CN114571058A - 一种大尺寸块体超细晶金属材料的固态增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备大尺寸块体超细晶金属材料的固态增材制造方法，属于金属材料的制备领域。该方法首先将金属基板刚性固定，可对其进行多道次的搅拌摩擦加工；其次将增材金属板材固定于机械加工铣平的基板上，采用相同的加工路径及加工参数进行逐层累积搅拌摩擦搭接焊接，最后机械加工去除多余材料。加工过程中可将金属板材浸没在水中并伴随辅助冷却，降低加工区热输入以实现晶粒细化。该方法在搅拌摩擦加工工艺基础上，结合分层叠加的方式实现大尺寸块体金属材料的固态增材制造，不会产生熔化凝固的冶金缺陷，可以获得具有均匀的超细晶结构和优异力学性能的金属材料，所涉及的方法具有简单、便捷和成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种大尺寸块体超细晶金属材料的固态增材制造方法。
背景技术
晶粒尺寸是影响材料强度和塑性的主要微观结构因素，它几乎决定了材料力学性能的各个方面。因此，超细晶材料因其高强度、高硬度等优异的力学性能受到了广泛的科学研究。但是，对于大面积超细晶金属材料的制备，目前常用的等径弯曲通道变形(ECAP)、累积叠轧变形(ARB)、高压扭转变形(HPT)等严重塑性变形(SPD)技术均存在着一定的局限性：一方面是制备过程较为复杂、耗时，不利于大面积超细晶材料的工业化生产；另一方面，SPD超细晶材料的微观组织不均匀且存在大量的晶体缺陷，从而导致其拉伸和疲劳等力学性能较差，限制了其在实际工程中的应用。
目前，基于焊接原理的金属熔融增材制造技术因其快速成型、灵活性和效率等优点逐渐成为材料制备工艺的研究热点，在轨道交通、航空航天和医疗设备等领域具有重要的应用潜力。然而，熔融增材制造工艺复杂、能量利用率低、成本高，仍是增材制造领域面临的主要挑战。此外，晶粒细化程度相当有限，而且所制备的材料会出现偏析、气孔、热裂纹、冶金缺陷等熔融和凝固引起的局部缺陷也是熔融增材制造技术受到制约的关键问题。
近年来，基于搅拌摩擦焊接(FSW)的原理，搅拌摩擦加工(FSP)作为一种新型的塑性加工技术得到了快速发展，已经成为制备超细晶材料的有效手段之一。FSP过程中由于材料发生了动态再结晶，获得的超细晶材料呈现出均匀的等轴晶组织，具有高角晶界比例高、位错密度低和织构较弱等特征，表现出稳定的组织结构，因此FSP超细晶材料展现出良好的强塑性和抵抗疲劳变形的能力。但是传统的单道次FSP由于工具尺寸的限制，难以制备大尺寸块体超细晶金属材料。另外，常规工艺下金属材料的搅拌摩擦增材制造由于热影响区的影响，导致局部组织粗化，从而使得微观组织不均匀和力学性能降低。
综上所述，十分有必要对现有的搅拌摩擦加工工艺进行改进，开发一种简单、便捷和成本较低的固态增材制造方法来制备大尺寸块体超细晶金属材料，拓展超细晶材料的工业化生产应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种大尺寸块体超细晶金属材料的固态增材制造方法，该工艺简单，无需设计专用的加工设备，生产成本低，适合工业化推广应用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种大尺寸块体超细晶金属材料的固态增材制造方法，该方法是在搅拌摩擦加工工艺基础上，结合分层叠加的方式实现大尺寸金属材料的固态增材制造，同时在加工过程中将金属板材浸没在水中进行辅助冷却，使加工区处于较低温度，从而获得组织均匀的大尺寸块体超细晶金属材料。该方法具体包括以下步骤：
(1)首先将金属板材的表面进行机械打磨，并用酒精或丙酮清洗干净；
(2)基底板材FSP处理：将金属板材作为基板进行刚性固定，可选用合适尺寸的焊接工具和加工参数进行多道次的搅拌摩擦加工，并在加工过程中将金属板材浸没在水中进行辅助冷却；
(3)机械加工：对步骤(2)搅拌摩擦加工后的金属板材进行机械加工铣平，使工件的加工表面平整；
(4)固态增材制造：将增材金属板材固定于步骤(3)处理后的金属板材上，采用与步骤(2)相同的加工路径及加工参数进行多道次的搅拌摩擦加工，并在加工过程中将金属板材浸没在水中进行辅助冷却；
