深度：復(fù)合式增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展(3)
時(shí)間：2022-10-12 10:20 來(lái)源：深度：復(fù)合式增材制造技術(shù)研究現(xiàn) 作者：admin 閱讀：次
與噴丸結(jié)合的增等材復(fù)合制造通過(guò)在增材層表層植入微量塑性變形，實(shí)現(xiàn)增材層整體性能的提高，多為工序分離式復(fù)合，即以后處理的方式對(duì)增材制件進(jìn)行強(qiáng)化處理。噴丸類(lèi)型有機(jī)械噴丸(SP)、超聲噴丸(USP)和激光噴丸(LSP)三類(lèi)，前兩者為機(jī)械接觸式強(qiáng)化，通過(guò)高速實(shí)體丸粒沖擊制件表面實(shí)現(xiàn)制件表面強(qiáng)化，后者LSP為非接觸式強(qiáng)化，無(wú)實(shí)體丸粒產(chǎn)生，通過(guò)高能激光作用金屬表面實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化，可將LSP列為特種能場(chǎng)輔助增材制造。
ALMANGOUR等[39]在增材后處理階段，通過(guò)機(jī)械噴丸對(duì)激光增材不銹鋼制件進(jìn)行處理，通過(guò)在制件表面植入塑性變形，促使殘余奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體，并誘導(dǎo)表層發(fā)生晶粒細(xì)化(圖19)，制件表面粗糙度降低，硬度、屈服強(qiáng)度、耐磨性等力學(xué)性能指標(biāo)得到較大程度提高；文獻(xiàn)[40-41]采用三向超聲噴丸對(duì)鈦合金、鋁合金增材焊縫進(jìn)行強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)超聲噴丸對(duì)焊縫表面微觀形貌的影響較小，焊縫表面未發(fā)生明顯的塑性變形，但表層晶粒卻發(fā)生了較大程度的細(xì)化(圖20)，增材層孔隙率降低，材料的強(qiáng)度也得到相應(yīng)增加，各向異性減弱，如圖21所示。
(a)沉積態(tài)圖像質(zhì)量映射(b)機(jī)械噴丸圖像質(zhì)量映射
(c)沉積態(tài)晶粒取向圖 (d)機(jī)械噴丸晶粒取向圖
圖19 機(jī)械噴丸工藝與沉積態(tài)晶粒形態(tài)對(duì)比[39]
(a)沉積態(tài) (b)三向超聲噴丸
圖20 沉積態(tài)與三向超聲噴丸工藝晶粒形態(tài)[40]
圖21 超聲噴丸工藝和沉積態(tài)力學(xué)性能對(duì)比[40]
3.2 關(guān)鍵問(wèn)題
關(guān)于增等材復(fù)合制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，需重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：①外加力能場(chǎng)下，塑性變形程度、變形溫度、變形速率、介入頻率等與增材制造形成的復(fù)合工藝參數(shù)對(duì)增材層顯觀組織、宏觀力學(xué)性能的多尺度演化規(guī)律；②外加力能場(chǎng)下，增材制件顯觀組織和宏觀形性的主動(dòng)控制；③外加力能場(chǎng)下，局部變形區(qū)與后續(xù)沉積層結(jié)合區(qū)界面的控制及強(qiáng)化；④外加力能場(chǎng)下，增材制造過(guò)程中動(dòng)態(tài)變形的控制及修正；⑤外加力能場(chǎng)不同介入時(shí)機(jī)、頻率下，制件成形效率與成形質(zhì)量的平衡；⑥外部力能場(chǎng)輔助設(shè)備與增材設(shè)備干涉現(xiàn)象的控制；⑦外部力能場(chǎng)類(lèi)型、力能參數(shù)、能耗、成本與零件成形精度、質(zhì)量的平衡。
4 特種能場(chǎng)輔助增材制造技術(shù)
4.1 研究現(xiàn)狀
前兩類(lèi)復(fù)合式增材制造技術(shù)所對(duì)應(yīng)的外加輔助制造均為接觸式制造方法，存在設(shè)備干涉及效率等問(wèn)題。特種能場(chǎng)輔助增材制造技術(shù)通過(guò)超聲、電磁、激光等非接觸式特殊能量源及其特征效應(yīng)，作用于增材制造全過(guò)程，改善增材層顯觀組織，提高制件宏觀形性，是當(dāng)前正迅速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)。
超聲、電磁類(lèi)特種能場(chǎng)輔助增材制造分別通過(guò)高頻超聲波、電磁效應(yīng)作用于增材熔池的形成和凝固過(guò)程，改變?nèi)鄢匦纬傻侥踢^(guò)程中熔池流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、結(jié)晶形核、固態(tài)相變規(guī)律，進(jìn)而改善增材層晶粒形態(tài)、顯微組織、應(yīng)力狀態(tài)和宏觀形性，可歸為同步跟隨式復(fù)合增材制造技術(shù)。
