纳米增强基复合材料的搅拌摩擦锻造增材制造方法及装置
技术领域
本发明属于复合材料增材制造技术领域，具体涉及一种纳米增强基复合材料的搅拌摩擦锻造增材制造方法及装置。
背景技术
近年来，全球各国高度重视增材制造技术的发展，而金属增材制造则被公认为是3D打印的重头戏。常用的金属增材制造方法有激光、电子束和电弧增材制造，但在轻合金的增材技术上却存在较多的问题。由于轻合金线膨胀系数大、导热率高等原因，激光增材时，成形速率慢、光反射率高，能量利用率第、变形大等；电子束增材时，零件尺寸受到限制，变形较大；电弧增材时，构件变形严重、尺寸难以控制等。
Jeffrey Patrick Schultz等人基于搅拌摩擦焊堆焊原理提出一种利用摩擦和压力将金属粉末材料或者棒料进行沉积而不发生熔化的固相增材制造工艺，其增材过程类似于搅拌摩擦焊多层搭接，是一个空间搭接的过程，包括垂直于搭接方向的横向增材和平行于材料厚度方向的增材，然而，搅拌摩擦焊搭接接头的组织性能与结合界面状态密切相关，容易出现界面畸变及冷搭接缺陷，会降低接头的性能。而搅拌摩擦增材制造过程类似搭接，也有可能出现相应的缺陷，从而影响增材材料的组织性能。而且随着堆焊层数的增加以及受多次循环加热的影响，增材层搅拌区的晶粒尺寸自上而下呈逐渐增大，这种晶粒尺寸分布不均匀的现象也会影响增材材料的组织性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米增强基复合材料的搅拌摩擦锻造增材制造方法及装置，兼顾纳米增强技术、固相焊接、等温锻造和增材制造的技术优势，实现轻合金粉末料或颗粒料的高效高质量增材制造，能够获得整体成形效果好、层间结合强度高、晶粒尺寸分布均匀的增材制造成形零件，增材组织材料性能优于母材甚至超过传统锻件性能，在缺陷控制和复杂外形控制方面超过现有金属增材制造工艺。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种纳米增强基复合材料的搅拌摩擦锻造增材制造装置，其特殊之处在于：
包括搅拌摩擦增材主轴、等温锻造机构、龙门式机架和工作台；
搅拌摩擦增材主轴主要包括中空主轴、混料螺杆、中空伺服电机、母材粉末/颗粒给料泵、母材粉末/颗粒仓、交流伺服电机、激振器、增强基材料仓、增强基材料给料泵和感应加热线圈；搅拌摩擦增材主轴用于实现粉末或颗粒材料的混合、预热和供料，并将供料孔所输出的材料进行摩擦挤压，利用摩擦热和压力在基体上实现逐层增材成形制造；
等温锻造机构主要等温锻造模具、电阻丝、直线轴承、直线凸轮轴、升速器和交流伺服电机组成，用于实现对增材层的等温锻造和微整形；
龙门式机架主要包括搅拌摩擦增材主轴固定基座、等温锻造机构固定基座、分度转盘、导轨、各轴进给驱动用交流伺服电机和各轴进给传动用滚珠丝，用于固定搅拌摩擦主轴和等温锻造机构以及实现搅拌摩擦主轴和等温锻造机构沿Y轴和Z轴的进给以及摆角调整。
工作台主要由工装台、交流伺服电机、滚珠丝杠和导轨构成，用于固定基体和实现基体沿X轴的进给。
进一步地，上述搅拌摩擦增材主轴主要包括中空主轴、混料螺杆、中空伺服电机、母材粉末/颗粒给料泵、母材粉末/颗粒仓、第一交流伺服电机、激振器、增强基材料仓、增强基材料给料泵和感应加热线圈。
中空主轴由深沟球轴承和推力轴承在竖直方向上固定，中空主轴的旋转运动依靠中空伺服电机驱动，中空伺服电机为中空内转子电机，中空伺服电机转子通过中空伺服电机转子-中空主轴花键副配合传动。通过中空主轴的旋转，将输出的材料进行摩擦挤压，利用摩擦热和压力在基体上实现逐层增材成形制造。
