低应力电弧增材颗粒增强镍钛基复合材料构件的制备方法

技术领域

本发明属于有色金属制备及智能制造的技术领域，具体公开了一种低应力电弧增材颗粒增强镍钛基复合材料构件的制备方法。

背景技术

镍钛合金具有优异的力学性能、生物学性能、抗腐蚀性能、核磁共振无影响性以及独特的形状记忆特性，在航空航天、医疗器械以及军工领域具有广泛的应用前景。然而镍钛合金具有较大的密度，在轻型飞机等方面的应用具有局限性。随着对轻量化记忆合金的强烈要求，在镍钛合金中添加适量陶瓷颗粒，如TiC，SiC，TiB等，可以使复合材料的密度降低，强度、刚度、硬度、耐磨性、可恢复应变等性能均有所提升。

电弧增材制造技术具有灵活性高、构件结构复杂、产品设计周期短以及只需少量机械加工等技术优势，被广泛应用于制备复杂结构产品。但由于电弧增材制造过程中，热输入大、热循化次数多，容易在构件产品内部产品残余应力，产生变形、开裂等问题，如何实现降低或消除电弧增材制造过程中的残余应力，是制备高品质电弧增材制造构件产品急需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种低应力电弧增材颗粒增强镍钛基复合材料构件的制备方法，针对镍钛合金优异的结构和功能特性，结合电弧增材制造的技术优势，采用双机器人系统，实现同轴双丝送粉电弧增材制造加层间超声表面滚压。同轴双丝送粉电弧增材制造可调整送丝速度和送粉速度从而实现构件内部钛、镍、陶瓷颗粒三者比例的调控，可实现任意比例颗粒增强镍钛合金的复杂构件打印。通过层间施加的超声表面滚动压力，可降低单层焊道应力，实现层间焊道表面压应力，细化层间晶粒，闭合微裂纹和气孔。二者相互配合实现复杂结构、高效高品质、任意组分的颗粒增强镍钛基复合材料构件产品的低应力电弧增材制造。

上述低应力电弧增材颗粒增强镍钛基复合材料构件的制备方法，包括下述步骤：

S1，将镍钛合金基板安装在工作台上；

S2，采用同轴双丝送粉电弧增材制造机器人进行单层打印

同轴双丝送粉电弧增材制造机器人采用冷金属过渡焊(CMT)电弧为热源，冷金属过渡焊焊枪垂直镍钛合金基板表面方向为增材制造的打印方向，采用单向逐层沉积加工路径进行增材制造将钛、镍、陶瓷颗粒增材打印至镍钛合金基板上，打印时采用保护气体进行保护；

S3，采用超声滚压机器人进行层间超声表面滚动加压

超声滚压机器人的可旋转压辊跟随冷金属过渡焊焊枪进行移动，对已打印的焊缝进行超声表面滚动加压；

S4，同轴双丝送粉电弧增材制造机器人的冷金属过渡焊焊枪和超声滚压机器人的可旋转压辊上升至下一焊缝的高度，重复步骤S2-S3，逐层完成构件制备；

步骤S5，打印结束后，待镍钛基复合材料构件冷却至室温，采用数控机床对其进行机械加工，加工到预定尺寸。

步骤S1中，镍钛合金基板中镍含量55％，钛含量45％。

步骤S1中，采用150#砂纸打磨镍钛合金基板并对表面进行清理后，将镍钛合金基板通过夹具水平安装在工作台上。

步骤S2中，陶瓷颗粒的直径为10-30μm；采用直径为1.2mm纯镍焊丝和纯钛焊丝，干伸长均为15mm；保护气体为70％氩气+30％氦气。

第一层焊缝的参数：送丝速度为8.8～9.0m/min，送粉速度为10mm/min，焊接电流为130～135A，打印速度为3～3.2mm/s，保护气体流速为20L/min，超声表面滚压速度为3～3.2mm/s，超声频率为20kHz，施加压力为5～10MPa；

