本發(fā)明涉及攪拌摩擦沉積增材，尤其是涉及一種帶有熱處理功能的攪拌摩擦增材制造系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、攪拌摩擦沉積增材技術(shù)作為一種新型的固相增材制造方法，該技術(shù)一般將沉積材料置于中空的增材工具內(nèi)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具與材料之間的摩擦產(chǎn)生熱量，使材料熱塑化，并通過(guò)頂部擠壓力和摩擦力使得材料發(fā)生塑性變形；攪拌工具帶動(dòng)材料按照預(yù)設(shè)的軌跡進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)材料的堆積，并通過(guò)工具的不斷上移，實(shí)現(xiàn)逐層增材。因其攪拌摩擦沉積增材過(guò)程中的溫度低于增材材料的熔點(diǎn)，避免了與熔化、凝固相關(guān)的氣孔、裂紋等缺陷而受到廣泛關(guān)注。

2、然而，現(xiàn)有的攪拌摩擦沉積增材技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，材料在增材過(guò)程中的塑性流動(dòng)不均勻，導(dǎo)致增材質(zhì)量難以控制，譬如中國(guó)專利cn116944661a公開了一種基于超聲振動(dòng)輔助的攪拌摩擦增材制造裝置，在x和y兩個(gè)方向進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助增材，希望能夠促進(jìn)材料的塑性流動(dòng)和變形，但由于該裝置并未增加增材過(guò)程中的熱輸入總量，因此未能很好的提高增材質(zhì)量。中國(guó)專利cn115958283a雖然通過(guò)帶有輔助冷卻的雙攪拌頭攪拌摩擦增材制造裝置提高了熱輸入，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，不利于實(shí)際批量生產(chǎn)。

3、此外，現(xiàn)有的增材裝置材料一般為粉末狀、絲狀和棒狀材料，這些材料在增材過(guò)程中存在不易控制沉積方向、受熱不均勻或連續(xù)送料困難等問(wèn)題。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)在沉積過(guò)程中難以精確控制溫度，并且隨著沉積層不斷增加，溫度持續(xù)上升，導(dǎo)致沉積層表面可能出現(xiàn)起皮等缺陷，影響沉積層的力學(xué)性能；不同沉積層受到的熱循環(huán)作用和擠壓作用不同，也會(huì)導(dǎo)致層間力學(xué)性能差異較大，限制了攪拌摩擦沉積增材的成型質(zhì)量和使用范圍。

4、因此，迫切需要一種新型的攪拌摩擦增材制造裝置來(lái)改善現(xiàn)有增材技術(shù)所面臨的主要問(wèn)題，從而制造出力學(xué)性能更優(yōu)、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的零件，滿足航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧虾蜆?gòu)件的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種帶有熱處理功能的攪拌摩擦增材制造系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)增材過(guò)程中溫度的精確控制，從而提高增材質(zhì)量。

2、申請(qǐng)人在構(gòu)思?xì)v程中認(rèn)為：本發(fā)明采取攪拌摩擦增材裝置和熱處理裝置的一體化布置，通過(guò)熱處理工藝以及冷卻工藝的配合使用，能夠精確控制增材過(guò)程中的熱輸入量，提高增材效率以及增材件的力學(xué)性能。

3、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

4、本發(fā)明提供了一種帶有熱處理功能的攪拌摩擦增材制造系統(tǒng)，主要包括攪拌摩擦增材裝置和熱處理裝置；

5、所述攪拌摩擦增材裝置包括液壓缸、液壓桿、攪拌工具、基板，所述液壓缸的下端開口處設(shè)置有液壓桿，所述液壓桿的下端與攪拌工具相連，所述基板設(shè)于所述攪拌工具的下方；

6、所述熱處理裝置設(shè)置于攪拌摩擦增材裝置的下方，所述熱處理裝置包括保溫箱以及設(shè)于保溫箱內(nèi)的測(cè)溫裝置、加熱裝置、升降裝置；

7、所述測(cè)溫裝置用于測(cè)量保溫箱內(nèi)的溫度，所述加熱裝置用于調(diào)節(jié)保溫箱內(nèi)的溫度，所述升降裝置用于調(diào)節(jié)基板的高度，以此預(yù)熱或冷卻基板或保溫沉積件以實(shí)現(xiàn)對(duì)增材層高度的精確控制和提高沉積件的力學(xué)性能。

