具备以下几个方面的不足：1，电弧增材制造熔池金属的结晶一般是以凝固金属边缘形核，外延生长，故熔池中以柱状晶为主，而电弧增材制造的热源一般是高能点热源，电弧局部加热材料且移动工作，造成局部材料急速加热，急速冷却，熔池液态金属在在结晶过程中有较大的温度梯度。为柱状晶的成长提供了更为有利的条件，故熔池内更容易形成粗大的柱状晶，进而影响到电弧增材制造构件的综合力学性能。2，电弧增材制造金属各区域局部经历多次不平衡热循环作用，导致其残余应力较大，且应力状态复杂。3，电弧增材制造过程中，熔池金属在自由状态下凝固，未经锻造或轧制等塑性加工处理，故凝固金属中容易出现气孔、未熔合等“空洞”类缺陷。这些缺陷都是影响电弧増材构件服役寿命的重要因素，因此降低或消除电弧增材的各种组织缺陷、调控其残余应力水平对于提升电弧增材构件的综合力学性能，保障构件的质量和服役可靠性具有重要意义。
[0003]目前改善电弧增材制造金属构件组织和降低缺陷的方法有机械处理方法，如对焊道进行碾压、钢针或硬质合金针超声冲击处理；温度调控方法如打印过程中采用水冷、液态二氧化碳等介质强制冷却方法等让构件快速冷却从而降低晶粒长大倾向等。就超声冲击处理而言，目前的研究多是采用超声处理使得构件产生塑性变形，进而弥合气孔、未熔合等“空洞”类缺陷。如中国专利CN108067705A提供了一种CMT
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超声冲击复合增材制造的方法，其在电弧增材制造的同时进行超声冲击处理，以使得构件表面发生塑性变形，进而减少成形构件中气孔数量和气孔体积。又如中国专利CN111687553A提供了一种超声冲击改善电弧增材制造结构件残余应力分布的方法，其在残余应力的焊道处进行超声冲击处理，以消除残余应力。
[0004]奥氏体晶内针状铁素体(Acicular Ferrite，AF)是一种细针状分布、具有大角度晶界的相互连锁组织，该组织具有良好强韧性和良好抗断裂性，能提高钢材的强度和韧性，还能使钢材抗解理断裂能力增强，进而提高金属材料和构件的抗应力腐蚀能力和抗氢脆能力也明显提高，且构件中针状铁素体含量越高，其综合性能越好。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其可提升构件的综合力学性能。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术公开了一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调
控方法，在电弧增材制造的同时采用特定成分、硬度的冲击针对已成形构件进行超声冲击处理；
[0007]所述冲击针包含以下元素中的一种或几种：Ti，Al，V，Mg，Ca，Mn，Si，Ni，Mo，Zr；超声冲击处理前构件表面的温度为150～300℃；
[0008]所述冲击针的硬度小于或等于构件金属的硬度，以使冲击针在超声冲击氧化效应下使冲击针元素在构件的分层表面形成氧化物，该氧化物在后续打印过程中与构件所用金属同时熔化，形成熔池，并与熔池中发生冶金反应，形成微小颗粒状氧化物，进而影响金属结晶方式和固态相变。
[0009]本专利技术在电弧增材制造的同时对已凝固金属进行超声冲击处理，其具备三个方面的作用：
[0010]一是诱导材料发生再结晶、细化晶粒、均匀化组织。具体的，超声冲击处理的冲击针不断以一定强度冲击电弧增材制造的金属，使电弧増材金属冲击区域的材料发生了塑性变形，使晶格发生歪扭，晶粒破碎，且致使凝固金属发生塑性变形，具备一定的塑性储能，为已凝固金属在后续电弧增材制造热循环作用下发生再结晶提供条件，进一步细化晶粒，均匀化组织，改善材料综合力学性能。
[0011]二是使电弧増材金属冲击区域的材料发生了塑性变形，在小区域内具有锻造效果，弥合了打印金属内的空洞类缺陷。
