[发明专利]一种基于搅拌摩擦连接-微熔滴复合增材制造的方法和装置

说明书

一种基于搅拌摩擦连接‑微熔滴复合的增材制造方法，其特征在于它包括以下步骤：（1）根据所需增材制造加工零件的三维模型，采用切片法将零件分为若干层，将第一层金属板材放置在基板上面；（2）通过计算机控制微熔滴喷射系统的温度，使金属熔化成熔态金属，将微熔滴喷射在第一层金属板材上；（3）将第二层金属板材放置在所需位置，启动夹具系统，将第二层金属板材装夹在微熔滴层上面，采用搅拌摩擦装置按照预定轨迹进行板材‑微熔滴层‑板材的搅拌摩擦连接；（4）搅拌摩擦连接完成后，重复执行步骤（2）和（3），实现金属板材和微熔滴层的逐层堆积制造。本发明处理工序简单，实施容易。

技术领域

本发明涉及一种金属材料制造技术，尤其是一种金属材料增材制造技术，具体地说是一种基于搅拌摩擦连接-微熔滴复合增材制造方法和装置。

背景技术

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。

增材制造的方法众多，高能束流（激光束、电子束）增材制造技术是该技术领域的重要发展方向，是利用高能束流与CAD/CAM技术相结合，在真空室内或惰性气体保护的环境中，向聚焦加热区填送金属丝材或铺送金属粉料，使材料逐层熔化、凝固堆积，形成整体结构的直接近净成形技术。其具有快速成型、加工周期短、柔性高等优点，能够制造出传统方法无法加工的复杂结构，在航空、航天领域有十分广泛的发展前景。但是高能束增材制造也存在一些问题，由于是利用高温熔敷材料，成形速度较快，材料凝固时不可避免地会存在气孔、球化、裂纹、变形以及熔合不良等缺陷，而且设备较昂贵、能量利用率低、成本高昂，对于低熔点金属材料的受热变形问题尤为突出。

金属微滴喷射技术也是近年发展起来的一种增材制造技术，它是基于“离散-叠加”的成型原理, 通过液滴喷射器产生均匀金属微滴, 以熔化的金属微滴为基本成型单元，通过“由点到线、由线到面、由面到体”使金属微滴精确沉积在特定位置并相互融合、凝固, 逐点逐层“堆积”,而实现复杂三维结构的快速制造。该技术以其成型设备简单、控制精度高、可有效细化组织、提高成型制件性能等优点，在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化零件制造等领域具有广泛应用前景。但在微滴沉积过程中零件内部容易形成孔洞、裂纹等各类缺陷，严重影响其整体性能，并且成型件表面质量不高。

搅拌摩擦连接是一项高效、节能、环保的固相连接技术，连接过程中由搅拌工具与材料发生摩擦产生热能使材料软化，材料没有发生熔化，连接接头可以避免气孔、裂纹等金属缺陷，同时可实现连接后工件的低应力和小变形。因此，搅拌摩擦连接广泛应用于铝合金等有色轻金属的连接过程。搅拌摩擦连接采用机械能作为热源，进行材料之间的固相连接，可实现块体直接在固态成形金属结构，从广义上来说，也是一种固态增材制造技术。

从公开的文献和资料检索来看，对搅拌摩擦增材制造的报道不多，中国专利（申请号：201510623086.8）公开了一种金属材料搅拌摩擦增材制造方法，该方法由搅拌摩擦头搅拌两层金属使之连接，在逐层搅拌连接堆积一定层数后，切换切削刀具进行切削加工使搅拌摩擦部分和非搅拌摩擦部分板材分离，可实现铝合金等有色轻金属大型整体构件的低成本、高性能快速制造。中国专利（申请号：201410701194.8）公开了一种金属激光熔化增材制造方法，通过在激光增材制造加工完每一层后，采用选区搅拌摩擦对单层激光凝固区改性，使凝固裂纹消除，并形成纳米晶。如此往复进行多层加工，从而制造出纳米晶高强韧无裂纹的复杂金属零部件。该种方法主要是对激光熔化增材制造的缺陷进行修复弥补。中国专利（专利号：ZL201410814969.2）公开了一种应用冷床熔炼的金属增材制造方法及金属零件和应用，具体是将原料金属通过冷床熔炼得到熔融金属，再将熔融金属按照预设轨迹，铺覆到预制坯的表面，然后对尚处于良好塑性状态的金属进行搅拌摩擦加工热机械处理，这样逐层逐行地铺覆后进行热机械处理，并最后得到最终产品。

发明内容