[发明专利]一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置及方法

说明书

本发明属于金属材料增材制造技术领域，公开了一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，包括底板，底板顶部分别固定装配有第一基座和第二基座，第一基座和第二基座之间留有间隙，间隙内放置有增材用试板，增材用试板底部设置有垫板，第一基座和第二基座与增材用试板接触的面分别开设有凹槽，凹槽内插接有水冷块，第二基座设置有用于夹紧增材用试板的气缸，气缸推杆垂直于增材用试板的侧面设置，增材用试板顶部还设置有压轮和搅拌头；本发明在现有的搅拌摩擦增材制造技术上加入冷却，有效地降低了搅拌摩擦加工热循环对已完成增材部分的热影响，抑制增材区细小均匀的等轴晶组织及基体中的第二相粒子发生粗化，获得组织均匀、性能优良的增材构件。

技术领域

本发明属于金属材料增材制造技术领域，具体涉及一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦增材制造(FSAM)技术是基于搅拌摩擦原理发展而来的高效率、低成本、小变形的固态增材方法。该方法是基于增材制造“逐层”堆积的技术原理，由搅拌头旋转摩擦使两层金属发生塑化连接在一起，再逐层搅拌连接堆积成形。与高能束金属增材制造技术相比，其在增材过程中不发生金属的熔化和凝固，不会出现气孔、裂纹、熔合不良等缺陷，构件变形小，残余应力低，并且能够获得尺寸细小的等轴晶组织，有利于提高结构件的综合力学性能。因此，搅拌摩擦增材制造技术有望实现大型整体金属构件的低成本快速制造。然而，该技术也存在一些问题，如金属材料在进行逐层搅拌摩擦增材制造过程中，后一道增材会对前一道增材产生热影响，随着增材道次的增加，越靠近金属构件底部的增材体所受热循环影响的次数越多，易造成晶粒尺寸粗大，合金中第二相粒子粗化等问题，导致金属构件自下而上的显微组织不均匀，从而降低了构件整体的力学性能。

发明内容

为了解决搅拌摩擦增材过程中由于热影响导致的晶粒及第二相粒子粗化、组织不均匀、增材构件性能下降等问题，本发明提供一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置及方法，技术方案如下：

一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，包括底板，所述底板顶部分别固定装配有第一基座和第二基座，第一基座和第二基座之间留有间隙，间隙内放置有增材用试板，增材用试板底部设置有垫板，增材用试板的顶部与第一基座和第二基座的上表面基本平齐，增材用试板的两侧面分别与第一基座和第二基座侧面接触，第一基座和第二基座与增材用试板接触的面分别开设有凹槽，所述凹槽靠近第一基座和第二基座的上表面设置，凹槽内插接有水冷块，所述第二基座设置有用于夹紧增材用试板的气缸，气缸推杆垂直于增材用试板的侧面设置，增材用试板顶部还设置有压轮和搅拌头。

所述水冷块采用导热良好的材质制成，其内设置有空腔，外部设置有入水口和排水口，入水口和排水口均与空腔连通，所述入水口和排水口分别与外部冷水机的出水端和回流端连接。

所述间隙大小可调，所述第一基座和第二基座通过螺栓固定装配在底板上，第一基座和第二基座均开设有长圆孔，底座开设有螺纹孔，螺栓的螺杆穿过长圆孔后与螺纹孔螺接。

一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造方法，采用前述的一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，包括以下步骤：

步骤一、准备增材用试板：选取试板，采用线切割截取若干厚度均匀的增材用试板，然后对增材用试板进行打磨至露出金属光泽，并用丙酮擦除其表面油污、灰尘等杂质；

步骤二、选取搅拌头：根据增材用试板的厚度及宽度选取相对应的搅拌头，定义搅拌头的搅拌针的长度为L，增材用试板的厚度为H，搅拌头的轴肩直径为D，增材用试板的宽度为B，选取原则为L＝1.2H～1.5H，D＝B减1～2mm；

步骤三、装夹增材用试板：安装好搅拌头，将两层增材用试板上下叠加放入所述间隙中，在增材用试板底部放置垫块，调节增材用试板高度与基座上表面基本平齐，并调节气缸外接的气泵的输出气压为0.6MPa，然后将水冷块插入第一基座和第二基座的凹槽中，水冷块上端面略低于搅拌头端部，打开用于控制气缸的气阀，气缸驱动推杆对增材用试板进行夹紧，同时使水冷块紧贴增材用试板，调节压轮高度，使压轮压住增材用试板；