[0012]三是通过超声冲击处理氧化效应，形成利于针状铁素体形核的球状氧化物，促进晶内针状铁素体形成，进而提升材料综合力学性能。具体的，本专利技术中采用的冲击针的冲的硬度等于或小于电弧增材制造金属构件的硬度，这样冲击针尖端在超声冲击作用下破碎，形成小颗粒并形成氧化物，该类氧化物在后续的打印过程中，和表层增材金属同时被熔化形成熔池，并经历冶金反应，形成特定成分、特定尺寸的微小夹氧化物颗粒，这些氧化物颗粒成为针状铁素体的形核剂，促使奥氏体晶内针状铁素体的形核，并最终形成诸多不同晶界方向的针状铁素体，进而提升材料综合力学性能。当超声冲击处理和电弧增材同步进行时，超声振动对熔池液态金属有搅拌作用，进一步细化晶粒。
[0013]即，本专利技术将超声冲击处理的机械强化效应、氧化效应和元素转移效应用到电弧増材制造过程中，有效提升了制造所得构件的综合力学性能。
[0014]具体的，在本专利技术的一个实施例之中，当构件打印过程中同一轨迹长度大于1m，且同一轨迹上没有重复路径时，电弧增材制造与超声冲击处理同步进行。即采用电弧在前，超声冲击枪紧随其后的方式。具体的，两者之间的距离按照下述公式计算：
[0015]L＝T
·
v
[0016]其中，L为电熔头与超声冲击头之间的距离，T为构件分层冷却至150～300℃所需的时间，v为电熔头移动的速度。
[0017]具体的，在本专利技术的一个实施例之中，当构件打印过程中同一轨迹的长度＜1m，或当构件打印过程中路径重复时，先采用电弧增材制造完一层金属，然后采用超声冲击处理。即在打印完一层金属后暂停打印，启动超声冲击处理该层金属，待冲击处理完成后，再重新启动增材制造，开始增材制造下一层金属。
[0018]具体的，在本专利技术的一个实施例中，超声冲击处理时，超声冲击枪的移动速度为0.5～3m/min，冲击强度为1～3s/mm2，冲击频率为100～200Hz，超声冲击枪电源的功率为
300W～1500W，发生频率为15～35kHz。需要说明的是，本专利技术中超声冲击处理的具体工艺参数不限于上述范围，本领域技术人员可根据打印构件的材质、大小、分层参数等对超声冲击处理的参数进行调整。
[0019]具体的，在本专利技术的一个实施例之中，冲击针为整体圆柱形、锥形或带扁尖的圆柱形，但不限于此。优选的为锥形或带扁尖的圆柱形。冲击针的长度为30～50mm，但不限于此；冲击针的直径为3～4mm(圆柱形，则为柱形直径；圆锥形，则为锥形底面的直径)，但不限于此。
[0020]具体的，在本专利技术的一个实施例中，当构件所用金属中含有Mn时，所述冲击针含有Ti、Al、V。该类冲击针进行超声冲击处理，容易形成Ti氧化物(TiO，Ti2O3)和Al2O3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，在电弧增材制造的同时采用的冲击针对已成形构件进行超声冲击处理；所述冲击针包含以下元素中的一种或几种：Ti，Al，V，Mg，Ca，Mn，Si，Ni，Mo，Zr；超声冲击处理前构件表面的温度为150～300℃；所述冲击针的硬度小于或等于构件金属的硬度，以使冲击针在超声冲击氧化效应下使冲击针元素在构件的分层表面形成氧化物，该氧化物在后续打印过程中与构件所用金属同时熔化，形成熔池，并与熔池中发生冶金反应，形成微小颗粒状氧化物，进而影响金属结晶方式和固态相变。2.如权利要求1所述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，当构件打印过程中同一轨迹长度大于1m，且同一轨迹上没有重复路径时，电弧增材制造与超声冲击处理同步进行。3.如权利要求1所述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，当构件打印过程中同一轨迹的长度＜1m，或当构件打印过程中路径重复时，先采用电弧增材制造完一层金属，然后采用超声冲击处理。4.如权利要求2所述的基于超声冲击处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘川，王凯，丁东红，丁宗业，黎小辉，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：