8、進(jìn)一步的，所述攪拌工具的中心開有方形通孔，所述攪拌工具的中心開孔處裝有沉積材料，通過(guò)液壓缸帶動(dòng)液壓桿下壓實(shí)現(xiàn)所述沉積材料的輸送。

9、優(yōu)選的，所述沉積材料為方形棒料，所述方形棒料由2219鋁合金、2195鋁合金、鋁基碳化硅中的任一種制備而成。

10、進(jìn)一步的，所述保溫箱設(shè)置在基板的正下方，所述保溫箱由保溫箱蓋和保溫箱體組成，所述保溫箱蓋設(shè)于保溫箱體的上方，可進(jìn)行左右移動(dòng)，方便保溫箱的開合；

11、所述保溫箱體的底部設(shè)置有基體支撐板、通孔和活塞，所述基體支撐板能夠自由伸縮且在保溫箱體的底部均勻排布，所述通孔的直徑與活塞的外徑相匹配，所述通孔用于向保溫箱內(nèi)注入或排放冷卻液，工作狀態(tài)時(shí)，通過(guò)活塞來(lái)保持保溫箱的密閉。

12、優(yōu)選的，所述保溫箱體采用性能優(yōu)良的隔熱材料，如硅酸鋁、巖棉、氣凝膠或納米隔熱板。

13、進(jìn)一步的，所述測(cè)溫裝置包括溫度傳感器和與之集成的溫度顯示器，所述溫度傳感器能夠?qū)Ρ叵潴w內(nèi)部的溫度進(jìn)行捕獲測(cè)量，并將電信號(hào)傳遞至設(shè)于保溫箱體外壁的溫度顯示器。

14、進(jìn)一步的，所述加熱裝置包括若干個(gè)電加熱棒，所述電加熱棒對(duì)稱穿插于保溫箱體的兩側(cè)，通過(guò)電阻絲通電發(fā)熱。

15、進(jìn)一步的，所述升降裝置由若干個(gè)能夠自由伸縮的基體支撐板組成，所述基體支撐板通過(guò)液壓作用帶動(dòng)基板落入或伸出保溫箱體。

16、優(yōu)選的，所述基板底部設(shè)有凹槽，所述凹槽的形狀和尺寸能與基體支撐板頂端的凸緣精確匹配，以限制基板在x軸和y軸方向上的移動(dòng)，z軸方向的限位則通過(guò)基板自身的重力實(shí)現(xiàn)，同時(shí)方便基板的更換。

17、進(jìn)一步的，所述保溫箱體內(nèi)部的溫度通過(guò)調(diào)整電加熱棒的數(shù)量和介質(zhì)以及向保溫箱內(nèi)注入或排放冷卻液來(lái)控制。

18、優(yōu)選的，所述電加熱棒的數(shù)量為2～6個(gè)。

19、優(yōu)選的，所述電加熱棒的介質(zhì)為金屬材料如鐵鋁合金、鎳鉻合金或非金屬材料如碳化硅、二硅化鉬。

20、優(yōu)選的，所述加熱裝置的溫度為150～600℃。

21、在增材前，通過(guò)升降裝置使基板落入保溫箱體內(nèi)預(yù)熱至目標(biāo)溫度，以降低增材過(guò)程中所需要的熱輸入量，有助于增材時(shí)的材料塑化流動(dòng)，提高增材效率和質(zhì)量；

22、在增材完成后對(duì)基板進(jìn)行熱處理操作，先將保溫箱體內(nèi)部加熱至設(shè)定溫度，再通過(guò)升降裝置使放置于基板上的沉積件落入保溫箱體內(nèi)保溫，使得增材后的沉積層內(nèi)部的沉淀相快速溶解，以及降低沉積層內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并使沉積件內(nèi)部的第二相粒子分布均勻，達(dá)到提高沉積層強(qiáng)度和韌性的目的。

23、進(jìn)一步的，所述攪拌摩擦增材裝置還包括電機(jī)、傳動(dòng)箱蓋、傳動(dòng)箱、箱體端蓋；

24、所述電機(jī)設(shè)于傳動(dòng)箱蓋的上方，所述傳動(dòng)箱設(shè)于電機(jī)的下方，所述傳動(dòng)箱內(nèi)設(shè)有電機(jī)軸和傳動(dòng)帶，所述電機(jī)通過(guò)電機(jī)軸和傳動(dòng)帶帶動(dòng)攪拌工具定軸回轉(zhuǎn)，確保動(dòng)力傳遞平穩(wěn)，能夠提高傳動(dòng)效率，并可適用于多種復(fù)雜的工況環(huán)境。

