增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法技术

本发明专利技术提供一种增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，通过搅拌摩擦处理同步在电弧熔丝增材制造中，利用搅拌摩擦处理的强塑性变形促使沉积态组织发生晶粒机械破碎，以及结合交叉搅拌摩擦的处理方式，获得超细晶网络组织结构；重复沉积过程使得原先发生强塑性变形的组织发生回复再结晶及晶粒长大，利用不同跨度搅拌摩擦处理使得沉积态组织晶粒梯度有序构筑，最终实现超细晶立体网络结构的构件材料的构筑。络结构的构件材料的构筑。络结构的构件材料的构筑。

【技术实现步骤摘要】
增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法


[0001]本专利技术涉及3D打印增材
，具体而言涉及一种增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法。

技术介绍

[0002]电弧熔丝增材制造(WAAM)以沉积效率高、材料率高、制造周期短、成本低等优势成为大型结构制造重要选择。同时，相比其他热源，对合金类型敏感低，适用于激光反射率高材质，特别是航空航天广泛应用的铝合金。尽管如此，对于以变形和沉淀强化为强韧机制的高强铝合金(2000、7000系列等)，仍存在诸多冶金瓶颈，如组织粗大、强化相类型及有序析出被破坏、气孔、热裂倾向显著等，导致性能不及锻件，效率与性能不匹配，难以满足大型承力结构件工程需求，因此提升WAAM铝合金强韧性是促进其工程应用的核心关键。WAAM铝合金组织、冶金缺陷形成与沉积过程循环重熔、热积累、温度梯度等造成的成分过冷不足密切相关，同时变形高强铝合金熔点低、液固共晶区间宽、元素易挥发、高裂纹敏感性元素多等本身特性加剧了组织缺陷形成。
[0003]依据增材制造特点，寻找最优结构
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制造
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组织
‑
性能
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效率适配方法，是促进技术发展的必要途径，也是充分发挥技术优势的必经之路。近年国内外学者发展了多种基于组织结构设计的强韧化方法，包括梯度纳米结构材料、基于Hashin和Shtrikman H
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S理论的颗粒网络构型增强复合材料等，对材料的综合性能提升起到了重要的价值。
[0004]金属所卢柯院士、卢磊教授先后十余次在Nature、Science等杂志发表学术成果，将纳米梯度结构在铜合金、铝合金等不同的材料中得到验证。Chen等人在NiTi合金中制备了中间层纳米晶由中心向表面梯度过渡，弹塑性等较大提升。
[0005]KeiAmeyama研究团队采用热压烧结将超细粉末与粗粉末混合，制备了具有叠层结构和空间网络分布结构合金，整体结构强度可从600MPa提升到1400MPa，相比叠层，空间网络具有更好的性能。
[0006]哈工大耿林、黄陆军等采用粉末冶金和原位自生制备TiBw/Ti一级空间网络结构和(TiBw+TiCp)、(TiBw+Ti5Si3)二级网络结构，实现了性能的提升。
[0007]在上述理论中，不改变材料组分情况下，构筑纳米梯度或者实现超细晶的网络结构化设计，能够在一定程度上构建局域网络结构，提高其强度和延伸率，但其构筑受到了限制，不能进行自由设计，且其性能提高受到了限制。