第二层焊缝的参数：送丝速度为7.9～8.2m/min，送粉速度为10mm/min，焊接电流为118～122A，打印速度为3～3.2mm/s，保护气体流速为20L/min，超声表面滚压速度为3～3.2mm/s，超声频率为20kHz，施加压力为5～10MPa。

第三层及以上焊缝的参数：送丝速度为7.2～7.5m/min，送粉速度为10mm/min，焊接电流为108～112A，打印速度为3～3.2mm/s，保护气体流速为20L/min，超声表面滚压速度3～3.2mm/s，超声频率为20kHz，施加压力5～10MPa。

同轴双丝送粉电弧增材制造机器人包括焊接机械臂、冷金属过渡焊焊枪、第一焊机、第二焊机、第一送丝机、第一送丝盘、第一压紧机构、第二送丝机、第二送丝盘、第二压紧机构、第三压紧机构、保护气瓶、进气管、粉缸、送粉控制柜和送粉管；冷金属过渡焊焊枪安装在焊接机械臂的末端；第一焊机和第二焊机分别为纯镍焊丝和纯钛焊丝的焊接提供电源；第一送丝机上安装有第一送丝盘和第一压紧机构；第二送丝机上安装有第二送丝盘和第二压紧机构；纯镍焊丝盘安装在第一送丝盘上，引出的纯镍焊丝经过第一压紧机构和第三压紧机构，装入冷金属过渡焊焊枪；纯钛焊丝盘安装在第二送丝盘上，引出的纯钛焊丝经过第二压紧机构和第三压紧机构，装入冷金属过渡焊焊枪；保护气瓶中装有保护气体，通过进气管与冷金属过渡焊焊枪连接；粉缸安装在送粉控制柜中，装有陶瓷颗粒；送粉控制柜通过送粉管与冷金属过渡焊焊枪连接。

超声滚压机器人包括超声滚压机械臂、接线盒、安装架、可旋转压辊、变幅杆、超声换能器以及超声发生器；接线盒安装在超声滚压机械臂的末端，与安装架连接；可旋转压辊的两端分别与两组变幅杆的输出端连接，两组变幅杆分别穿过安装架，两组变幅杆的输入端分别与两组超声换能器的输出端连接，两组超声换能器的输入端与超声发生器的输出端连接。

同轴双丝送粉电弧增材制造机器人和超声滚压机器人均由电脑控制系统控制。

本发明具有以下有益效果：

本发明针对目前产品设计周期长、工艺复杂、电弧增材制造产品内部组织不均匀、残余应力大易产生变形和开裂的技术问题，通过在双丝电弧增材制造过程中引入超声滚压方法，实现电弧增材制造过程中层间微观组织、力学性能和残余应力调控，实现高品质镍钛合金构件的低应力电弧增材制造。此制备方法工艺先进，是十分理想的电弧增材制备金属构件的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为低应力电弧增材颗粒增强镍钛基复合材料构件的制备图；

图2为同轴双丝送粉电弧增材制造机器人的工作示意图；

图3为超声滚压机器人的工作示意图；

图4为低应力电弧增材颗粒增强镍钛基复合材料构件的成形原理图。

图中：1.1-焊接机械臂；1.2-冷金属过渡焊焊枪；1.3-第一焊机；1.4-第二焊机；1.5-第一送丝机；1.6-第一送丝盘；1.7-第一压紧机构；1.8-第二送丝机；1.9-第二送丝盘；1.10-第二压紧机构；1.11-第三压紧机构；1.12-保护气瓶；1.13-进气管；1.14-粉缸；1.15-送粉控制柜；1.16-送粉管；

