一種適用於高性能金屬構件的多電弧協同增材製造方法與流程

2024-02-07 11:58:15

本發明屬於增材製造相關技術領域，更具體地，涉及一種適用於高性能金屬構件的多電弧協同增材製造方法。

背景技術：

所謂電弧熔化金屬絲材增材製造技術，是一種以電弧作為熱源熔化金屬絲材，並使得熔化的絲材按照所設定的成形路徑不斷堆積成形的快速增材製造方法。電弧增材製造工藝作為小熔池熔鍊冶金技術，其堆積層金屬力學性能好，化學成分均勻。電弧增材製造工藝相對於高能束(雷射、電子束)之類的增材製造技術而言，具有成本低、效率高、空間任意曲面成形等特點，因而適用於各類大型複雜金屬構件的成形。

現有技術中，電弧熔絲增材製造的效率大約為3kg/h-5kg/h(鋼鐵材料)，其成形效率與雷射、電子束類型相比較高，但在成形大型金屬構件的場合仍然效率偏低。此外，進一步的研究表明，在電弧熔絲堆積過程中，熱積累往往會使堆積成形金屬構件晶粒粗大，造成性能惡化，不能滿足大型金屬構件的高性能要求。相應地，本領域亟需作出進一步的完善和改進，以便更好地符合日益提升的質量要求。

技術實現要素：

針對現有技術的以上不足或改進需求，本發明提供了一種適用於高性能金屬構件的多電弧協同增材製造方法，其中通過將單絲電弧熔絲機理改變為多絲電弧熔絲機理，特別是還進一步對這多個電弧的具體設置方式、操控原理、應用條件和關鍵工藝參數等多個方面做出針對性的研究和設計，相應能夠很好地調節堆積金屬的溫度場、顯著改善金屬組織結構，實現更高效率和更高質量的電弧增材製造全過程，並且尤其適用於一些高性能大型複雜金屬構件的特定應用場合。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種適用於高性能金屬構件的多電弧協同增材製造方法，其特徵在於，該方法包括：

(a)針對待成形的金屬構件，布置多個相互獨立的電弧槍，這些電弧槍分別配有獨立的電源，並且各自既可沿著x軸、y軸和z軸方向執行直線移動，也可執行以z軸為轉動軸的[0°,60°]範圍內的角度調整，從而使得它們彼此之間的相對位置和工作姿態發生自由改變；

(b)基於金屬構件的三維模型和成形路徑，向各個電弧槍的送絲系統裝上相同或不同的金屬絲材，並根據工況需求，採用下列工作模式中的一種或任意組合來執行金屬構件的多電弧系統增材製造過程：

(b1)共熔池工作模式：將所述多個電弧槍彼此之間的相對間距設定為小於10mm，由此在此狀態下通過多個電弧槍的配合，使得堆積過程的金屬構件獲得相對較快的第一冷卻速度；

(b2)不共熔池工作模式：將所述多個電弧槍彼此之間的相對間距設定為大於18mm，由此在此狀態下通過多個電弧槍的配合，使得堆積過程的金屬構件獲得相對較慢的第二冷卻速度；

(b3)部分共熔池工作模式：將所述多個電弧槍彼此之間的相對間距設定處於[10mm,18mm]的區間範圍，由此在此狀態下通過多個電弧槍的配合，使得堆積過程的金屬構件獲得第三冷卻速度，其中該第三冷卻速度介於所述第一冷卻速度與所述第二冷卻速度之間。

作為進一步優選地，在所述的共熔池工作模式下，各個電弧槍相對於z軸的夾角進一步優選設定處於(30°,60°]的區間範圍；在所述的不共熔池工作模式下，各個電弧槍相對於z軸的夾角進一步優選設定處於(0°,10°]的區間範圍；此外，在所述的部分共熔池工作模式下，各個電弧槍相對於z軸的夾角進一步優選設定處於(10°,30°]的區間範圍。