(5)固态增材制造成型：根据设计需求，重复步骤(3)-(4)的过程N次(N为大于等于0的正整数)，，进行逐层累积的搅拌摩擦搭接焊接，最后机械加工去除多余材料，实现大尺寸块体金属材料的固态增材制造。
本发明作为基板的金属板材的厚度为1-5mm，所用焊接工具材料选择硬度在45-52HRC之间的金属及其复合材料(包含但不限于工具钢、高温合金和金属陶瓷材料等)，焊接工具的轴肩直径为8-14毫米。
本发明所述的搅拌摩擦加工工艺参数为：搅拌工具转速300-800转/分钟，行进速度40-80毫米/分钟；可在加工过程中采用流动水辅助冷却的方式降低金属板材加工区的温度，水管出水口直径3-6毫米，流速4-8升/分钟；水管出水口的水温为10-25℃。
本发明所述的多道次搅拌摩擦加工时前后两道次加工区之间的重叠率为30％-80％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明所涉及到的搅拌摩擦增材制造工艺属于固态加工技术，制备过程中材料无熔化和凝固过程，避免了熔融增材制造会出现的偏析、气孔、热裂纹、冶金缺陷等局部缺陷，适合于制备组织均匀的高致密的超细晶块体材料。
2.采用本发明制得的大尺寸块体金属材料，具有均匀等轴的超细晶组织，微观结构稳定，具有优异的力学性能。
3.本发明不需要开发专用增材制造设备，采用传统搅拌摩擦焊机就可实现固态增材制造，缩短了工艺流程、提高了生产效率、大大节省了能耗与生产成本。
4.本发明提供的大尺寸块体超细晶金属材料的固态增材制造方法，对超细晶材料的工业化生产具有重要意义。
附图说明
图1为本发明固态增材制造的工艺示意图。
图2为实施例1的金相图片。
图3为实施例2的微观组织图片。
图4为对比例1的微观组织图片。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
本实施例为纯铜板材的固态增材制造，流程如图1所示，具体过程如下：
使用2毫米厚的纯铜板材作为基板浸没在水中，采用轴肩直径为10毫米的H13工具钢搅拌工具进行多道次搅拌摩擦加工，前后两道次加工区之间的搭接重叠率为50％，搅拌工具转速为400转/分钟、焊接速度为50毫米/分钟。在加工过程中以流动水辅助冷却加工区，冷却过程中所用水管出水口直径4毫米，流速7升/分钟，出水口水温10℃。对加工得到的基板进行机械加工铣平使其表面平整，将增材铜板刚性固定于基板上，采用相同的加工路径和加工参数进行多道次搅拌摩擦加工。重复上述步骤进行逐层累积的搅拌摩擦搭接焊接，最终获得具有3层加工区的固态增材制造铜板。
对本实施例获得的固态增材制造纯铜板材进行组织分析，加工区无缺陷且晶粒尺寸处于超细晶尺度(图2)；对本实施例获得的固态增材制造纯铜板材进行力学性能测试，平均抗拉强度为465MPa。
实施例2
使用4毫米厚的纯铜板材作为基板浸没在水中，采用轴肩直径为14毫米的高温合金搅拌工具进行多道次搅拌摩擦加工，前后两道次加工区之间的搭接重叠率为50％，搅拌工具转速为400转/分钟、焊接速度为50毫米/分钟。在加工过程中以流动水辅助冷却加工区，冷却过程中所用水管出水口直径4毫米，流速7升/分钟，出水口水温10℃。对加工得到的基板进行机械加工铣平使其表面平整，将增材铜板刚性固定于基板上采用相同的加工路径和加工参数进行多道次搅拌摩擦加工，重复上述步骤进行逐层累积的搅拌摩擦搭接焊接，最终获得具有3层加工区的固态增材制造铜板。
对本实施例获得的固态增材制造纯铜板材进行微观组织分析，加工区的晶粒尺寸均匀且处于超细晶尺度，如图3；对本实施例获得的固态增材制造纯铜板材进行力学性能测试，平均抗拉强度为435MPa。
对比例1：
使用长度50毫米、直径14毫米的圆棒状纯铜样品，进行等径弯曲通道变形(ECAP)变形。ECAP实验模具由两个相互垂直的直径为14毫米的通道构成，外角为30°，内角为90°。将圆棒试样表面涂上润滑剂后，放入模具的入口通道中，以10毫米/分钟的速度在室温下进行挤压，样品每次挤压后绕其轴向按同一方向旋转90°，共挤压四次。
对本对比例获得的ECAP纯铜棒材进行微观组织分析，其组织非常不均匀，如图4所示；对本对比例获得的ECAP纯铜棒材进行力学性能测试，室温拉伸实验显示抗拉强度为390MPa。