文獻(xiàn)[42-43]采用超聲激振設(shè)備作用于增材基板(圖22)，通過(guò)高頻超聲波在金屬基板內(nèi)的傳播實(shí)現(xiàn)對(duì)增材熔池的實(shí)時(shí)作用，研究了超聲振動(dòng)對(duì)鎳基合金激光增材組織和力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明超聲振動(dòng)通過(guò)對(duì)增材熔池的空化和聲流效應(yīng)，可促進(jìn)增材組織均勻化，減少第二相的析出，改變析出相形態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)增材組織晶粒細(xì)化(圖23)，進(jìn)而改善增材制件的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[44]通過(guò)ABB機(jī)器人運(yùn)載超聲激振設(shè)備近距離跟隨焊槍?zhuān)瑢?shí)現(xiàn)高頻超聲振動(dòng)對(duì)Ti-6Al-4V增材熔池的同步跟隨作用，研究表明高強(qiáng)度超聲波通過(guò)聲空化、聲流效應(yīng)在金屬凝固過(guò)程中可有效阻斷柱狀晶體外延生長(zhǎng)，削弱織構(gòu)強(qiáng)度，細(xì)化柱狀晶顯觀組織，進(jìn)而改善增材制件力學(xué)性能。文獻(xiàn)[45-47]將自主設(shè)計(jì)的電磁線圈集成于焊槍?zhuān)瑢?shí)現(xiàn)了對(duì)增材熔池的同步作用，研究了外加縱橫向穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)對(duì)WAAM制件顯觀組織和宏觀形性的影響，結(jié)果表明：外加縱向穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)通過(guò)在熔池中產(chǎn)生切向電磁力，推動(dòng)熔池向邊緣流動(dòng)，能夠減小熔積層高寬比，形成平緩的熔積層形貌，有利于多道搭接熔積提高制件成形精度和表面質(zhì)量；外加橫向磁場(chǎng)能夠降低熔池凝固過(guò)程中枝晶前沿溫度梯度和溶質(zhì)濃度，增加枝晶前沿的成分過(guò)冷，使靠近熔池中心的枝晶前端生長(zhǎng)加速并細(xì)化晶粒，改善增材制件顯觀組織和宏觀力學(xué)性能。
圖22 超聲振動(dòng)組件作用于基板[43]
圖23 超聲振動(dòng)組件跟隨焊槍作用于沉積層[44]
激光類(lèi)特種能場(chǎng)輔助增材制造有激光沖擊輔助、選擇性激光燒蝕輔助、選擇性激光重熔輔助三種方法。
激光沖擊輔助增材制造在增材后處理階段，通過(guò)高功率密度、短脈沖的激光作用于制件表面涂覆的能量吸收涂層，誘導(dǎo)制件表面產(chǎn)生高幅沖擊波以對(duì)表層進(jìn)行高能沖擊，在制件表層植入一定深度的塑性變形，改善表層晶粒形態(tài)、顯微組織和應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而改善制件整體宏觀力學(xué)性能，為工序分離式復(fù)合制造。激光沖擊對(duì)增材層的作用原理與噴丸類(lèi)似，也被稱為激光噴丸。
KALENTICS等[48]研究了新型3D激光沖擊方法(激光沖擊面與激光熔化面不同)對(duì)選擇性激光熔化(SLM)316L不銹鋼制件疲勞性能的影響，結(jié)果表明3D激光沖擊通過(guò)在制件表層植入殘余壓應(yīng)力，能夠提高制件表面顯微硬度，降低制件內(nèi)部孔隙率(圖24)，阻礙疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展，大幅度延長(zhǎng)了制件的疲勞壽命。HACKEL 等[49]通過(guò)類(lèi)似的研究發(fā)現(xiàn)激光沖擊較機(jī)械噴丸在制件表層產(chǎn)生的應(yīng)力層更深，對(duì)增材制件扭曲變形有一定的校正作用。
(a)SLM (b)2D-LSP (c)3D-LSP
圖24 SLM、2D-LSP和3D-LSP內(nèi)部氣孔形態(tài)[48]
選擇性激光燒蝕輔助增材制造通過(guò)高能激光對(duì)材料的蒸發(fā)作用，對(duì)增材層進(jìn)行表面減材加工，提高增材層表面質(zhì)量，作用效果與切削加工類(lèi)似。選擇性激光重熔輔助增材制造利用低能激光對(duì)增材層的重熔作用，降低增材層殘余孔隙率、表面粗造度，提高增材層致密度和表面質(zhì)量。兩者作用原理類(lèi)似，既可作用于逐層增材之間，也可作用于增材后處理階段，為兼具交叉協(xié)同和工序分離兩種特征的復(fù)合式增材制造技術(shù)。
YASA等[50-51]分別研究了選擇性激光燒蝕和選擇性激光重熔對(duì)SLM增材制造的影響，結(jié)果表明，選擇性激光燒蝕對(duì)制件表面粗糙度的改善效果不及后者，但效率較高，可伴隨解決SLM增材層邊緣階梯效應(yīng)，同時(shí)，選擇性激光燒蝕還具有對(duì)零件微細(xì)特征的加工能力，能夠加工尺寸范圍在50～100 μm的微特征，而選擇性激光重熔對(duì)增材層殘余孔隙率、致密度、殘余應(yīng)力有明顯的改善作用，但效率較低，時(shí)間成本較高。
