本技术介绍了一种超声波共振辅助的高熔点金属丝材直接沉积增材制造装置与方法。该装置集成了送丝系统、智能控制系统、超声共振系统、电磁感应加热装置、三轴移动平台和预热衬底装置,旨在提高高熔点金属丝材的增材制造效率和质量。
背景技术
增材制造工艺属于材料成型和连接的方法之一,其材料的成型和连接同时或按顺序进行。材料的成型和连接从本质上来看是金属中的位错等缺陷沿着滑移面滑动开始的,连接涉及金属相邻域之间跨边界或界面的质量交换。扩散或平流混合等传质过程推动了连接中界面的熔合。成型和连接都需要能量输入来克服初始能量障碍并维持这些过程的连续性。除了用于驱动这些过程的能量输入外,还可以使用额外的能量来协助这些过程,以允许更大的变形量,或加速扩散行为。
目前可用的金属增材制造工艺中,包括激光或电子束增材制造、聚合物粘结剂沉积、超声波增材制造和搅拌摩擦焊接增材技术;激光和电子束增材制造沿着规定的路径熔化金属粉末或金属丝与母材结合形成熔池,随后凝固,逐行、逐层形成固体物体;聚合物粘结剂沉积是通过粘合剂与金属颗粒一起烧结成型的技术;超声波增材制造和搅拌摩擦焊接增材技术是使用局部摩擦热熔和机械应变来塑造原料材料并将其连接成固体。
超声共振辅助沉积(URAD)方法通过将超声振动和增材制造相结合,金属丝材经过超声振动软化,经过挤压变形与基板和已沉积层紧密结合。与粉末床熔融和定向能量沉积相比,超声共振沉积无需熔化金属丝材或粉末,而是利用超声振动诱导金属丝材软化和固态连接,实现“冷态”成型;与超声搅拌摩擦焊和超声粉末沉积技术相比,超声共振沉积的振动频率更高、振幅更小,可以实现更精准的能量输入和塑性流动控制;超声振动有应变促进效应,可以加速原子扩散,使金属丝材在冷态下实现冶金结合。
超声共振辅助沉积属于一种新型发展的增材制造技术,目前已经在6061、7075铝合金上实现了较好的打印效果,但对于高熔点金属材料,如钛合金、高温合金、高强钢等仅仅通过超声振动产生的热量不足以使这些材料达到软化状态,无法实现其冶金结合。
电磁感应加热是一种利用电磁感应原理将电能转化为热能的加热方式。其基本原理是通过高频电流在导体内部产生涡流,进而使导体自身发热;相比传统加热方式,电磁感应加热具有加热速度快、效率高、温度控制精确、加热均匀等优点。
实现思路