技术领域
[0001] 本
发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种电子束-超声协同复合增材制造的装置。
背景技术
[0002] 金属增材制造技术是基于三维数字模型，利用计算机辅助技术实现平层切片、路径规划，并采用相应的数控技术实现
金属粉末或丝材堆积制造得到完整实体零件的技术。该技术涵盖技术领域多，应用范围广，被誉为第三次工业革命中数字化制造的重要标志。现在较为成熟的技术增材制造技术包括激光选区
熔化技术(SLM)、电子束选区熔化技术(EBSM)、电子束熔丝沉积技术(EBFF)和激光立体成形技术(LSF)、
电弧熔丝增材制造技术(WAAM)等。电子束熔丝沉积技术因其沉积环境处于
真空环境中，材料成型美观，不易产生
氧化
缺陷，且电子束热源集中，热输入量大，熔丝增材速度较快，生产效率高。因此，电子束熔丝沉积技术广泛应用于航空航天领域的
钛合金及易氧化金属的整体构件制造。
[0003] 目前，电子束熔丝沉积技术较为成熟，但成形零件组织均匀性较差，极易出现成分偏析、组织偏析等现象，同时因为反复多次
重熔处理，导致晶粒粗化，
力学性能降低。实质上，电子束熔丝沉积过程是一个重复
焊接过程，局部不均匀加热和冷却使得材料发生不同膨胀和收缩，导致内部出现大量的残余
应力，易造成结构
刚度下降、尺寸
稳定性不高，局部区域出现开裂现象。
[0004] 消除残余应力的传统有效方法包括整体
热处理、局部热处理、锤击法、温差拉伸法等，同时采用热处理的办法也能够解决零件组织均匀性差，晶粒粗化，成分偏析等问题。但是，增材制造主要应用于大型构件的
近净成形，零件结构复杂，整体热处理较为困难，且易出现局部区域
散热条件不同，产生应力；采用锤击法、温差拉伸法会对构件整体尺寸产生影响，影响后续使用。因此，采用增材过程进行超声处理，简化工序，避免了构件尺寸、形状、材质的限制，达到了细化晶粒、消除应力，提高构件力学性能的作用。
[0005] 消除残余应力的传统有效方法包括整体热处理、局部热处理、锤击法、温差拉伸法等，同时采用热处理的办法也能够解决零件组织均匀性差，晶粒粗化，成分偏析等问题。但是，增材制造主要应用于大型构件的近净成形，零件结构复杂，整体热处理较为困难，且易出现局部区域散热条件不同，产生应力；采用锤击法、温差拉伸法会对构件整体尺寸产生影响，影响后续使用。目前，公开号为CN107225244A
专利公开了一种调控/降低激光增材制造零件内应力的方法，通过采用熔覆层高温加热原理，引入
激光冲击强化技术，实现内应力可控。但是该方法每一层沉积均需要进行熔覆层高温加热，降低了增材效率，延长了零件整体成型时间。公开号为CN104525944A专利公开了一种金属材料高能束-超声复合增材制造方法，该方法在增材过程中添加超声冲击设备，但是没有做到协同处理，在沉积层堆积一定层数后再进行超声冲击处理，堆积层数多，无法实现整体塑性
变形，同时无法改变枝晶形态和溶质不均匀现象，并且该方法会造成沉积层厚不均匀，影响零件的组织分布，造成力学性能降低。
发明内容
[0006] 针对目前面临的技术难题，本发明目的在于提供一种电子束-超声协同复合增材制造的装置。
[0007] 实现本发明目的提供技术方案如下：
[0008] 一种电子束-超声协同复合增材制造的装置，该装置包括电子枪、送丝系统、电子枪真空室、真空成形室、工作位移平台、超声冲击系统，所述的电子枪包括垂直方向依次设置的产生电子束的
灯丝、
阴极、栅极、
阳极聚焦线圈以及偏转线圈，所述的电子枪置于电子枪真空室中；所述的电子枪真空室设置在真空成形室顶部，并通过电子气
阀实现与真空成形室相连通以及隔绝，电子枪真空室、真空成形室均通过真空系统来实现需要的真空度；所述的工作位移平台置于真空成形室中，其上设置
