一种免固溶的析出强化金属增材制造薄壁构件后处理方法 |
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| 申请号 | CN202210028938.9 | 申请日 | 2022-01-11 | 公开(公告)号 | CN114350932B | 公开(公告)日 | 2023-03-10 |
| 申请人 | 西安交通大学; | 发明人 | 黄科; 井龑东; 刘怡; 常天行; 方学伟; | ||||
| 摘要 | 一种免固溶的析出强化金属 增材制造 薄壁构件后处理方法，先增材制造成形薄壁构件；再对薄壁构件表面进行 激光冲击强化 ，选用高能脉冲 激光器 作为 能量 源，并添加约束层、吸收层；然后对薄壁构件表面进行多能场复合时效处理；最后对薄壁构件表面再次进行激光冲击强化；本 发明 通过结合激光冲击产生的位错强化及其在时效过程对析出强化的促进作用，在避免高温固溶造成的 变形 同时实现增材制造构件强度等性能提升。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种免固溶的析出强化金属增材制造薄壁构件后处理方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种免固溶的析出强化金属增材制造薄壁构件后处理方法技术领域背景技术[0002] 目前，增材制造构件在正式服役前，往往需要通过进行去应力退火等手段来释放其沉积态构件在成形过程中的内部应力，而对于高强铝合金和镍基高温合金等析出强化金属结构材料，则需要进行固溶—时效过程使其析出弥散的第二相粒子，从而协同提升增材制造构件的强度、韧性以及耐腐蚀性能。然而，由于固溶过程中温度较高，且在固溶完成后需要进行淬火，再结合增材制造成形构件本身存在的大量残余拉应力，因此在固溶‑淬火过程中可能会导致薄壁构件发生变形，从而降低其尺寸精度，甚至造成废品。 [0003] 中国专利(申请号202110393981.0，名称为“一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法”，)针对激光选区熔化成形的模具钢，在成形后进行热等静压‑固溶时效‑激光冲击强化，用以延长工件使用寿命，该方法热处理与激光冲击为两个单独的过程。此外，中国专利(申请号为201911373006.2，名称为“一种改善7XXX系合金组织与性能的热处理方法”)提出了一种固溶‑冷变形‑时效的热处理方法，用于实现7系铝合金的强韧性与耐腐蚀性能的协调控制。中国专利(申请号为201911002207.1，名称为“一种大曲率波纹板的快速蠕变时效成形方法”)在传统的固溶与蠕变时效过程中加入了选区双侧同步激光喷丸强化，形成了固溶淬火—激光喷丸—蠕变时效成形的新型大曲率波纹板的成形方法。但是以上的热处理方法均未能解决增材制造构件在后处理中由于高温固溶和淬火过程导致的变形问题。 发明内容[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种免固溶的析出强化金属增材制造薄壁构件后处理方法，通过结合激光冲击产生的位错强化及其在时效过程对析出强化的促进作用，在避免高温固溶造成的变形同时实现增材制造构件强度等性能提升。 [0005] 为了达到上述目的，本发明通过以下的技术方案来实现： [0006] 一种免固溶的析出强化金属增材制造薄壁构件后处理方法，包括以下步骤： [0007] 步骤一、增材制造成形薄壁构件； [0009] 步骤三、对薄壁构件表面进行多能场复合时效处理； [0010] 步骤四、对薄壁构件表面再次进行激光冲击强化。 [0012] 所述的步骤二及步骤四中激光冲击强化使用Nd:YAG高能脉冲激光发射器，其具体技术参数为：光斑直径：0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz；在对薄壁构件进行激光冲击强化时，应当进行两侧面冲击。 [0013] 所述的步骤三中多能场复合时效处理是指在能够时效析出强化的金属在高于室温的某一温度中，在磁场和电场中保持一定时间以提升其机械性能的复合热处理，对于不同的金属种类，所采用的时效温度与时间、电场和磁场的强度不同。 [0014] 本发明和现有技术相比，其有益效果为： [0015] 本发明在时效之前进行激光冲击强化，在激光冲击强化时引入的位错，为析出相提供了更多的形核位置，从而促进析出强化，可以避免传统的固溶‑时效中高温处理可能产生的变形问题；并且时效处理后，激光冲击强化在薄壁构件表面产生的残余压应力能够保留下来一部分，这部分残余压应力能够提升薄壁构件的屈服强度和疲劳寿命；同时，时效处理后还可以再次进行激光冲击强化。