混料螺杆由直线轴承在竖直方向上固定，混料螺杆的旋转依靠交流伺服电机驱动，通过同步带和同步带轮以及同步带-混料螺杆花键副配合传动。混料螺杆在竖直方向上的上下振动依靠激振器驱动，通过同步带-混料螺杆花键副配合传动。通过混料螺杆的旋转和上下振动进行粉末高效高质量混合，混料螺杆的旋转方向、旋转速度和激振器的频率可根据增材制造效果进行调节，混料螺杆的旋转速度必须与中空主轴的转速不同，且以混料螺杆的旋转方向与中空主轴的旋转方向相反为最佳进一步地，上述供料机构包括空气压缩机、给料泵、增强基材料仓、母材仓和导管；
在空气压缩机的驱动下，母材粉末/颗粒给料泵和增强基材料给料泵将母材粉末/颗粒仓和增强基材料仓中的材料经导管输送到中空主轴的型腔中。感应加热线圈主要用于对已混合材料进行预热。
进一步地，上述等温锻造机构包括等温锻造模具、电阻丝、直线轴承、直线凸轮轴、升速器和第二交流伺服电机；
等温锻造模具由直线轴承在竖直方向上固定，等温锻造模具在竖直方向上的上下往复锻打运动依靠第二交流伺服电机驱动，通过升速器和直线凸轮轴配合传动；等温锻造模具的加热和保温依靠电阻丝实现；采用升速器和直线凸轮轴配合传动可以将第二交流伺服电机的旋转运动转换为等温锻造模具的直线运动，升速器用于提高直线凸轮轴的转速，即提高等温锻造模具的锻打频率，降低锻造作用力。等温锻造可以使增材层发生动态再结晶，细化晶粒，提升增材组织材料性能。
进一步地，上述龙门式机架包括搅拌摩擦增材主轴固定基座、等温锻造机构固定基座、分度转盘、导轨、各轴进给驱动用交流伺服电机和各轴进给传动用滚珠丝杠。
进一步地，上述工作台包括工装台、第七交流伺服电机、导轨和滚珠丝杠；所述第七交流伺服电机驱动滚珠丝杠，实现工作台在导轨上滑动。
另外，基于上述一种纳米增强基复合材料的搅拌摩擦锻造增材制造装置，本发明还提出一种纳米增强基复合材料的搅拌摩擦锻造增材制造方法，其特征在于：
1)将基体装夹在工装台上，搅拌摩擦增材主轴定位在基体增材起始点上方；母材粉末/颗粒给料泵和增强基材料给料泵将母材粉末/颗粒仓和增强基材料仓中的材料经导管输送到中空主轴的型腔中，同时，在中空伺服电机和激振器的驱动下，混料螺杆对中空主轴型腔中的粉末进行搅拌振动混合，搅拌振动混料持续到增材过程结束；
2)在中空伺服电机的驱动下，中空伺服电机转子带动中控主轴转动，转速为800～3000转/分钟；交流伺服电机驱动搅拌摩擦增材主轴向下运动，中控主轴的搅拌齿和轴肩扎入基体中，轴肩下压量为0～0.2毫米，搅拌齿和轴肩对增材起始点持续搅拌摩擦预热2～5秒；同时，感应加热机构工作，对材料输出通道处的材料进行预热，预热温度达到母材固相线温度的20％～60％；交流伺服电机驱动等温锻造机构向下运动至等温锻造模具距基体上表面0.1～0.5毫米处，做好锻造准备；
3)中空主轴材料输出孔持续输出混合材料，在交流伺服电机的驱动下，搅拌摩擦增材主轴在Y轴和Z轴方向进给，工装台在X轴方向进给，使搅拌摩擦增材主轴在基体上按照预先设定好的增材路径运动，增材过程中，混合材料和基体材料在搅拌齿和轴肩的搅拌摩擦作用下达到塑化状态，相互之间发生冶金结合和动态再结晶，形成增材层；同时等温锻造机构开始工作，对增材层材料组织进行等温锻造，锻造形变量为0.1～0.5毫米，锻造频率为30～120次/分钟，锻造作用力为10～100kN，从而完成单层增材层堆覆。
4)依照上述工序，每完成一层增材层堆覆，搅拌摩擦主轴和等温锻造机构在Z轴方向上等位移上移0.1～0.5毫米，在增材层表面进行逐层搅拌摩擦锻造增材，直至达到所需要的增材形状和尺寸。
