一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，其特征在于：以消耗型材料作为搅拌摩擦工具，采用搅拌摩擦堆焊的方法，使消耗型搅拌摩擦工具的材料在基体表面逐层固相堆积，从而制备出所需金属材料。本发明专利技术的方法具有成本低廉、成型速度快、制备用时短等优点。

A method of building material by using a consumable friction stir tool

The invention discloses a consumption type friction stir tool by increasing material manufacturing method, which is characterized in that the consumption type materials as friction stir tool, using the method of friction stir welding, the consumption type friction stir tool material layer on the substrate surface, solid accumulation, thus preparing for metal materials. The method of the invention has the advantages of low cost, fast forming speed, short time making and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法
本专利技术涉及复合材料制备的
，具体涉及利用消耗型搅拌摩擦工具通过搅拌摩擦堆焊增材制造的方法。
技术介绍
铝合金与镁合金等轻金属材料以及轻金属基复合材料近年来在汽车、船舶、航空航天和国防领域发展迅速，零件朝着小型化、复杂化的方向发展。传统铸造方法制备合金材料因其力学性能不佳，难以满足使用要求；通过锻压等方法生产零件，模具复杂、精度要求高，对于小批量零件生产成本高。而粉末冶金法、化学气相沉积法、自蔓延高温合成法、离心铸造法、等离子喷涂法等，制备效果不理想、设备昂贵、工艺繁琐，在材料制备的实际应用中很难得到广泛推广。所以，一种制备小型、复杂结构零件的新方法就显得尤为重要。以高能束流为热源的金属熔化增材制造技术在制备钛合金、高温合金等材料方面有很大的技术优势，但对铝合金、镁合金等材料由于能量的吸收率极低，限制了高能束增材制造技术在铝合金、镁合金制造领域的应用。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法。本专利技术解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术公开了一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，其特点在于：以消耗型材料作为搅拌摩擦工具，采用搅拌摩擦堆焊的方法，使消耗型搅拌摩擦工具的材料在基体表面逐层固相堆积，从而制备出所需金属材料。具体包括如下步骤：(1)基体选择根据所需制备的金属材料，选择合适金属板材作为基体，所选基体上表面面积不小于所需制备的金属材料的最大截面积；当所需制备的金属材料为合金块体材料时，选择硬质合金板材作为基体；当所需制备的金属材料为金属基表面材料时，以目标金属基板材作为基体；(2)加工前处理对所选基体的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；(3)选取消耗型搅拌摩擦工具按照所需制备的金属材料的成分，选取相同成分的消耗型搅拌摩擦工具；(4)第一层搅拌摩擦堆焊将经前处理后的基体固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对基体的上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1在0.8-1.2mm范围内；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第一层堆焊层的目标面积选择；其中：消耗型搅拌摩擦工具的旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；(5)第二层搅拌摩擦堆焊将步骤(4)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对其进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2在0.8-1mm范围内，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为则第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合度为k2，50％≥k2≥20％；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第二层堆焊层的目标面积选择；其中：消耗型搅拌摩擦工具的旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；(6)第n层搅拌摩擦堆焊以此类推，按步骤(5)相同的方法，将进行完第n-1层搅拌摩擦堆焊后的基体，n≥1，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对其进行第n层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度hn在0.8-1mm范围内，第n层堆焊层与第n-1层堆焊层的重合区域厚度为则第n层堆焊层与第n-1层堆焊层的重合度为kn，50％≥k2≥20％；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第n层堆焊层的目标面积选择；其中：消耗型搅拌摩擦工具旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；(7)后处理当所需制备的金属材料为合金块体材料时，在完成步骤(6)后，将基体切除，即获得目标产品；当所需制备的金属材料为金属基表面材料时，在完成步骤(6)后，即获得目标产品。与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：本专利技术通过搅拌摩擦堆焊，利用消耗型搅拌摩擦工具，以金属板材为基体即可成功制备出所需金属材料，在加工过程中材料始终处于固相状态，从而避免了其他方法在熔化和凝固过程引起的缩松、孔隙等缺陷；并且本专利技术的方法设备简单、操作步骤简便、不需要使用保护气体、绿色环保、生产成本较低。附图说明图1为本专利技术搅拌摩擦堆焊过程的示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作详细说明，下述实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1本实施例包括以下步骤：(1)基体选择根据需要，选择200mm×100mm×10mm的H13钢作为基体。(2)加工前处理对所选基体的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理。(3)第一层搅拌摩擦堆焊将经前处理后的基体固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以AZ91D镁合金消耗型搅拌摩擦工具对基体的上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1为1mm，堆焊面积为150mm×80mm，具体工艺参数为：搅拌头的旋转速度1500rpm、行进速度60mm/min。(4)第二层搅拌摩擦堆焊将步骤(3)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以AZ91D镁合金消耗型搅拌摩擦工具对其进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2为0.8mm、堆焊面积为140mm×70mm，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为为0.16mm，则第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合度为k2，k2＝20％，具体工艺参数为：搅拌头的旋转速度1500rpm、行进速度60mm/min。(5)第二十层搅拌摩擦堆焊以此类推，按步骤(4)相同的方法，依次进行第三层至第二十层搅拌摩擦堆焊，各堆焊层的厚度皆为0.8mm、后一堆焊层与前一堆焊层的重合度皆为20％。其中，第3～6层堆焊层的面积为120mm×50mm、第7～10层堆焊层的面积为100mm×40mm、第11～14层堆焊层的面积为60mm×30mm、第15～18层堆焊层的面积为30mm×20mm、第19～20层堆焊层的面积为10mm×10mm。且后一堆焊层不超出前一堆焊层所在的区域。(6)在完成20次搅拌摩擦堆焊后，将基体切除，即获得厚度为13.16mm、最大截面积为150mm×80mm、最小截面积为10mm×10mm的AZ91D镁合金。实施例2本实施例包括以下步骤：(1)基体选择根据需要，选择200mm×100mm×10mm的H13钢作为基体。(2)加工前处理对所选基体的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理。(3)第一层搅拌摩擦堆焊将经前处理后的基体固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以7075铝合金消耗型搅拌摩擦工具对基体的上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1为1mm，堆焊面积为200mm×100mm，具体工艺参数为：搅拌头的旋转速度1200rpm、行进速度47.5mm/min。(4)第二层搅拌摩擦堆焊将步骤(3)进行完第一层搅拌摩擦堆焊后的基体，固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以7075铝合金消耗型搅拌摩擦工具对其进行第二层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h2为0.8mm、堆焊面积为200mm×100mm，第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合区域厚度为为0.16mm，则第二层堆焊层与第一层堆焊层的重合度为k2，k2＝20％，具体工艺参数为：搅拌头的旋转速度1200rpm、行进速度47.5mm/min。(5)第十五层搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，其特征在于：以消耗型材料作为搅拌摩擦工具，采用搅拌摩擦堆焊的方法，使消耗型搅拌摩擦工具的材料在基体表面逐层固相堆积，从而制备出所需金属材料。