4.2 關(guān)鍵問(wèn)題
關(guān)于特種能場(chǎng)輔助增材制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，需重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：①超聲、電磁類(lèi)作用于增材熔池的形成和凝固過(guò)程中的特種能場(chǎng)，對(duì)顯觀組織、宏觀形性多尺度作用機(jī)制和演化規(guī)律；②激光類(lèi)作用于沉積層的特種能場(chǎng)下，激光功率、掃描速率、光斑尺寸等與增材制造形成的復(fù)合工藝參數(shù)對(duì)增材層顯觀組織、宏觀力學(xué)性能的多尺度演化規(guī)律；③特種能場(chǎng)下，增材層顯觀組織和宏觀形性的定向控制；④特種能場(chǎng)下，增材制造過(guò)程中動(dòng)態(tài)變形的控制及修正；⑤激光類(lèi)輔助能場(chǎng)不同介入時(shí)機(jī)、頻率下，制件成形效率與成形質(zhì)量的平衡；⑥超聲、電磁類(lèi)特種能場(chǎng)如何有效施加。
5 復(fù)合式增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
(1)向多制造技術(shù)復(fù)合式增材制造發(fā)展。減材制造在制件成形精度和表面質(zhì)量控制方面表現(xiàn)優(yōu)異，等材制造在制件顯觀組織和宏觀性能控制方面效果顯著，特種能場(chǎng)可改善增材層顯觀組織和宏觀形性，具有非接觸式制造特點(diǎn)。增材制造與單一減材、等材、特種能場(chǎng)輔助制造進(jìn)行復(fù)合，難以實(shí)現(xiàn)制件形性一體化有效調(diào)控。將增材、等材、減材以及特種能場(chǎng)輔助制造多制造技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，形成新型復(fù)合式增材制造技術(shù)，保留增材制造快速、柔性的制造特征，減材制造高精成形的制造特征，等材制造組織性能優(yōu)異的制造特征，以及特種能場(chǎng)非接觸式制造特征，將成為復(fù)合式增材制造技術(shù)的未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
(2)向在線檢測(cè)、閉環(huán)控制發(fā)展。增材制造形性問(wèn)題嚴(yán)重，復(fù)合式增材制造對(duì)制件的形性調(diào)控為動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程，為保證制件形性調(diào)控的質(zhì)量和精度，復(fù)合式增材制造系統(tǒng)需引入先進(jìn)的檢測(cè)、測(cè)量及控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋制造過(guò)程，并對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)增材制造形性的有效控制。
(3)向一體化、智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造發(fā)展。當(dāng)前復(fù)合式增材制造技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，除增減材復(fù)合制造外，未見(jiàn)商品化的復(fù)合式增材制造裝備，未來(lái)隨著基礎(chǔ)研究及支撐技術(shù)不斷發(fā)展，高度集成的商業(yè)設(shè)備將逐漸被推出，結(jié)合先進(jìn)材料技術(shù)、CAD/CAPP/CAM技術(shù)、智能控制技術(shù)以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，將形成從材料、功能、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)到加工制造的一體化、智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造流程。
(4)向大型構(gòu)件的低成本、高效率、高質(zhì)量制造發(fā)展。增材制造具有快速、柔性、綠色的先進(jìn)制造特點(diǎn)，增材制造與多制造技術(shù)結(jié)合形成的復(fù)合式增材制造，能夠較好地解決增材制件形性難控的問(wèn)題。隨著復(fù)合式增材制造技術(shù)迭代發(fā)展，將形成一種同時(shí)具有快速、柔性、綠色、低成本、高質(zhì)量等制造優(yōu)點(diǎn)的新型先進(jìn)制造技術(shù)，在國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的航空、核電、石化等領(lǐng)域超大型構(gòu)件的制造中具有巨大的潛力。
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