本技术属于搅拌摩擦固相沉积增材制造技术领域,具体涉及一种快速调控高熵合金增强铝基复合材料的固相增材制造装置及方法。主要包括送料沉积系统和超声调控系统,超声调控系统固定安装在送料沉积系统的外侧面;送料沉积系统包括沉积螺杆,沉积螺杆的外侧设有螺杆外壳,螺杆外壳与沉积螺杆外侧形成连通空腔,连通空腔连接有原料箱,超声调控系统包括有换能器,换能器一端连接超声工具头,换能器的另一端连接超声发生器。基于现有搅拌摩擦焊机进行适配安装改造,装配简单,便于维修更换,降低了增材制造成本,提高了经济性;装置送料沉积和超声调控分离设计,超声振动不和主体装置直接接触,避免了超声振动引发装置共振,提高了装置整体使用寿命。
背景技术
增材制造技术是20世纪80年代发展起来的新型制造技术,是决定未来经济发展的十二大颠覆性技术之一。增材制造技术具有制造周期短、材料利用率高、个性化设计等优势,成功应用于航空航天、武器装备、轨道交通和医疗器械等领域。传统金属增材制造技术是依靠高能束流(激光、电子束、等离子束、电弧等)熔化凝固金属材料,并逐层沉积成型。由于存在熔化凝固,传统高能束流增材制造过程中,在金属材料内部易形成气孔、元素挥发、热裂纹等凝固组织缺陷,严重影响增材体的动态疲劳性能。
针对传统高能束流增材制造技术突出问题,研究者们基于搅拌摩擦焊原理,提出了搅拌摩擦固相增材制造技术。由于该技术增材制造过程中不存在熔化凝固,因此可有效避免熔化凝固导致的缺陷。但由于搅拌摩擦固相增材制造过程重复热循环输入、材料流动复杂导致组织性能不均匀等问题,使得制造高性能结构件中存在一定局限性。为了提高增材体成型性和综合力学性能,可引入超声振动进一步改善材料流动性和成型性,调控材料微观组织与综合力学性能。
铝基复合材料具有密度小、比强度高和导热性好等优势,高熵合金作为一种多主元合金,是由5种或5种以上主要元素组成,且每种主要的原子百分比在5at%~35at%。高熵合金由于较高位形熵,易形成FCC、BCC等简单固溶体,具有高强度、高耐磨性、高韧性等优点。高熵合金与金属基体热膨胀系数差值相对较小,并且作为增强颗粒和铝基体之间具有良好金属-金属界面结合能力,可形成稳定可靠的界面结合。由于细晶强化、位错强化等多种强化机制的作用,可实现复合材料的强度和塑形同步提升。
超声振动能作为一种机械能,主要是通过高频振动促进材料流动,调控加工温度,在诸多机械加工工艺中有较广泛应用。研究表明通过施加超声振动可在一定程度提高材料疲劳强度,此外超声振动在铝基复合材料增材过程中,可减小材料变形抗力,提高材料流动性,促进强化颗粒均匀分布。然而,目前该技术装置研发处于起步阶段,装备研发成本高,且超声振动难以有效施加在增材体上,超声振动作用效果不明显。
实现思路