一种全过程残余应力调控的复合增材制造设备及制造方法技术

本发明专利技术公开了一种全过程残余应力调控的复合增材制造设备，包括多轴运动平台

【技术实现步骤摘要】
一种全过程残余应力调控的复合增材制造设备及制造方法


[0001]本专利技术属于金属材料增材制造和激光冲击强化
，涉及一种全过程残余应力调控的复合增材制造设备及制造方法
。

技术介绍

[0002]增材制造技术
(AdditiveManufacturing
，
AM)
，是在计算机辅助设计
、
数字模型和先进材料加工成形技术基础上，通过数控技术将材料按照烧结
、
熔融
、
光固化
、
喷射等方式进行逐层堆积，制造实际结构
、
部件的新型制造技术
。
相比传统机械加工的减材制造和组装装配的模式不同，是一种“自下而上”的堆积累加制造方法
。
尤其在金属
/
合金材料增材制造方面，美国波音
、GE、
普惠，英国罗
‑
罗和德国
MTU
等公司都已将该技术应用于制造飞机
、
航空发动机等重大装备复杂部件制造，可大大降低复杂部件制造难度和经济成本，显著提高部件制造效率
。
[0003]目前，金属
/
合金材料增材制造过程中原材料一般采用送丝
、
送粉
、
铺粉等方式进给，原材料成分即决定了增材制造部件的成分，增材制造过程只是控制高能束参数及与原材料的作用轨迹，从而制造不同形状
、
尺寸的部件
。
其中，基于送丝
、
送粉的定向能沉积增材制造方法具有成型尺寸大
、
打印速度快，效率高等优势，得到广泛应用，并成功用于大型结构增材制造工程中
。
金属材料增材制造过程，本质上是一种金属粉末在高能束作用下快速熔融与凝固的材料成型过程，是一种极端条件下的非平衡状态，容易因非均匀性而形成内部残余拉应力，导致增材制造材料
/
结构的疲劳性能差，甚至在增材制造过程中或后发生开裂
。
因此，实际工程中，增材制造材料
/
结构往往需要进行退火热处理，消除内部残余应力，但是，退火热处理只能在增材制造过程后对残余应力进行事后调控，增材过程中因残余应力导致的变形
、
开裂等问题仍无法解决
。
此外，退火热处理只能消除增材制造材料
/
结构内部的残余拉应力，但增材制造材料
/
结构的致密度低
、
微缺陷等导致其疲劳性能仍无法达到锻造材料水平，制约其工程应用
。
[0004]超声波是一种波长极短的机械波，是由物质振动而产生的，并且只能在介质中传播，在空气中波长一般短于
2cm、
频率高于
20KHZ。
超声波在空气中传播时极易散射
、
耗损，传播距离短，但在固体中传播距离较长
。
超声波是一种机械波，具有明显的机械效应，可以与物质发生相互作用，使微观结构发生显著变化，例如：在金属材料成型过程中，超声波对晶粒形核
、
长大和材料凝固
、
内应力形成等过程具有很好的调节作用
。
激光冲击强化技术
(LaserShock Peening,LSP)
是一种表面塑性强化技术，是通过短脉冲
(
纳秒量级
、
甚至皮秒
/
飞秒量级
)、
高功率
(GW/cm2
级
)
激光与物质相互作用产生高压
(GPa
量级
)
等离子体冲击波，利用冲击波力学效应使金属材料表层发生塑性变形，形成残余压应力和微观组织改善，从而显著提升材料的抗疲劳性能
。
[0005]因此，针对传统金属增材制造方法因内部残余拉应力过大而导致材料
/
结构变形
、
开裂等问题，急需将高能超声波和高压冲击波有机融入增材制造过程中，专利技术一种复合增材制造设备和制造方法，显著提高增材制造材料
/
结构的疲劳性能
。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种全过程残余应力调控的复合增材制造设备及制造方法，通过在增材制造过程中，引入高能超声波和高压冲击波，实现了对增材制造过程中部件内部残余拉应力的在线调控和增材制造过程后部件表层残余压应力的预制，显著提升增材制造部件的疲劳性能
。
[0007]本专利技术公开的一种全过程残余应力调控的复合增材制造设备，包括：
[0008]多轴运动平台，包括地座和用于承载增材制造部件的增材制造基板，所述增材制造基板以可周向转动且可在轴向摆动的方式安装于地座；
[0009]增材制造系统，包括高能超声波激励模块
、
机械加工模块
、