2.1-超声滚压机械臂；2.2-接线盒；2.3-安装架；2.4-可旋转压辊；2.5-变幅杆；2.6-超声换能器；2.7-超声发生器；2.8-导线；

3-工作台；4-电脑控制系统；5-第一控制线；6-第二控制线；7-第三控制线；8-第四控制线；

101-纯镍焊丝；102-纯钛焊丝；103-镍钛合金基板；104-颗粒增强镍钛基复合材料构件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种低应力电弧增材颗粒增强镍钛基复合材料构件的制备方法，采用双机器人电弧增材制造颗粒增强镍钛基复合材料构件产品，同轴双丝送粉电弧增材制造机器人和超声滚压机器人协调配合使用。同轴双丝送粉电弧增材制造机器人采用冷金属过渡焊接(CMT)热源进行单道多层电弧增材制造，双丝的各自送丝速度可调，粉末的送粉速度可调，根据送丝速度和送粉速度可以实现打印构件成分比例的调控，超声滚压机器人的超声表面滚压功能可实现层间的残余应力调控、细化晶粒，从而实现构件的整体残余应力调控，提升产品的力学性能。

本实施例使用的化学物质材料为：纯镍焊丝、纯钛焊丝、陶瓷颗粒、镍钛基板、砂纸、酒精、丙酮、保护气：70％氩气+30％氦气，其组合准备用量如下：以盘、毫米、毫升、升、张、块、瓶、罐、千克为计量单位。

同轴双丝送粉电弧增材制造机器人包括焊接机械臂1.1、冷金属过渡焊焊枪1.2、第一焊机1.3、第二焊机1.4、第一送丝机1.5、第一送丝盘1.6、第一压紧机构1.7、第二送丝机1.8、第二送丝盘1.9、第二压紧机构1.10、第三压紧机构1.11、保护气瓶1.12、进气管1.13、粉缸1.14、送粉控制柜1.15和送粉管1.16；冷金属过渡焊焊枪1.2安装在焊接机械臂1.1的末端；第一焊机1.3和第二焊机1.4分别为纯镍焊丝101和纯钛焊丝102的焊接提供电源；第一送丝机1.5上安装有第一送丝盘1.6和第一压紧机构1.7；第二送丝机1.8上安装有第二送丝盘1.9和第二压紧机构1.10；纯镍焊丝盘安装在第一送丝盘1.6上，引出的纯镍焊丝101经过第一压紧机构1.7和第三压紧机构1.11，装入冷金属过渡焊焊枪1.2；纯钛焊丝盘安装在第二送丝盘1.9上，引出的纯钛焊丝102经过第二压紧机构1.10和第三压紧机构1.11，装入冷金属过渡焊焊枪1.2；保护气瓶1.12中装有保护气体，通过进气管1.13与冷金属过渡焊焊枪1.2连接；粉缸1.14安装在送粉控制柜1.15中，装有陶瓷颗粒；送粉控制柜1.15通过送粉管1.16与冷金属过渡焊焊枪1.2连接。

超声滚压机器人包括超声滚压机械臂2.1、接线盒2.2、安装架2.3、可旋转压辊2.4、变幅杆2.5、超声换能器2.6以及超声发生器2.7；接线盒2.2安装在超声滚压机械臂2.1的末端，与安装架2.3连接；可旋转压辊2.4的两端分别与两组变幅杆2.5的输出端连接，两组变幅杆2.5分别穿过安装架2.3，两组变幅杆2.5的输入端分别与两组超声换能器2.6的输出端连接，两组超声换能器2.6的输入端通过接线盒2.2和导线2.8与超声发生器2.7的输出端连接。

同轴双丝送粉电弧增材制造机器人和超声滚压机器人通过第一控制线5、第二控制线6、第三控制线7和第四控制线8和电脑控制系统4连接，由电脑控制系统4控制。

上述低应力电弧增材颗粒增强镍钛基复合材料构件的制备方法包括下述步骤。

(1)对工件基板表面进行预处理

所述工件基板为镍钛合金基板103，其中镍含量55％，钛含量45％。所述预处理：采用150#砂纸打磨，用酒精、丙酮等有机溶剂对基板表面进行清理，确保基板表面无油污、水渍、氧化膜等影响增材质量的因素。

