一种超声振动辅助激光熔化沉积的增材制造方法

本发明涉及增材制造，特别是涉及一种利用超声振动辅助激光熔化沉积的增材制造方法。

背景技术：

1、激光熔化沉积(laser melting deposition，lmd)是一种利用激光将金属原料熔化来创建新零件或修改现有零件几何形状的工艺。与传统制造技术相比，激光熔化沉积缩短了产品开发时间，能够制造具有复杂结构的部件，提高原材料利用效率并降低能耗，被广泛应用于钛合金制造。

2、与此同时，由于目前激光熔化沉积商用机器的制造商数量有限，许多用户自己设计和集成激光熔化沉积所需的组件，不同集成设备之间差别很大，例如激光器的类型和波长在不同的激光熔化沉积机器之间有所不同，包括光纤、co2或nd:yag激光器，功率在1至5kw范围内。由此产生的主要问题是，不同设备研究出的最佳打印参数相差很多，相同参数在不同设备之间打印出的样品差别很大，尤其当激光功率受到限制时，未熔合缺陷是一个无法避免的问题，对于熔点较高或者难焊合金，工艺窗口的范围因此而受到限制。

3、目前，现有技术主要通过引入后处理来改善缺陷，进而优化其性能。例如，将增材制造的钛合金加热到预定温度，之后在其两端施加压力，使其打印过程中产生的缺陷发生闭合，然而，这种后处理会增加处理时间和能源消耗，显著降低增材制造的效率。

4、因此，开发不需要额外后处理的激光熔化沉积处理方式，来改善增材制造合金中的缺陷以及扩大工艺窗口有着重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超声振动辅助激光熔化沉积的增材制造方法，以解决现有激光熔化沉积样品存在未熔合缺陷的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种超声振动辅助激光熔化沉积的增材制造方法，包括以下步骤：

4、在激光熔化沉积过程中同步采用超声振动对激光熔化沉积区域进行超声处理，进行增材制造。

5、进一步地，所述激光熔化沉积的激光功率为1000-2400w；所述超声振动的振幅为0-100％，且不为0％。

6、进一步地，所述增材制造所用的材料为钛合金、钛基复合材料、不锈钢或niti合金。

7、进一步地，所述钛合金为ti6al4v合金。

8、进一步地，采用粉体或丝材进行所述增材制造。

9、进一步地，当采用粉体进行所述增材制造时，激光熔化沉积过程的送粉气体为氩气。

10、进一步地，在激光熔化沉积过程中同步采用超声振动具体为：将超声冲击头与激光熔化沉积设备的激光器采用相同的运动速度运动，进行超声振动辅助激光熔化沉积。

11、进一步地，所述超声冲击头与所述激光器的偏移距离为30-80mm。

12、进一步地，沉积过程中的扫描速度为100-500mm/min，送粉率为11.2g/min-19.6g/min。

13、本发明中更优选采用20khz的超声振动。

14、本发明所制得的产品前端部分(长度为超声冲击头与激光器之间的偏移距离)未经超声处理，可选择对该部分进行切除处理。

15、本发明更优选的制造方法如下：

16、(1)将基板用角磨机打磨干净，清洗表面的污渍，将其固定在工作台上，并将充氩仓密封，充入高纯氩气。

17、(2)所使用的ti6al4v合金粉末采用等离子旋转电极法生产，型号规格为-60+200目，将ti6al4v合金粉末倒入送粉器中，送粉气体为高纯氩气。

18、(3)将超声冲击头与激光器固定在一起，使其能够以相同的速度运动。调整超声冲击头与激光器之间的偏移距离与超声振动的振幅，偏移距离范围在30-80mm，超声辅助的振幅用百分比表示，范围在0-100％。

19、(4)根据不同材料，激光功率选择的范围在1000-2400w，扫描速度100-500mm/min，送粉率送粉率为11.2g/min-19.6g/min，根据不同的工艺参数定义激光器的抬升高度，范围在0.8-1.4mm。

20、(5)为了保证每层各点的层间停留时间相同，采用单向沉积策略，激光器沿着预定的方向移动，将喷嘴喷出的粉末熔化。在激光器移动一段距离后，超声冲击头在起点处落下，对已经凝固的单墙体进行作用，并且和激光器以相同的速度运动。当激光器移动到末端，两个系统同时停止工作。

21、(6)超声冲击头和激光器同步运动回到起点，再次重复上述步骤，直至达到预定的层数。

22、(7)待基板与试样冷却至室温后取出。

23、本发明还提供采用上述增材制造方法制备得到的材料。

24、本发明在激光熔化沉积基础上辅以同步超声振动，超声波通过固体传播到液态熔池中，可以产生空化和声流效应。本发明中超声冲击头与激光器同步运动，可以保证对熔池的超声振动作用不受试样长度与高度而衰减，也节省了后处理的时间。

25、通常，在增材制造过程中，当激光功率过低时，熔池浅而窄，没有被充分熔化的粉末存留在熔池中，使每两层之间不能充分地冶金结合，导致在每两层之间出现未熔合缺陷，未熔合缺陷长度可达几十微米到几毫米，且形状不规则，在未熔合内部可能包含未熔化的粉末。而超声振动作用在熔池中时，由于空化效应与振动作用，对熔池产生强烈的搅拌，带动熔池中未熔化的粉末流动，增加了粉末吸收激光热源的热量，减少了缺陷形成的机会。并且通过搅拌熔池，增加了层与层之间的热量交换，使之前凝固的沉积层再次受热，每两层之间再次冶金结合，得到更加致密的试样。此外，由于声流的作用，加强熔池流动，这会导致液态合金向下层运动，填充未熔合缺陷。尽管超声振动抑制了未熔合缺陷，但是依然存在少量粉末颗粒未完全熔化，超声空化效应导致形成空化气泡，以及由于强烈的搅拌作用使少量保护气体进入熔池中形成气孔。由于超声振动对熔池的搅拌作用，冷却速度增加，一些气体来不及逸出，产生微观的球形气体孔隙。相比之下，未熔合缺陷体积较大，呈现不规则的楔形或带状，两端锋利。根据truong等人的研究，未熔合缺陷中形成的尖锐沟槽将会促进裂纹的萌生和扩展，在单轴拉伸时容易形成应力集中，导致更快的失效，而气孔呈圆形且数量较少，可以减缓应力集中，对力学性能的影响较小，因此消除未熔合缺陷能够提升力学性能。与传统增材制造与其后处理相比，本发明利用同步超声振动可以明显抑制未熔合缺陷，扩大工艺窗口，设备可以安装在不同的激光熔化沉积系统中，节省优化工艺参数的成本，增加不同设备之间工艺参数的通用性。

26、本发明公开了以下技术效果：

27、本发明利用超声振动辅助激光熔化沉积进行材料增材制造，利用同步超声振动可以明显抑制合金材料的未熔合缺陷，扩大工艺窗口，设备可以安装在不同的激光熔化沉积系统中，节省优化工艺参数的成本，增加不同设备之间工艺参数的通用性。

28、本发明增材制造过程中，超声冲击头和激光器同步运动，与传统的后处理相比，不需要增加额外的后处理时间，并且可以确保超声的作用不随样品高度和长度的增加而衰减。

29、本发明设备简单，通用性强，可以实现不同的设备上使用，抑制缺陷，扩大增材制造的工艺窗口。