25、優(yōu)選的，所述攪拌工具的旋轉(zhuǎn)速度為300～500r/min。

26、進(jìn)一步的，所述攪拌摩擦增材裝置的后側(cè)安裝有總支撐體，所述總支撐體用于支撐和移動(dòng)攪拌摩擦增材裝置，使得增材裝置與熱處理裝置之間的位置更加靈活。

27、進(jìn)一步的，所述總支撐體上設(shè)置有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽與液壓缸支撐架的一端滑動(dòng)連接，所述液壓缸支撐架的另一端與液壓缸固定連接；所述第二凹槽與增材裝置支撐架的一端滑動(dòng)連接，所述增材裝置支撐架的另一端與傳動(dòng)箱固定連接；能夠?qū)崿F(xiàn)攪拌摩擦增材裝置的上下移動(dòng)，調(diào)節(jié)攪拌工具與基板之間的距離，使得增材過(guò)程中的增材層高可控，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多層增材，并確保每層增材層的高度一致。

28、進(jìn)一步的，所述攪拌摩擦增材裝置還包括攪拌工具夾持件和軸承，所述攪拌工具夾持件和軸承均與攪拌工具連接，所述攪拌工具夾持件用于固定攪拌工具，所述軸承用于減少攪拌工具夾持件與攪拌工具之間的旋轉(zhuǎn)摩擦。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

30、(1)本發(fā)明采取攪拌摩擦增材裝置與熱處理裝置一體化的布置，既可以實(shí)現(xiàn)增材和熱處理協(xié)同進(jìn)行，也可以在完成增材后對(duì)增材件進(jìn)行熱處理操作。本發(fā)明利用熱處理裝置在增材前對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱處理，調(diào)節(jié)增材開始前基板的溫度，降低增材過(guò)程中所需要的熱輸入量，提高增材效率；利用升降裝置使增材后的基板放入保溫箱內(nèi)部，進(jìn)行熱處理，改變?cè)霾膶觾?nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸，提高增材件的力學(xué)性能。

31、(2)本發(fā)明提供的熱處理裝置采用保溫材料，可減少箱體內(nèi)部與外部的熱交換，降低熱量損失；還采用電加熱棒來(lái)快速達(dá)到熱處理所需的溫度；保溫箱內(nèi)部可以加入各種冷卻介質(zhì)，能夠?qū)υ霾倪^(guò)程中或者增材后的基板進(jìn)行冷卻，從而實(shí)現(xiàn)增材件的快速冷卻，避免過(guò)量的熱輸入帶來(lái)的各種缺陷，提高增材件的良品率。通過(guò)改變冷卻液的介質(zhì)和電加熱棒的介質(zhì)和功率能夠調(diào)節(jié)冷卻類型和加熱溫度，可進(jìn)行多種不同的熱處理工藝，擴(kuò)大了該裝置的工藝范圍。

32、(3)本發(fā)明采用液壓裝置穩(wěn)定地提供了增材所需的頂鍛力，通過(guò)液壓桿的擠壓和攪拌工具的旋轉(zhuǎn)，在離心力和頂鍛力的綜合作用下，使得增材材料以恒定的進(jìn)給速度輸入，避免了增材材料進(jìn)給不流暢而出現(xiàn)的卡料問(wèn)題。此外，可利用體積守恒定律和預(yù)定軌跡的長(zhǎng)短計(jì)算出所需棒料的長(zhǎng)短，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓缸和攪拌工具的間距來(lái)調(diào)整加入的沉積材料的長(zhǎng)短，提高了沉積材料利用率和增材制造的效率。攪拌工具的旋轉(zhuǎn)作用可促進(jìn)沉積材料發(fā)生塑性變形和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，進(jìn)而促進(jìn)沉積材料發(fā)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，降低內(nèi)部缺陷，提高增材件的力學(xué)性能。

33、(4)本發(fā)明可同時(shí)調(diào)整攪拌工具的升降和基板的升降，從而調(diào)整二者之間的距離，即增材層的高度，以實(shí)現(xiàn)增材層高度的精確控制，減小了增材過(guò)程中的高度誤差。