(2)搭建实验平台

使用夹具将步骤(1)预处理后的基板固定在工作台3上，确定调平。进气管1.13连接保护气瓶1.12和冷金属过渡焊焊枪1.2，将直径为10-30μm陶瓷颗粒装入粉缸1.14，将粉缸1.14装入送粉控制柜1.15，送粉管1.16连接送粉控制柜1.15和冷金属过渡焊焊枪1.2，连接两台焊机和两台送丝机，连接焊接机械臂1.1和两台焊机，连接接线盒2.2和超声发生器2.7，连接电脑控制系统4、同轴双丝送粉电弧增材制造机器人和超声滚压机器人。将装有直径为1.2mm纯镍焊丝101和纯钛焊丝102的送丝盘分别装到同轴双丝送粉电弧增材制造机器人的两台送丝机上，调节两台送丝机分别将纯镍焊丝101和纯钛焊丝102通过压紧机构矫直后送到冷金属过渡焊焊枪1.2下方，干伸长均为15mm，通入保护气体，保护气体为70％氩气+30％氦气。

(3)调节初始状态。

调节冷金属过渡焊焊枪1.2位置垂直于基板表面，设置焊枪运动轨迹，运动轨迹为：以垂直基板表面方向为增材制造的打印方向，采用单向逐层沉积加工路径进行增材制造，焊枪每层结束后向上提高3mm的焊缝高度。超声滚压机器人中可旋转压辊2.4位于焊枪后方，水平距离控制在5～7mm之间，设置可旋转压辊2.4的运动轨迹与焊枪运动轨迹相同。

(4)电脑控制系统4设置同轴双丝送粉电弧增材制造机器人和超声滚压机器人的参数，焊接参数包括：送丝速度、送粉速度、焊接电流、打印速度、保护气流速。滚压参数包括：超声表面滚压速度，超声频率，施加压力。为了提高工件最初两层焊缝与基板的结合质量，适当提高前两道焊缝的送丝速度和电流，以保证后续多层成型质量良好，不出现失稳、流淌和坍塌等情况。

①第一层焊缝的参数：焊接参数：送丝速度为8.8～9.0m/min，送粉速度为10mm/min，电流为130～135A，打印速度为3～3.2mm/s，保护气体流速为20L/min；

超声滚压参数：超声表面滚压速度为3～3.2mm/s，超声频率为20kHz，施加压力为5～10MPa。

②第二层焊缝的参数：焊接参数：送丝速度为7.9～8.2m/min，送粉速度为10mm/min，电流1为18～122A，打印速度为3～3.2mm/s，保护气体流速为20L/min；

超声滚压参数：超声表面滚压速度为3～3.2mm/s，超声频率为20kHz，施加压力5～10MPa。

③第三层及以上焊缝的参数：焊接参数：送丝速度为7.2～7.5m/min，送粉速度为10mm/min，电流为108～112A，打印速度为3～3.2mm/s，保护气体流速为20L/min；

超声滚压参数：超声表面滚压速度为3～3.2mm/s，超声频率为20kHz，施加压力5～10MPa。

结论：采用同轴双丝送粉电弧增材制造可以实现钛、镍、陶瓷颗粒比例的任意调控，超声表面滚压处理，可以实现层间熔池内部液体的均匀振动搅拌，降低熔池内部气孔和微裂纹的产生，降低打印过程中的残余应力，细化构件内部的晶粒组织，防止开裂及变形，提高电弧增材制造构件的抗疲劳性能，避免由于残余应力过大引起的变形和开裂。

(5)机械加工

打印结束后，待镍钛基复合材料构件冷却至室温，采用数控机床对其进行机械加工，加工到预定尺寸。

(6)储存

对制备的颗粒增强镍钛基复合材料构件用软质材料包装，储存于洁净、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤5％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。