进一步地，所述搅拌齿在搅拌摩擦锻造增材过程中，用于搅拌破碎基体材料表面或者上一层增材层材料表面，使新的增材材料组织与上一层增材层之间发生冶金结合，从而形成新的增材层，保证了每一层增材层之间的层间结合质量。搅拌齿的几何结构还可以是放射型散点圆柱、放射型散点圆台或放射型梯形齿等。
进一步地，所述增强基粉末为多壁碳纳米管、石墨烯纳米片或钛粉，粒度为300～2000目，母材为铝合金、镁合金、铜合金等金属材料粉末或颗粒，粒度为300～2000目粉末或1毫米*1毫米～5毫米*5毫米颗粒，增强基粉末占体积比为1％～10％。
进一步地，如果步骤3)中的增材路径包含空间曲线，则通过分度转盘调节搅拌摩擦增材主轴和等温锻造机构的摆角合成X、Y、Z进给方向来实现。
本发明的优点：
(1)本发明成形效果好、成型力小。该交流伺服搅拌摩擦锻造增材制造装置成形零件兼顾了纳米增强技术、固相焊接、等温锻造和增材制造的技术优势，实现轻合金粉末料或颗粒料的高效高质量增材制造，能够获得整体成形效果好、层间结合强度高、晶粒尺寸分布均匀的增材制造成形零件，增材组织材料性能优于母材甚至超过传统锻件性能，在缺陷控制和复杂外形控制方面超过现有金属增材制造工艺；
(2)设备寿命长、生产效率高。搅拌摩擦锻造增材制造工艺不需要额外输入激光、电子束和电弧等热源，依靠摩擦、压力和等温锻造实现增材制造和成形件微整形；本发明利用搅拌齿代替传统搅拌摩擦焊的搅拌针进行搅拌摩擦，在逐层堆叠过程中破碎层间结合面，使其发生动态再结晶，提高了增材层间结合质量，并有效的减少了搅拌头摩擦损耗，降低了搅拌摩擦堆焊的工艺度，提高搅拌头的使用寿命；该交流伺服搅拌摩擦锻造增材装置合理布置了搅拌摩擦主轴和等温锻造机构，实现了搅拌摩擦增材和等温锻造一体化、自动化连续生产，有效降低生产成本、提高生产效率；
(3)分散多动力。采用七个交流伺服电机分别实现中空主轴的旋转运动、混料螺杆的旋转运动、等温锻造模具的锻造运动、搅拌摩擦增材主轴、等温锻造机构和工作台的进给运动，相比于单一动力源可以减少传动机构规模，提高能量利用效率，且用于中空主轴旋转运动、混料螺杆旋转运动、等温锻造模具锻造运动的三个较低功率电机价格相比于单一高功率电机成本更低、结构形式更简单，中空主轴与混料螺杆的旋转运动分别由不同动力源控制，控制中空主轴和混料螺杆同向或反向旋转，从而实现差速混料和改变输出混合料速率，工艺性能更好，适应性更加广泛；
(4)伺服电直驱。该交流伺服冲铆装置摈弃了传统的液压传动与气压传动，伺服电机的精度高、响应快、高速性能好，抗过载能力强，且低于运行平稳，能够满足搅拌摩擦锻造增材对转速、进给速度、锻造形变量以及锻造频率等工艺参数变化范围的要求，电机配合升速器实现等温锻造模具的锻压运动，可以有效提高锻打频率，降低锻压作用力，从而精确控制锻造形变量，提高机械效率，减小故障率。
附图说明
图1是本发明搅拌摩擦锻造增材装置结构图；
图2是本发明龙门式机架结构图；
图3是本发明工作台结构图；
图4是本发明搅拌摩擦增材主轴结构图；
图5是本发明等温锻造机构结构图；
图6是本发明搅拌摩擦铆焊主轴轴肩结构示意图；
图7是本发明搅拌摩擦锻造增材工艺原理示意图。
图中标号说明：1、搅拌摩擦增材主轴，101、轴肩、102、中空主轴，103、深沟球轴承，104、混料螺杆，105、中空伺服电机，106、中空伺服电机定子，107、中空伺服电机转子，108、母材粉末/颗粒给料泵，109、母材粉末/颗粒仓，110、同步带，111、第一交流伺服电机，112、激振器，113、同步带轮，114、直线轴承，115、同步带轮-混料螺杆花键副，116、增强基材料仓，117、增强基材料给料泵，118推力轴承，119、中空伺服电机转子-中空主轴花键副，120、感应加热线圈，121、供料孔，122、搅拌齿，
