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复合增材制造技术研究进展及发展趋势(2)

时间:2019-07-26 09:00 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:

 基于喷丸的复合增材制造技术
     将喷丸与增材制造相耦合的复合增材制造技术是一个未被广泛和深入探索研究的领域,目前仅有部分相关专利及研究文献。喷丸是一种通过在工件表面植入一定深度的残余压应力而提高材料疲劳强度的表面强化工艺,主要分为激光喷丸、超声喷丸与机械喷丸。将喷丸工艺与增材制造耦合是一种能够控形控性的复合增材制造技术,在航空航天、国防工业和生物医疗等方面具有重要应用前景。

 
 
 
图5  基于喷丸的复合增材制造技术
        Kalentics等将SLM工艺与激光喷丸耦合,研究了耦合工艺制造316L不锈钢零件的残余应力分布规律,设定参数后利用钻孔法测量了零件深度方向上的残余应力分布,最终与SLM制造试样、激光喷丸试样的残余应力分布对比。图中可看出,基于激光喷丸的复合增材制造技术能够通过植入更深、更高幅值的残余应力来提高材料性能;另外,从实验结果可以推测出后续沉积带来的热载荷并未完全释放掉残余压应力,这可能是由于SLM工艺较DMD工艺热影响区域更小,而在DMD工艺中是否会释放更多残余压应力则有待探索。
 
图6  不同工艺下零件残余应力分布对比
        较其他复合增材制造技术而言,基于超声喷丸的复合增材制造技术是一种低成本、快速提高零件性能的方法,可以与多种增材制造工艺相结合。机械喷丸作为应用最成熟而广泛的喷丸强化技术,在与增材制造组成耦合工艺时却存在一些挑战。例如,机械喷丸的丸粒直径较增材制造粉末颗粒大数个数量级,需要额外的工序进行清除,以避免材料污染。对此,Sangid等提出“细粒喷丸(FPSP)”的概念,使用增材制造材料粉末AlSi10Mg作为喷丸介质,避免了材料污染问题,但因喷丸介质强度和硬度不够而使撞击产生较小的冲击压力,形成的残余压应力被后续释放。
 基于轧制的复合增材制造技术
     在增材制造过程中,熔池形状和体积的不稳定以及热源反复加热造成的复杂热历史,使零件存在成形精度不足和热应力残余的问题,而基于轧制的复合增材制造技术可有效解决这些问题。这种方法不仅能够提高零件力学性能,还可在不去除材料的前提下保证成形零件的尺寸精度。
 
图7  基于轧制的复合增材制造示技术
       Colegrove等将丝材电弧增材制造(WAAM)工艺与轧制工艺耦合,制造一层、轧制一层,循环交替直至完成零件制造。研究结果显示,相较于WAAM工艺,这种耦合工艺成形零件变形减小、拉应力减少、晶粒细化且力学性能提高,极限强度、硬度和延伸率均高于同等铸造件。张海鸥等提出了熔积-轧制耦合工艺,在半熔融区利用微型轧辊对高温沉积层进行压缩加工,可减少成形零件表面的阶梯效应,提高成形零件尺寸精度。这种方法可减少后续加工余量,且由于熔积与轧制工艺同步进行,有效提高制造效率,同时该工艺制造的零件拉伸强度可提高33%。
 
图8  不同工艺下零件高度方向成形误差对比
      然而,面对复杂形状零件制造时,基于轧制的复合增材制造工艺无法压缩处理零件局部特征。因此,提高轧辊的柔性处理能力显得尤为重要。
 激光锻造复合增材制造技术
       现有激光锻造复合增材制造技术,是张永康团队在长期研究激光喷丸的基础上提出的新方法,其实质是两束不同功能的激光束同时且相互协同制造金属零件的过程。如图所示,第一束连续激光进行增材制造,与此同时第二束短脉冲激光(脉冲能量10~20 J、脉冲宽度10~20 ns)直接作用在高温金属沉积层表面,金属表层吸收激光束能量后气化电离形成冲击波,利用脉冲激光诱导的补充冲击波对易塑性变形的中高温度区进行“锻造”,增材制造工艺与激光锻造工艺同步进行,直至完成零件制造。激光锻造使沉积层发生塑性形变,消除了沉积层的气孔和热应力,提高了金属零件的内部质量和力学性能,并有效控制宏观变形与开裂问题。
 
图9  激光锻造复合增材制造技术
        该复合增材制造技术中的辅助工艺激光锻造虽然源于激光喷丸,但是有重大区别。第一,冲击波激发介质不同:激光喷丸一般需要吸收保护层和约束层,吸收保护层表层吸收激光能量后气化电离形成冲击波,气化层深度不足1 μm;激光锻造无需吸收保护层和约束层,激光束直接辐照中高温沉积层,金属吸收激光能量气化电离形成冲击波,由于增材制造是逐层累积进行的,每一层不足1 μm的气化层厚度对零件的尺寸和形状没有影响。第二,作用对象不同:激光喷丸一般是对常温零件的强化处理;激光锻造是对中高温金属的冲击锻打。第三,主要功能不同:激光喷丸主要功能是改变残余应力状态,其次是改变微观组织,难以改变材料原有的内部缺陷;激光锻造主要功能是在中高温下消除金属沉积层内部的气孔、微裂纹等缺陷,提高致密度与机械力学性能,其次是改变残余应力状态。
       由于激光锻造的灵活性和可控性,其可以与多种增材制造复合并能有效细化晶粒、消除缺陷和重构应力分布,为解决高性能金属增材制造的“热应力与变形开裂”与“内部质量与力学性能”的共性基础难题提供新的途径,富有创造性、新颖性和工业实用性,已申请国内与国际发明专利保护。
三、结  语 

     复合增材制造技术理念先进、技术可行,并表现出成形精度高、性能提高大等技术优势,逐渐得到了国内外学者的广泛关注。

(1)复合增材制造技术涉及多工艺耦合协同工作,制造过程中主体工艺与辅助工艺相互约束且工艺参数众多。对工艺耦合机理进行深入探索,并建立数学模型进行多工艺参数优化是复合增材制造技术研究亟待解决的主要问题。

(2)复合增材制造装备需要多套工艺装备配合完成制造。但目前复合增材制造装备存在自动化程度低、缺乏针对性工业控制软件等问题,且制造过程中缺乏传感器进行工艺参数的监控。提高装备硬件和软件的自动化水平,应用传感器实时收集数据以建立闭环反馈控制系统是复合增材制造装备的重要发展方向。

作   者:杨智帆,张永康
来   源:《电加工与模具》2019年第2期 
原   文:《复合增材制造技术研究进展》
编   辑:吴   悦
审   核:徐均良、王   应

(责任编辑:中国3D打印机网)