通過以上構思，由於採用了多絲電弧熔絲機理來執行增材製造過程，整體成形效率可大大提高，如5束電弧熔絲增材製造的成形效率至少可達到15kg/h(鋼鐵材料)，顯著減少了大型金屬構件的成形時間；此外，通過以上對多束電弧之間的相對距離和作業姿勢等關鍵工藝參數專門進行研究和設計，實際測試表明可有效調控溫度場，使得堆積過程的金屬構件在冷卻過程尤其是從800℃到300℃的重要階段可獲得更高韌性和更高強度的組織構造，同時避免晶粒過分長大；此外，上述工藝還便於多種不同材料的同步增材製造，並且多種模式可根據需求靈活調整，因而尤其適用於多材料梯度結構的高性能金屬構件製造場合。

作為進一步優選地，所述多個電弧槍的數量優選為5個以上，並各自配有位置及姿態調節機構。

作為進一步優選地，所述共熔池工作模式優選適用於合金含量高、易形成馬氏體組織的金屬構件電弧增材製造過程。

作為進一步優選地，所述不共熔池工作模式優選適用於低碳鋼、微合金鋼，或者不易形成馬氏體組織的金屬構件電弧增材製造過程。

作為進一步優選地，所述部分共熔池工作模式優選適用於低合金鋼、或者可能形成馬氏體組織的金屬構件電弧增材製造過程。

作為進一步優選地，所述金屬構件優選為多材料梯度結構。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點：

1、可顯著提高電弧增材成形效率：目前單電弧熔絲增材製造的成形的效率僅為3-5kg/h(鋼鐵材料)，通過本發明，譬如當採用5束電弧熔絲增材製造時，其成形效率至少達到15kg/h(鋼鐵材料)，減少了大型金屬構件的成形時間；

2、更重要的是，本發明中通過調控多束電弧之間的相對距離和工作姿態，並對其具體取值範圍作出進一步的針對性設計，相應可有效達到調控金屬構件堆積過程中的溫度場的目的，確保金屬構件在整個冷卻過程尤其是從800℃到300℃的階段可獲得各種適當的不同冷卻速度，相應得到高韌性、高強度和晶粒不會過分成大的金屬組織，進而得到所需的高性能大型金屬構件；

3、本發明還可實現多種不同材料同時增材製造。例如，可在多束電弧各自的送絲系統上裝放不同成分的絲材，多種成分不同的金屬絲材同時增材製造，由此便於加工形成多材料梯度結構與性能的金屬構件；

4、按照本發明的上述方法在提高成形效率的同時，還能夠以便於操控、適應性強的方式來調控堆積成形金屬構件組織與性能，實現高性能大型複雜金屬構件的高效率、高性能堆積成形，因而尤其適用於譬如艦船、航空之類的高性能大型金屬構件的電弧增材製造應用場合。

附圖說明

圖1是以5束電弧為例，示範性顯示按照本發明所構建的多電弧協同增材製造方法的電弧布置示意圖；

圖2是用於具體顯示圖1中的單個電弧相對於z軸方向的角度示意圖；

圖3a是用於具體顯示按照本發明的共熔池工作模式下的電弧槍位置示意圖；

圖3b是用於具體顯示按照本發明的不共熔池工作模式下的電弧槍位置示意圖；

圖3c是用於具體顯示按照本發明的部分熔池工作模式下的電弧槍位置示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

基於前面背景技術部分的分析，堆積成形構件的性能主要取決於顯微組織。根據金屬學與焊接冶金理論，在金屬絲材成分一定的情況下，對電弧增材製造堆積金屬構件組織起決定作用的是堆積過程中金屬構件的溫度場，特別是從800℃到300℃的冷卻速度。相應地，本申請考慮利用堆積金屬的組織轉變圖，並通過更為精細去調控溫度場的方式，確保可獲得適當的不同冷卻速度來通過高韌性組織轉變區，進而確保金屬構件在組織轉變過程中形成高韌性、高強度的組織，並儘量避免晶粒過分成長的問題。

圖1是以5束電弧為例，示範性顯示按照本發明所構建的多電弧協同增材製造方法的電弧布置示意圖。如圖1所示，這5束電弧的空間距離、姿態均可獨立調控，也即這些相互獨立的5束電弧按一定的形式排列，各電弧獨立，並各自有獨立電源與位置及姿態調節機構等，可靈活地調整弧電弧槍的位置與姿態。以此方式，通過調節5束電弧之間的相對位置關係及作業姿勢等，使5束電弧之間形成共熔池、部分共熔池、不共熔池三種狀態，不同狀態下金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度不同，獲得不同的組織與性能，實現電弧增材製造金屬構件組織與性能的調控。