【技术特征摘要】
1.一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，其特征在于：以消耗型材料作为搅拌摩擦工具，采用搅拌摩擦堆焊的方法，使消耗型搅拌摩擦工具的材料在基体表面逐层固相堆积，从而制备出所需金属材料。2.根据权利要求1所述的一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)基体选择根据所需制备的金属材料，选择合适金属板材作为基体，所选基体上表面面积不小于所需制备的金属材料的最大截面积；当所需制备的金属材料为合金块体材料时，选择硬质合金板材作为基体；当所需制备的金属材料为金属基表面材料时，以目标金属基板材作为基体；(2)加工前处理对所选基体的上表面进行包括砂纸打磨、酒精清洗、丙酮去污和干燥各过程的表面处理；(3)选取消耗型搅拌摩擦工具按照所需制备的金属材料的成分，选取相同成分的消耗型搅拌摩擦工具；(4)第一层搅拌摩擦堆焊将经前处理后的基体固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，以消耗型搅拌摩擦工具对基体的上表面进行第一层搅拌摩擦堆焊，堆焊层厚度h1在0.8-1.2mm范围内；所选消耗型搅拌摩擦工具的直径根据第一层堆焊层的目标面积选择；其中：消耗型搅拌摩擦工具的旋转速度为300-3000rpm、行进速度为30-300mm/min；(5)第二层搅拌摩擦堆焊将步骤(4)进...

【专利技术属性】
技术研发人员：华鹏，李枘，肖萌，李先芬，吴玉程，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34