一种基于搅拌摩擦焊增材制造提高构件力学性能的方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种基于搅拌摩擦焊增材制造提高构件力学性能的方法。

背景技术

目前金属的增材制造(3D打印)大多采用熔焊方法，以激光束、电子束为能源的高能束增材制造技术是该技术领域的重要发展方向，具有快速成型、加工精度较高等优点，在高温合金成形和精密部件制造等领域应用广泛。然而，由于铝合金具有熔化潜热大、热裂纹敏感性高、本征易氧化等固有冶金局限性，采用目前常见的激光选取熔覆、熔丝电弧增材制造、电子束自由增材成形等存在熔化再凝固过程的增材制造方案时，工作温度高于材料熔点，母材熔化，凝固时易产生气孔、裂纹等缺陷，且后续加工制造对已凝固材料产生热作用，可能降低整体性能，这对于目前广泛应用的铝、镁合金等低熔点轻金属材料的影响更为严重。降低了铝合金增材制造构件力学性能。限制了这一类增材制造技术在高强铝合金增材制造领域的广泛应用。

搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，FSW)是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，利用轴肩和搅拌针与工件之间的摩擦产热和搅拌作用使材料塑化，摩擦产热使该部位金属处于一种热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。与传统的焊接方法相比，由于焊缝金属不熔化，所以无气孔、裂纹等缺陷，有晶粒细化、接头质量高、焊接变形小、残余应力小、焊接过程无污染等优点，是铝、镁等轻合金的优选焊接方法。

在现有的相关研究中，对于提高增材成形件力学性能方面中国专利CN114083290A提出的辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置将热处理工艺过程嵌入激光增材制造构件制备过程中,充分利用构件热加工后剩余温度及工艺间隙,通过局部温控、局部冲击对结构凝固及相变过程进行控制。增材构件局部经历了短时间内的快速热处理与机械处理,改善了制备的激光增材制造构件微观组织结构,提高了制备件的力学性能。但是冲击压力易导致已成型部分发生变形或破损,会在不同程度上影响到后续成型部分的成形效果。对此提出一种提高铝合金粉末激光增材制造力学性能的装置和方法，通过在增材制造过程中在沉积层间隔插入高性能的金属网格，不会使已成形部分发生变形也可以获得性能优良的成形件。

因此，利用搅拌摩擦焊进行金属增材制造，尤其是铝合金等轻金属的增材制造可以获得晶粒细化、无气孔、无裂纹的高性能零件，能够有效构件的力学性能。

发明内容

本发明提供了一种基础搅拌摩擦焊增材制造提高构件力学性能的方法，通过在搅拌摩擦焊增材制造过程中，添加铝质涂层与高性能的金属网格，且不会使已成形部分发生变形，消除材料中存在气孔、裂纹的问题，以此实现提高构件力学性能的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、以硅酸钠溶液为基质，在其中加入特定比例的铝质粉末制成糊状铝质涂层备用。

步骤二、在基板上覆盖一层厚度、大小合适且平整的金属网。

步骤三、涂覆铝质涂层，将配制的糊状铝质涂层基料均匀的涂覆在覆盖了高性能的金属网格的基板上，涂覆层高度大于金属网厚度。

步骤四、干燥涂层：将恒温工作台打开设置80-100℃，高温干燥1-4小时至涂层基本干燥。

步骤五、在铝质涂层上再覆盖一层铝质薄板。

步骤六、采用工装夹具，将干燥后带有涂层与金属网的基板固定在搅拌摩擦设备上，保证其在搅拌摩擦增材制造过程中不发生滑动。

步骤七、确定搅拌摩擦焊增材制造工艺参数为：旋转速度为650r/min下压量为焊接速度为150mm/min，下压量为1.5mm,略大于薄板与涂层及金属网厚。

步骤八、薄板面向上，对基板进行增材制造，将铝质涂层与高质量金属网熔于焊缝中，一体成形。

所诉的铝质涂层制作方法为：在烧杯中加入10-15ml的硅酸钠溶液，再称取12-20g的铝粉，缓慢加入烧杯中并搅拌均匀，制成具有一定粘稠度的涂层。

所述粘结剂材质为硅酸钠溶液，其常温20℃下为38-50波美度，模数为2.25-2.31，其中二氧化硅含量为26％-29.99％，氧化钠含量为8.2％-13.75％。

所诉金属网为304不锈钢网，其丝径为0.11mm；孔径为0.32mm。

所诉的基板材质为1060铝板，尺寸为200mm×200mm×2mm。

所述的薄板材质为1060铝板，尺寸为200mmx200mmx1mm。

本发明的优点：

本发明提供了一种搅拌摩擦焊增材制造提高构件力学性能的方法，搅拌摩擦增材制造与传统增材制造方法相比热输入大幅降低，材料受热或冷却过程中发生膨胀或收缩的程度不大，不均匀变形程度很小，消除了制造过程中可能产生的裂纹、气孔等缺陷，使得残余应力极小，对工件疲劳强度、应力腐蚀等力学性能的不利影响几乎可以忽略不计，易于获得质量稳定、具有优良性能的结构材料。

本发明在增材制造的过程中插入金属网格,能在不使已成形部分发生变形的条件下有效的增强构件的力学性能。

搅拌摩擦增材制造过程中不会产生光辐射、烟尘和噪音污染等，是一种绿色的增材制造方法，对人体和环境无任何危害。

附图说明：

图1为本发明在基板上加入高质量金属网与铝质涂层后进行搅拌摩擦焊的过程示意图。

具体实施方式：

下面结合试验实例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

一种基于搅拌摩擦焊增材制造提高构件力学性能的方法，选用1060铝板为基板，包括以下步骤：

步骤一、以硅酸钠溶液为基质，在其中加入特定比例的铝质粉末制成糊状铝质涂层备用。

步骤二、在基板上覆盖一层厚度、大小合适且平整的金属网。

步骤三、涂覆铝质涂层，将配制的糊状铝质涂层基料均匀的涂覆在覆盖了高性能的金属网格的基板上，涂覆层高度大于金属网厚度。

步骤四、干燥涂层：将恒温工作台打开设置80-100℃，高温干燥1-4小时至涂层基本干燥。

步骤五、在铝质涂层上再覆盖一层铝质薄板。

步骤六、采用工装夹具，将干燥后带有涂层、薄板与金属网的基板固定在搅拌摩擦设备上，保证其在搅拌摩擦增材制造过程中不发生滑动。

步骤七、确定搅拌摩擦焊增材制造工艺参数为：旋转速度为650r/min下压量为焊接速度为150mm/min，下压量为1.5mm,略大于薄板与涂层及金属网厚。

步骤八、薄板面向上，对基板进行增材制造，将铝质涂层与高质量金属网熔于焊缝中，一体成形。