基板，包括通过竖直
导轨实现竖直Z轴方向运动的承载平台、
水平面XY轴方向运动的工作平台以及位移控制系统；所述的送丝系统包括放置在真空室外的
送丝机构、固定在真空成形室内壁的送丝枪；所述的超声冲击系统包括置于真空成形室中工作平台上的位移导轨、超声冲击枪头和置于真空成形室外部的位移以及超声处理控制装置。
[0009] 超声冲击枪头的超声冲击输出端始终设置在垂直于构件表面，及超声冲击方向为构件表面的法线方向，对沉积层进行完全冲击；所述的超声冲击枪头(18)的超声冲击
位置与电子束热源距离为50-100mm。
[0010] 超声冲击枪头头直径为0.5-3mm，冲击
电流为1-10A，振幅为5-20μm，超声冲击
频率为10-20kHz。
[0011] 基板与工作位移平台之间紧密夹持，减少由于超声冲击带来的基板位移。
[0012] 进一步的，位移导轨竖直导轨选用奥氏体不锈
钢，304或者316L。
[0013] 进一步的，超声冲击枪头选用Ti6Al4V。
[0014] 本发明相对于
现有技术相比具有显著优点在于：
[0015] 1)本发明的装置能够消除零件内应力。
[0016] 2)本发明的装置能够达到制得零件溶质均匀化以及良好的均匀微观组织。
[0017] 3)本发明的装置首次采用了电子束-超声协同复合增材制造的装置和方法，采用增材过程进行超声处理，简化工序，避免了构件尺寸、形状、材质的限制，达到了细化晶粒、消除应力，提高构件力学性能的作用。
附图说明
[0018] 图1为本发明中电子束-超声协同复合增材制造的装置的示意图。
[0019] 其中，1-真空成形室，2-工作平台，3-承载平台，4-竖直导轨，5-基板，6-送丝机构，7-电子枪真空室，8-真空系统，9-位移和超声控制系统，10-电子气阀，11-送丝枪，12-灯丝，
13-阴极，14-栅极，15-阳极，16-聚焦线圈，17-偏转线圈，18-超声冲击枪头，19-位移导轨，
20-位移控制系统。
具体实施方式
[0020] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体
实施例，进一步阐述本发明。
[0021] 一种电子束-超声协同复合增材制造的装置，其包括电子枪、送丝系统、电子枪真空室、真空成形室、工作位移平台、超声冲击系统，所述的电子枪包括产生电子束的灯丝12、灯丝下方的阴极13、阴极下方的栅极14、栅极下方的阳极15、阳极下方的聚焦线圈16以及聚焦线圈下方的偏转线圈17，该电子枪置于电子枪真空室7中；所述的电子枪真空室7置于真空成形室1顶部，并通过电子气阀10实现与真空成形室相连通以及隔绝，两个真空室均通过真空系统8来实现需要的真空度；所述的工作位移平台置于真空成形室中，包括通过竖直导轨4实现竖直Z轴方向运动的承载平台3、实现水平面XY轴方向运动的工作平台2以及位移控制系统20；所述的送丝系统包括放置在真空室外的送丝机构7、固定在真空室内壁的送丝枪11；所述的超声冲击系统包括置于真空室中工作平台上的位移装置19、用于超声处理的超声冲击枪头18和置于真空室外的位移以及超声处理控制装置9。
[0022] 进一步的，在电子束熔丝增材制造的同时对成形构件基板进行超声处理，超声冲击的部分
能量通过基板传递到电子束熔池中，提高了电子束对于熔池搅拌震荡的作用，提高了熔池底部的
对流和搅动，降低了熔池底部与熔池顶部的溶质分布差异；超声冲击处理增加了熔池中的能量起伏和成分起伏，促进了晶粒形核，提高形核率，达到了细晶强化的效果，同时在晶粒长大过程中，
超声波冲击震荡能够改变晶粒取向，避免枝晶和等轴晶形成，提高构件的力学性能。