更具體地，這五個獨立的電弧槍可分別固定在一個機械裝置上，其中電弧槍1可沿著x軸、y軸和z軸(也即左右水平方向、垂直穿過紙面的方向和上下豎直方向，這三種方向共同構造常規的xyz坐標系)譬如經由導軌產生相對直線運動，此外還可執行以z軸為轉動軸的角度調整，其中與z軸之間的夾角如圖2所示整體被保持在0～60°的範圍內，由此獲得不同組合的相對位置和工作姿態。相應地，通過這些電弧槍之間的配合，可形成共熔池、部分共熔池和不共熔池三種不同狀態的工作模式，實現大型金屬構件高效率、高性能電弧增材製造。

如圖3a所示，當5束電弧彼此之間的相對間距設定為小於10mm，並且可進一步優選使得各個電弧槍相對於z軸的夾角譬如處於(30°,60°]的區間範圍時，此時處於共熔池工作模式；在此模式下，電弧熱在堆積金屬構件的積累大，堆積金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度較慢；進一步的研究發現，此工作模式適宜於合金含量較高，易形成馬氏體組織的金屬構件電弧增材製造。

如圖3b所示，當5束電弧彼此之間的彼此之間的相對間距設定為大於18mm，此時可還進一步優選使得各個電弧槍相對於z軸的夾角譬如處於(0°,10°]的區間範圍時，此時處於非熔池工作模式；在此模式下，電弧熱在堆積金屬構件的熱積累較小，堆積金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度快；進一步的研究發現，此工作模式適宜於低碳鋼，微合金鋼，不易形成馬氏體組織的金屬構件電弧增材製造。

如圖3c所示，當5束電弧彼此之間的相對間距設定處於[10mm,18mm]的區間範圍，此時還可進一步優選將各個電弧槍相對於z軸的夾角譬如處於(10°,30°]的區間範圍時，此時處於部分熔池工作模式；在此模式下，電弧熱在堆積金屬構件的熱積累介於共熔池和不共熔池之間，堆積金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度也介於共熔池和不共熔池之間；進一步的研究發現，此工作模式下適宜於低合金鋼，有可能形成馬氏體組織的金屬構件電弧增材製造。

在堆積成形過程中，以上5個電弧同時工作，成形效率至少達到15kg/h(鋼鐵材料)，極大提高了堆積成形效率。此外，通過調控5電弧的相對位置及工作姿勢的調節控制溫度場，實現大型高性能金屬構件高效率、高性能增材製造。

此外，本發明所提供的電弧增材製造成形工藝方法具體可包括下列步驟：

1、對多束電弧熔池狀態調控：通過調節多束電弧槍體的距離、姿態，以便組成共熔池、部分共熔池與不共熔池各種狀態；

2、三維建模與路徑規劃：可採用ug或pro/e三維造型軟體繪製出增材製造的大型金屬構件的三維cad模型，並規劃出成形路徑；

3、溫度場調控：由成形金屬材料的成分，確定堆積金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度，使冷卻速度通過需要得到的組織區域，調節多電弧之間的相對位置成為共熔池、部分共熔池與不共熔池中特定的狀態；

4、堆積成形：按給定的工藝參數，進行電弧增材製造大型高性能金屬構件。

下面繼續給出不同應用場合的多個具體實施例，以便更為清晰地解釋本發明。

實施例1

某艦船關鍵構件，構件的抗拉強度在1000mpa以上，成形材料有較高的合金元素含量，堆積成形過程中，若冷卻速度過快，易產生韌性較低的片狀馬氏體組織。為了避免片狀馬氏體的產生，獲得高韌性組織，以採用5束電弧共熔池的方式為例來執行增材製造。具體步驟如下：

1)調節5束電弧的距離，保證其相互之間的距離為6mm(10mm以內即為共熔池狀態)，電弧槍體與z軸的夾角為39°，此時為5束電弧為共熔池狀態；

2)三維模型建立：採用ug三維造型軟體繪製出零部件的三維cad模型，生成機器人數控代碼與成形路徑軟體；

3)溫度場調控：由cct圖確定堆積金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度大小，調節堆積電流、電壓、弧電弧槍行走速度，配合共熔池，將堆積成形金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度控制在選定的範圍內；