2、等温锻造机构，201、等温锻造模具，202、电阻丝，203、直线轴承，204、直线凸轮轴，205、升速器，206、第二交流伺服电机，
3、龙门式机架，301、搅拌摩擦增材主轴固定基座，302、等温锻造机构固定基座，303、分度转盘，304、滚柱丝杠一，305、第三交流伺服电机，306、第四交流伺服电机，307、第五交流伺服电机，308、导轨一，
4、工作台，401、工装台，402、第六交流伺服电机，403、导轨二，404、滚珠丝杠二，
5、基体，6、增材层。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
参照图1、图2、图3、图4和图5，一种纳米增强基复合材料的搅拌摩擦锻造增材制造装置包括搅拌摩擦增材主轴1、等温锻造机构2、龙门式机架3和工作台4四部分。
参照图4、图6和图7，搅拌摩擦增材主轴1主要包括中空主轴102、混料螺杆104、中空伺服电机105、母材粉末/颗粒给料泵108、母材粉末/颗粒仓109、第一交流伺服电机111(混料螺杆旋转驱动)、激振器112、增强基材料仓116、增强基材料给料泵117和感应加热线圈120；
中空主轴102由深沟球轴承103和推力轴承118在竖直方向上固定，中空主轴102的旋转运动依靠中空伺服电机105驱动，中空伺服电机105为中空内转子电机，中空伺服电机转子107通过中空伺服电机转子-中空主轴花键副119配合传动。通过中空主轴102的旋转，将供料孔121所输出的材料进行摩擦挤压，利用摩擦热和压力在基体5上实现逐层增材成形制造；
混料螺杆104由直线轴承114在竖直方向上固定，混料螺杆104的旋转依靠第一交流伺服电机111驱动，通过同步带110和同步带轮113以及同步带-混料螺杆花键副115配合传动。混料螺杆104在竖直方向上的上下振动依靠激振器112驱动，通过同步带-混料螺杆花键副115配合传动。通过混料螺杆104的旋转和上下振动进行粉末高效高质量混合，混料螺杆104的旋转方向、旋转速度和激振器112的频率可根据增材制造效果进行调节，混料螺杆104的旋转速度必须与中空主轴102的转速不同，且以混料螺杆104的旋转方向与中空主轴102的旋转方向相反为最佳；
粉末给料依靠空气压缩机分别驱动母材粉末/颗粒给料泵108和增强基材料给料泵117将母材粉末/颗粒仓109和增强基材料仓116中的材料经导管输送到中空主轴102的型腔中；
感应加热线圈120用于对已混合的粉末材料进行预热，从而满足搅拌摩擦锻造增材工艺要求，提高增材效率。
参照图5和图7，等温锻造机构主要由等温锻造模具201、电阻丝202、直线轴承203、直线凸轮轴204、升速器205和第二交流伺服电机206(锻造模具锻打驱动)组成。等温锻造模具201由直线轴承203在竖直方向上固定，等温锻造模具201在竖直方向上的上下往复锻打运动依靠第二交流伺服电机206驱动，通过升速器205和直线凸轮轴204配合传动。等温锻造模具201的加热和保温依靠电阻丝202实现。采用升速器205和直线凸轮轴204配合传动可以将第二交流伺服电机206的旋转运动转换为等温锻造模具201的直线运动，升速器205可以提高直线凸轮轴204的转速，即提高等温锻造模具201的锻打频率，降低锻造作用力。等温锻造可以使增材层6发生动态再结晶，细化晶粒，提升增材组织材料性能。
参照图2，龙门式机架3主要包括搅拌摩擦增材主轴固定基座301、等温锻造机构固定基座302、分度转盘303、导轨308、各轴进给驱动用交流伺服电机和各轴进给传动用滚珠丝，用于固定搅拌摩擦主轴1和等温锻造机构2以及实现搅拌摩擦主轴1和等温锻造机构2的沿Y轴和Z轴的进给以及摆角调整。