技术实现思路

[0008]本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，该方法将增材制造尤其是电弧熔丝增材制造和搅拌摩擦处理进行复合，通过搅拌和沉积路径优化设计，构筑超细晶连续梯度化、局域化、构型化空间有序分布，利用超细晶实现局域结构增强，突破增材效率与综合性能匹配的瓶颈。
[0009]根据本专利技术目的的第一方面，提供一种增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细
晶网络结构的方法，包括以下步骤：
[0010]根据待加工的构件的三维结构模型，规划增材制造工艺，并按照工艺程序在基板上从第一层开始以向上生长的方式逐层沉积，直到完成第N层的沉积，获得所需构件；
[0011]其中，在第一层至第N层沉积的过程中，每打印完成一层沉积层，均对该层进行搅拌摩擦处理，其中，采用横向搅拌摩擦和纵向搅拌摩擦正交交叉的方式进行搅拌摩擦处理，从而使每个沉积层形成以超细晶区为交汇点的网络结构，并使最终构件形成以超细晶区为交汇点的立体网络结构；其中，所述超细晶区为横向搅拌摩擦和纵向搅拌摩擦时的搅拌针的重叠区域。
[0012]作为可选的实施方式，在熔化沉积的过程中，通过熔化沉积的热传递，前一层沉积层从顶部至底部因受热呈现逐步降低的趋势，从而使前一层沉积层的搅拌摩擦处理部分沿着沉积方向呈现晶粒尺寸逐渐增加的晶粒梯度。
[0013]作为可选的实施方式，超细晶区呈现的晶粒梯度包括沿着沉积方向依次叠加的超细晶区、细晶区、等轴晶区和柱状晶区。
[0014]作为可选的实施方式，所述超细晶区的晶粒尺寸为0.5μm～2μm。
[0015]作为可选的实施方式，所述细晶区的晶粒尺寸为2μm～10μm。
[0016]作为可选的实施方式，所述等轴晶区的晶粒尺寸为5μm～20μm。
[0017]作为可选的实施方式，所述柱状晶区的晶粒尺寸大于20μm。
[0018]作为可选的实施方式，在搅拌摩擦处理过程中，根据密布超细晶区的立体网络结构的网格特征以及单个超细晶区的特征，规划和/或调节所述搅拌针插入沉积层的深度，搅拌针的直径，以及横向搅拌摩擦/纵向搅拌摩擦时单道次之间的距离、搭接率。
[0019]作为可选的实施方式，增加搅拌针的直径，以获得更宽的超细晶区域。
[0020]作为可选的实施方式，增加搅拌针插入沉积层的深度，以获得更深范围的超细晶区域更深。
[0021]作为可选的实施方式，在横向搅拌摩擦/纵向搅拌摩擦处理的过程中，相邻单道次之间的搭接率控制在0～70％。
[0022]作为可选的实施方式，减小横向搅拌摩擦和纵向搅拌摩擦时相邻单道次之间的搭接率，以减小相邻超细晶区域的间距。
[0023]作为可选的实施方式，针对待加工的构件，在横向搅拌摩擦/纵向搅拌摩擦处理的过程中，单道次之间相互平行。
[0024]作为可选的实施方式，相邻单道次之间的间隔距离相等，间隔距离为2～8mm。
[0025]作为可选的实施方式，当搅拌针插入某一沉积层的深度与该沉积层的厚度相等时，则在搅拌摩擦处理时，搅拌针插入该沉积层后到达沉积层的底部，使超细晶区域的深度达到整个沉积层，且可形成沿着沉积方向依次呈现的超细晶区、细晶区、等轴晶区和柱状晶区的晶粒梯度。
[0026]作为可选的实施方式，当搅拌针插入某一沉积层的深度小于该沉积层的厚度时，超细晶区域的深度即为搅拌针插入的深度，则通过搅拌摩擦处理在该沉积层形成沿着沉积方向依次呈现的原始柱状晶区、超细晶区、细晶区、等轴晶区和柱状晶区的晶粒梯度。
[0027]作为可选的实施方式，针对待加工的构件，在横向搅拌摩擦/纵向搅拌摩擦处理的过程中，搅拌针插入沉积层的深度保持一致。
[0028]作为可选的实施方式，所述搅拌摩擦处理，工艺范围包括：
[0029]搅拌针直径为1～4mm；
[0030]搅拌头旋转速度为400
‑
1800r/min；
[0031]下压力为10000
‑
50000N；
[0032]搅拌头给进速度为150
‑
600mm/min；以及
[0033]搅拌针的长度为1
‑
5mm。
[0034]作为可选的实施方式，所述增材制造工艺为金属送丝增材制造工艺或者金属送粉增材制造工艺。
[0035]作为可选的实施方式，所述方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：根据待加工的构件的三维结构模型，规划增材制造工艺，并按照工艺程序在基板上从第一层开始以向上生长的方式逐层沉积，直到完成第N层的沉积，获得所需构件；其中，在第一层至第N层沉积的过程中，每打印完成一层沉积层，均对该层进行搅拌摩擦处理，其中，采用横向搅拌摩擦和纵向搅拌摩擦正交交叉的方式进行搅拌摩擦处理，从而使每个沉积层形成以超细晶区为交汇点的网格结构，并使最终构件形成以超细晶区为交汇点的立体网络结构；其中，所述超细晶区为横向搅拌摩擦和纵向搅拌摩擦时的搅拌针的重叠区域。2.根据权利要求1所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，在熔化沉积的过程中，通过熔化沉积的热传递，前一层沉积层从顶部至底部因受热呈现逐步降低的趋势，从而使前一层沉积层的搅拌摩擦处理部分沿着沉积方向呈现晶粒尺寸逐渐增加的晶粒梯度。3.根据权利要求2所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，超细晶区呈现的晶粒梯度包括沿着沉积方向依次叠加的超细晶区、细晶区、等轴晶区和柱状晶区。4.根据权利要求1～3中任意一项所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，所述超细晶区的晶粒尺寸为0.5μm～2μm。5.根据权利要求2所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，所述细晶区的晶粒尺寸为2μm～10μm。6.根据权利要求2所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，所述等轴晶区的晶粒尺寸为5μm～20μm。7.根据权利要求2所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，所述柱状晶区的晶粒尺寸大于20μm。8.根据权利要求1所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，在搅拌摩擦处理过程中，根据密布超细晶区的立体网络结构的网格特征以及单个超细晶区的特征，规划和/或调节所述搅拌针插入沉积层的深度，搅拌针的直径，以及横向搅拌摩擦/纵向搅拌摩擦时单道次之间的距离、搭接率。9.根据权利要求1所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，增加搅拌针的直径，以获得更宽的超细晶区域。10.根据权利要求1所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，增加搅拌针插入沉积层的深度，以获得更深范围的超细晶区域更深。11.根据权利要求1所述的增材制造复合搅拌摩擦处理有序构筑超细晶网络结构的方法，其特征在于，在横向搅拌摩擦/纵向搅拌摩擦处理的过程中，相邻单...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙中刚，严启鹏，郭艳华，戴国庆，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：