4)堆積成形：按給定的電流、電壓、弧電弧槍行走速度堆積成形。

所獲得的金屬構件的性能數據實測如下表1所示：

表1

實施例2

某大型建築關鍵構件，構件抗拉強度在500mpa以上，成形材料為低合金碳鋼。為了避免晶粒過分長大，從800℃到300℃的冷卻速度不能夠太慢。因此，為了獲得高強度、高韌性的金屬構件，用5電弧非共熔池狀態進行增材製造。具體步驟如下：

1)調節5束電弧的距離，保證其相互之間的距離為20mm(18mm以上即為非共熔池狀態)，電弧槍體與z軸的夾角為9°，此時為5束電弧為不共熔池狀態；

2)三維模型建立：採用三維造型軟體pro/e繪製出零部件的三維cad模型，生成機器人數控代碼與成形路徑軟體；

3)溫度場調控：由組織轉變cct圖確定堆積金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度應該在10℃/s左右，調節堆積電流、電壓、弧電弧槍行走速度，配合不共熔池，將堆積成形金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度控制在選定的範圍內；

4)堆積成形：按給定的電流、電壓、弧電弧槍行走速度堆積成形。

所獲得的金屬構件的性能數據實測如下表2所示：

表2

實施例3

某大型壓力容器關鍵構件，構件抗拉強度在780mpa以上，成形材料為低合金碳鋼。既要避免晶粒過分長大，又要防止馬上體的產生，從800℃到300℃的冷卻速度要適中。因此，為了獲得高強度、高韌性的金屬構件，採用5電弧部分共熔池進行增材製造。具體步驟如下：

1)調節5束電弧的距離，保證其相互之間的距離為12mm(10mm～18mm之間為部分共熔池狀態)，槍體姿態的夾角為25°，此時為5束電弧為部分共熔池狀態；

2)三維模型建立：採用ug三維造型軟體繪製出零部件的三維cad模型，生成機器人數控代碼與成形路徑軟體；

3)溫度場調控：由cct圖確定堆積金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度大小，調節堆積電流、電壓、弧電弧槍行走速度，配合部分共熔池狀態，將堆積成形金屬構件從800℃到300℃的冷卻速度控制在選定的範圍內；

4)堆積成形：按給定的電流、電壓、弧電弧槍行走速度堆積成形。

所獲得的金屬構件的性能數據實測如下表3所示：

表3

實施例4

某煉鋼裝備關鍵構件，外表面要求耐高溫的0cr13nimo馬氏體不鏽鋼，中間為過渡層0cr17ni9不鏽鋼，內表面為42crmo合金鋼。為了實現多材料梯度結構，內表面為電弧1與電弧2使用42crmo絲材，並且共熔池，電弧3使用0cr17ni9絲材，電弧4與電弧5使用0cr13nimo絲材，並共熔池。他們三者不共熔池，進行多材料與梯度結構增材製造時，具體步驟如下：

1)調節5束電弧的距離，電弧1、2之間的距離為6mm，為共熔池狀態，電弧槍體與z軸的夾角為21°。電弧3與電弧1、2之間的距離為18mm，電弧槍3與z軸的夾角為5°電弧3與電弧1、2為非共熔池狀態。電弧4、5之間的距離為6mm，為共熔池狀態，電弧槍體與z軸的夾角為21°。電弧3與電弧4、5之間的距離為18mm，電弧3與電弧4、5為非共熔池狀態。因此在多材料與梯度結構的增材製造過程中，電弧之間即有共熔池，又有不共熔池；

2)三維模型建立：採用三維造型軟體pro/e繪製出零部件的三維cad模型，生成機器人數控代碼與成形路徑軟體；

3)將成形所需要的三種絲材分別放置到相應的送絲機構中，電弧1、2為42crmo絲材，電弧3為0cr17ni9絲材，電弧4、5為0cr13nimo絲材絲材；

4)堆積成形：按給定的電流、電壓、弧電弧槍行走速度堆積成形，成為相應的多材料梯度結構。

綜上，按照本發明的上述方法在提高成形效率的同時，還能夠以便於操控、適應性強的方式來調控堆積成形金屬構件組織與性能，實現高性能大型複雜金屬構件的高效率、高性能堆積成形，因而尤其適用於譬如艦船、航空之類的高性能大型金屬構件的電弧增材製造應用場合。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。