通过激光冲击强化提升薄壁构件强度的同时可能会导致延展性的降低，然而对于增材制造构件而言，延展性并不是一个非常重要的特性，这是由于增材制造能够直接制造净近成型部件，无需在后处理中进行大变形量的变形处理，因此并不需要高的延展性。 [0017] 本发明在金属增材制造后进行激光冲击强化，通过在薄壁构件表面施加残余压应力，诱导其内部裂纹闭合，抑制其裂纹进一步扩展，并修复由于成形过程中积累的热应力而导致的翘曲变形；同时，时效前的激光冲击强化效果得以部分保留，再结合时效过程后的激光冲击强化能够进一步加强位错强化的作用，提升薄壁构件疲劳寿命和屈服强度。 [0019] 图1为本发明实施例1的流程示意图。 [0020] 图2为本发明实施例1中薄壁构件的微观组织演变图。 具体实施方式[0021] 为使本领域技术人员更好的理解本申请的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作详细描述。实施例以WAAM成型2319铝合金，实施例和对比例中的拉伸测试依据GB 228‑87规定的金属拉伸试验方法进行。 [0022] 实施例1，参照图1，一种免固溶的析出强化金属增材制造薄壁构件后处理方法，包括以下步骤： [0023] 步骤一、增材制造成形薄壁构件： [0025] 进行电弧熔丝增材制造过程，选用2319铝合金丝材作为原料，丝直径为1.2mm，保护气为氩，获得厚度为5mm，高度30mm，长度为80mm的成形良好的薄壁构件，增材制造完成后，薄壁构件内部存在少量位错及析出相，如图2中(a)所示； [0026] 步骤二、对薄壁构件表面进行激光冲击强化，选用高能脉冲激光器作为能量源，并添加约束层、吸收层； [0027] 本实施例薄壁构件成形结束后对其进行两侧面、上表面激光冲击强化，从而避免由于激光冲击强化而产生的翘曲变形；激光冲击脉冲能量4J，光斑直径2mm，波长1064nm，脉宽9ns，重复频率2Hz，横向、纵向重叠率50％，重复冲击3次，并选用120微米厚度的铝箔胶带作为吸收层，厚度1～2mm的流动水作为约束层，完成激光冲击强化；激光冲击强化结束后，薄壁构件内部充斥着激光冲击强化产生的位错，并且近表面区域由直接成形后的残余拉应力变为残余压应力，如图2中(b)所示； [0028] 步骤三、对薄壁构件进行多能场复合时效处理； [0029] 本实施例采用恒温烘箱进行时效处理，并用K型热电偶校准时效温度，温度选择160℃，20h单级时效；在烘箱中布置了强度为13kV/cm的电场，薄壁构件为正极；时效结束后取出薄壁构件，强化相充分弥散析出，并且保留一部分激光冲击强化产生的残余应力，如图 2中(c)所示； [0030] 步骤四、对薄壁构件表面再次进行激光冲击强化； [0031] 本实施例选用与步骤二中相同的激光冲击强化参数，进行两侧和上表面冲击，在析出强化的基础上进一步巩固位错强化的作用，获得析出—位错复合强化的薄壁构件，如图2中(d)所示。 [0032] 对比例1：进行2319铝合金的薄壁构件的WAAM成形，采用与实施例1的步骤1相同的成形参数与方法。 [0033] 对比例2：进行2319铝合金的薄壁构件的WAAM成形，采用与实施例1的步骤1相同的成形参数与方法，之后进行160°、20h的单级时效。 [0034] 对比例3：进行2319铝合金的薄壁构件的WAAM成形，采用与实施例1的步骤1相同的成形参数与方法，之后按照传统的处理方法进行535°、2h的固溶处理和在电磁场中进行160°、20h的单级时效处理。 [0035] 对比例4：进行2319铝合金的薄壁构件的WAAM成形，采用与实施例1的步骤1相同的成形参数与方法，之后按照实施例1步骤2的方法进行激光冲击强化，再进行实施例1步骤3中的电磁场中160°、20h的时效处理。 [0036] 表1为实施例1与对比例1‑4成型构件的力学性能和翘曲变形量。 [0037] 表1 [0038] [0039] 对比实施例1和对比例3可以发现，传统的固溶—时效后处理方法的确能够同时提升增材制造构件的抗拉强度和屈服强度，但同时也增大了成型构件的翘曲变形量；而改良后的激光冲击—时效—激光冲击方法则能够最大限度的减小直接成型后的翘曲变形，同时相较于未进行时效后激光冲击的对比例4，能够进一步提升其抗拉和屈服强度，使其达到甚至超过传统后处理方法(即对比例3)的水平。 |
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