[0023] 进一步的，超声冲击输出端始终垂直于构件表面，及超声冲击方向为构件表面的法线方向，对沉积层进行完全冲击；超声冲击位置与电子束热源距离为50-100mm。
[0024] 进一步的，超声冲击单针头直径为0.5-3mm，冲击电流为1-10A，振幅为5-20μm，超声冲击频率为10-20kHz，优选频率为13-17kHz，。
[0025] 进一步的，超声冲击作用在基板上，冲击频率和能量在传输过程中会出现衰减，因此，需要根据冲击位置改变超声频率，减少由于传播距离增加带来的能量衰减。
[0026] 进一步的，超声冲击处理速度与沉积速度相匹配，减少沉积速度与冲击速度不同造成的熔池不稳定。
[0027] 进一步的，基板与工作平台需要紧密夹持，减少由于超声冲击带来的基板位移。
[0028] 如图1所示，一种电子束-超声协同复合增材制造包括电子枪、送丝系统、电子枪真空室、真空成形室、工作位移平台、超声冲击系统，所述的电子枪包括产生电子束的灯丝12、灯丝下方的阴极13、阴极下方的栅极14、栅极下方的阳极15、阳极下方的聚焦线圈16以及聚焦线圈下方的偏转线圈17，该电子枪置于电子枪真空室7中；所述的电子枪真空室7置于真空成形室1顶部，并通过电子气阀10实现与真空成形室相连通以及隔绝，两个真空室均通过真空系统8来实现需要的真空度；所述的工作位移平台置于真空成形室中，包括通过竖直导轨4实现竖直Z轴方向运动的承载平台3、实现水平面XY轴方向运动的工作平台2以及位移控制系统20；所述的送丝系统包括放置在真空室外的送丝机构7、固定在真空室内壁的送丝枪11；所述的超声冲击系统包括置于真空室中工作平台上的位移装置19、用于超声处理的超声冲击枪头18和置于真空室外的位移以及超声处理控制装置9。
[0029] 以采用连续送丝电子束熔丝沉积钛合金板材零件为例：试验采用基板为TC4，基板尺寸为300×150×5mm，
焊丝直径为1.2mm的TC4焊丝，，采用的小功率电子束增材制造系统进行钛合金增材试验。
[0030] (1)根据需求，建立零件实体
几何模型模型，将零件模型导入计算机中进行切片和路径规划并导入到工作平台控制系统，对需要控制的参数进行设置；
[0031] (2)试验前用用240#和400#
砂纸打磨基板表面，用使用丙
酮擦拭表面去除表面油污，氧化膜清除后，应在2小时内进行沉积工艺试验。
[0032] (3)在加工准备阶段，对真空成形室以及电子枪真空室进行抽真空处理，送丝机构将丝材送入到
指定位置，将超声冲击枪置于基板上并固定；
[0033] (4)设置电子束熔丝增材功率为2500W，聚焦中心位于基板上表面，设置沉积速度为30cm/min，送丝速度设置为为0.4m/min；设置超声冲击频率为15kHz，采用单针冲击头冲击构件表面，冲击过程枪头与构件表面垂直。
[0034] (5)将工作平台高度向下调节，将送丝前端与沉积层距离调整到0.2mm，间隔时间10s，重复步骤(5)和步骤(6)，直至增材构件制造完成。
[0035] (6)待增材制造构件置于真空环境中冷却，待冷却至室温，将过渡层切割下来，进行后续热处理。
[0036] 采用该实施例的方法，获得了成形良好的TC4钛合金增材构件，层间融合良好，表面较为光洁，无氧化现象，组织成分均匀，晶粒细化，其
抗拉强度达到1020MPa。
[0037] 本发明的装置在电子束熔丝增材制造的同时对成形构件基板进行超声处理，超声冲击的部分能量通过基板传递到电子束熔池中，提高了电子束对于熔池搅拌震荡的作用，提高了熔池底部的对流和搅动，降低了熔池底部与熔池顶部的溶质分布差异；超声冲击处理增加了熔池中的能量起伏和成分起伏，促进了晶粒形核，提高形核率，达到了细晶强化的效果，同时在晶粒长大过程中，
超声波冲击震荡能够改变晶粒取向，避免枝晶和等轴晶形成，提高构件的力学性能。