定向能沉积增材制造模块和激光冲击强化表面处理模块，所述高能超声波激励模块包括多个超声波激励器，多个所述超声波激励器均布于所述增材制造基板的下方位置处；机械加工模块包括用于对待处理的增材制造部件执行机械加工作业的机械加工头；定向能沉积增材制造模块包括激光熔覆装置，所述激光熔覆装置设置有用于进行增材制造的激光熔覆头；激光冲击强化表面处理模块包括激光冲击强化装置，所述激光冲击强化装置设置有激光冲击强化头；所述机械加工头
、
激光熔覆头和激光冲击强化头沿所述增材制造基板的周向布置；
[0010]综合控制装置，所述综合控制装置用于控制多轴运动平台转动和摆动；所述综合控制装置还用于控制增材制造系统进行增材制造
。
[0011]进一步，所述多轴运动平台还包括转动运动机构和摆动运动机构，所述转动运动机构以可周向转动的方式安装于地座，所述摆动运动机构包括摆动驱动件和摆动盘，所述摆动盘通过摆动驱动件安装于所述转动运动机构的顶部，所述摆动盘可被摆动驱动件驱动的在轴向单自由度摆动
。
[0012]进一步，所述增材制造基板固定设置于所述摆动盘的顶面，所述超声波激励器设置于所述增材制造基板与摆动盘之间的位置处
。
[0013]进一步，所述增材制造系统还包括机械臂组，所述机械臂组由多个机械臂依次铰接构成，所述机械臂组至少设置有三组，所述机械加工头
、
激光熔覆头和激光冲击强化头分别对应的安装于三个机械臂组的末端
。
[0014]本专利技术还公开了一种复合增材制造方法，基于前述的全过程残余应力调控的复合增材制造设备，该方法具体包括以下步骤：
[0015]S1
：建立待处理的增材制造部件的三维模型并进行应力分析；利用三维画图软件和有限元软件，对待处理的增材制造部件进行三维模型建立和部件疲劳工作应力分布分析，获得部件增材制造的三维切片模型，明确增材制造部件的疲劳薄弱部位；
[0016]S2<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种全过程残余应力调控的复合增材制造设备，其特征在于：包括：多轴运动平台，包括地座和用于承载增材制造部件的增材制造基板，所述增材制造基板以可周向转动且可在轴向摆动的方式安装于地座；增材制造系统，包括高能超声波激励模块
、
机械加工模块
、
定向能沉积增材制造模块和激光冲击强化表面处理模块，所述高能超声波激励模块包括多个超声波激励器，多个所述超声波激励器均布于所述增材制造基板的下方位置处；机械加工模块包括用于对待处理的增材制造部件执行机械加工作业的机械加工头；定向能沉积增材制造模块包括激光熔覆装置，所述激光熔覆装置设置有用于进行增材制造的激光熔覆头；激光冲击强化表面处理模块包括激光冲击强化装置，所述激光冲击强化装置设置有激光冲击强化头；所述机械加工头
、
激光熔覆头和激光冲击强化头沿所述增材制造基板的周向布置；综合控制装置，所述综合控制装置用于控制多轴运动平台转动和摆动；所述综合控制装置还用于控制增材制造系统进行增材制造
。2.
根据权利要求1所述的全过程残余应力调控的复合增材制造设备，其特征在于：所述多轴运动平台还包括转动运动机构和摆动运动机构，所述转动运动机构以可周向转动的方式安装于地座，所述摆动运动机构包括摆动驱动件和摆动盘，所述摆动盘通过摆动驱动件安装于所述转动运动机构的顶部，所述摆动盘可被摆动驱动件驱动的在轴向单自由度摆动
。3.
根据权利要求2所述的全过程残余应力调控的复合增材制造设备，其特征在于：所述增材制造基板固定设置于所述摆动盘的顶面，所述超声波激励器设置于所述增材制造基板与摆动盘之间的位置处
。4.
根据权利要求1所述的全过程残余应力调控的复合增材制造设备，其特征在于：所述增材制造系统还包括机械臂组，所述机械臂组由多个机械臂依次铰接构成，所述机械臂组至少设置有三组，所述机械加工头
、
激光熔覆头和激光冲击强化头分别对应的安装于三个机械臂组的末端
。5.
一种复合增材制造方法，基于权利要求1‑4任一权利要求所述的全过程残余应力调控的复合增材制造设备，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
S1
：建立待处理的增材制造部件的三维模型并进行应力分析；利用三维画图软件和有限元软件，对待处理的增材制造部件进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂祥樊，王亚洲，周鑫，何光宇，安志斌，何卫锋，梁晓晴，罗思海，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：