对比例2：
[Lykov P.A,Safonov E.V,Akhmedianov A.M.Selective Laser Melting ofCopper.Mater Sci Forum,2016,843:284–288]
采用气体雾化纯铜粉，采用不同的工艺参数(扫描速度、点距、曝光时间、扫描策略)在氩气气氛下制备了5个矩形试样。
对本对比例获得的纯铜样品进行扫描电镜观察，存在大量的孔洞，孔隙率较高，200W下的CO2激光器打印的纯铜相对密度仅为88％。
Claims (9)
1.一种大尺寸块体超细晶金属材料的固态增材制造方法，其特征在于：该方法是在搅拌摩擦加工工艺基础上，结合分层叠加的方式实现大尺寸金属材料的固态增材制造，同时在加工过程中将金属板材浸没在水中进行辅助冷却，使加工区处于较低温度，从而获得组织均匀的大尺寸块体超细晶金属材料。
2.根据权利要求1所述的大尺寸块体超细晶金属材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)将金属板材的表面进行机械打磨后，用酒精或丙酮清洗干净；
(2)将金属板材作为基板进行刚性固定，选用合适尺寸的搅拌摩擦焊接工具和加工参数进行多道次的搅拌摩擦加工，并在加工过程中将金属板材浸没在水中进行辅助冷却；
(3)对经步骤(2)加工后的金属板材表面进行机械加工铣平；
(4)将增材金属板材固定于步骤(3)处理后的金属板材上，采用与步骤(2)相同的加工路径及加工参数进行多道次的搅拌摩擦加工，并在加工过程中将金属板材浸没在水中进行辅助冷却；
(5)根据需求，重复步骤(3)-(4)的过程N次(N为大于等于0的正整数)，进行逐层累积的搅拌摩擦搭接焊接，最后机械加工去除多余材料，实现大尺寸块体金属材料的固态增材制造。
3.根据权利要求1或2所述的大尺寸块体超细晶金属材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述金属板材的厚度为1-5毫米。
4.根据权利要求1所述的大尺寸块体超细晶金属材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所用焊接工具材料选择硬度在45-52HRC之间的金属或其复合材料，焊接工具的轴肩直径为8-14毫米。
5.根据权利要求1或4所述的大尺寸块体超细晶金属材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所用焊接工具材料选择硬度在45-52HRC之间的工具钢、高温合金或金属陶瓷材料。
6.根据权利要求1或2所述的大尺寸块体超细晶金属材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，采用的搅拌摩擦加工工艺参数为：搅拌工具的转速为300-800转/分钟，行进速度为40-80毫米/分钟。
7.根据权利要求1或2所述的大尺寸块体超细晶金属材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，在加工过程中采用流动水辅助冷却的方式降低金属板材加工区的温度，水管出水口直径3-6毫米，流速4-8升/分钟；水管出水口的水温为10-25℃。
8.根据权利要求2所述的大尺寸块体超细晶金属材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，多道次搅拌摩擦加工时前后两道次加工区之间的重叠率为30％-80％。
9.根据权利要求2所述的大尺寸块体超细晶金属材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述增材金属板材与步骤(1)中金属板材的材质相同。
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| CN115041808A (zh) * | 2022-06-22 | 2022-09-13 | 南昌航空大学 | 一种基于动-静轴肩复合搅拌摩擦的增材制造方法 |
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