参照图3和图7，工作台4主要由工装台401、第六交流伺服电机402(工装台X轴进给驱动)、导轨403和滚珠丝杠404构成，用于固定基体5和实现基体5沿X轴的移动。
一种纳米增强基复合材料的搅拌摩擦锻造增材制造方法，包括以下步骤：
1)参照图1、图3、图4和图7，将基体5装夹在工装台401上，搅拌摩擦增材主轴1定位在基体5增材起始点上方；母材粉末/颗粒给料泵108和增强基材料给料泵117将母材粉末/颗粒仓109和增强基材料仓116中的材料经导管输送到中空主轴102的型腔中，同时，在第一交流伺服电机111和激振器112的驱动下，混料螺杆104对中空主轴102型腔中的粉末进行搅拌振动混合，搅拌振动混料持续到增材过程结束；
2)参照图1、图2、图4、图5、图6和图7，在中空伺服电机105的驱动下，中空伺服电机转子107带动中控主轴102转动，转速为800～3000转/分钟；第三交流伺服电机305(搅拌摩擦增材主轴Z轴进给驱动)驱动搅拌摩擦增材主轴1向下运动，中控主轴102的搅拌齿122和轴肩101扎入基体5中，轴肩下压量为0～0.2毫米，搅拌齿122和轴肩101对增材起始点持续搅拌摩擦预热2～5秒；同时，感应加热线圈120工作，对材料输出通道处的材料进行预热，预热温度达到母材固相线温度的20％～60％；第四交流伺服电机306(等温锻造机构Z轴进给驱动)驱动等温锻造机构2向下运动至等温锻造模具201距基体上表面0.1～0.5毫米处，做好锻造准备；
3)参照图1、图3、图4、图5、图6和图7，中空主轴102的材料输出孔121持续输出混合材料，在第三交流伺服电机305和第五交流伺服电机307(搅拌摩擦增材主轴和等温锻造机构Y轴进给驱动)的驱动下，搅拌摩擦增材主轴1在Y轴和Z轴方向进给，等温锻造机构在Y轴方向进给，在第六交流伺服电机402的驱动下，工装台401在X轴方向进给，使搅拌摩擦增材主轴1在基体5上按照预先设定好的增材路径运动，增材过程中，混合材料和基体材料在搅拌齿122和轴肩101的搅拌摩擦作用下达到塑化状态，相互之间发生冶金结合和动态再结晶，形成增材层6；同时在第二交流伺服电机206的驱动下，等温锻造机构2开始工作，对增材层6的材料组织进行等温锻造，锻造形变量为0.1～0.5毫米，锻造频率为30～120次/分钟，锻造作用力为10～100kN，从而完成单层增材层堆覆。
4)参照图1和图7，依照上述工序，每完成一层增材层6堆覆，搅拌摩擦增材主轴1和等温锻造机构2在Z轴方向上等位移上移0.1～0.5毫米，在增材层6表面进行逐层搅拌摩擦锻造增材，直至达到所需要的增材形状和尺寸。
进一步地，参照图6，所述搅拌齿122在搅拌摩擦锻造增材过程中，用于搅拌破碎基体5材料表面或者上一层增材层6材料表面，使新的增材材料组织与上一层增材层6之间发生冶金结合，从而形成新的增材层6，保证了每一层增材层6之间的层间结合质量。搅拌齿122的几何结构不局限于图6所示，可为放射型散点圆柱、放射型散点圆台或放射型梯形齿。
进一步地，所述增强基粉末为多壁碳纳米管、石墨烯纳米片或钛粉，粒度为300～2000目，母材为铝合金、镁合金、铜合金等金属材料粉末或颗粒，粒度为300～2000目粉末或1毫米*1毫米～5毫米*5毫米颗粒，增强基粉末占体积比为1％～10％。
参照图1、图2和图7，如果步骤3)中的增材路径包含空间曲线，则通过分度盘303调节搅拌摩擦增材主轴1和等温锻造机构2的摆角合成X、Y、Z进给方向来实现。
