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专利摘要

一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置及沉积增材方法，属于搅拌摩擦沉积增材制造技术领域。本发明提供的一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置及沉积增材方法，能够增强填充金属塑化程度，既可避免产生增材层间未结合、弱连接等界面缺陷，同时解决了增材通道易发生堵塞的问题；可实现增材过程丝材、棒材的连续供应，提高沉积增材效率，突破了难以连续增材的技术瓶颈；该装置具有普适性，适用于所有金属，尤为对于铝合金、镁合金等轻质合金具有突出优势；同时装置构造简单，可与常规搅拌摩擦设备配合使用。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202311128339.5
申请日期:
2023-09-04
专利申请人:
分类号:
B23K20/12 ; B23K20/26 ; B23K20/24
发明/设计人:
马琳，姬书得，宋雨键，董继红，张佳琪，赵华夏，宋崎，张芷晴
权利要求: 1.一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置，其特征在于，由搅拌头(1)、挤压套环(2)、静止轴肩(3)组成；所述搅拌头(1)包含搅拌头夹持部(4)，装配部条形轨(5)，搅拌盘(6)，内凹流线导流槽(9)，垂向导流槽(12)，圆柱凸台(13)，分流槽(14)；所述挤压套环(2)包含下端面外凸螺旋线(10)，装夹条形槽(11)；所述静止轴肩(3)包含进料口(7)；所述搅拌头(1)为倒T型轴体结构，上部为圆柱形轴体，轴体上端为搅拌头夹持部(4)，轴体中部条形导轨(5)，下部圆盘形结构为搅拌盘(6)，搅拌盘(6)外沿设置有1-4个垂向导流槽(12)，上表面根据垂向导流槽(12)位置分布有内凹流线导流槽(9)，下表面外沿到圆柱凸台(13)根部外沿范围内的圆环区域根据垂向导流槽(12)分布位置设有立体螺旋流线型分流槽(14)，下端面中心设有同轴圆柱凸台(13)，圆柱型轴体与搅拌盘(6)同轴。2.根据权利要求1所述的一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置，其特征在于，所述挤压套环(2)为柱型圆环，上端设置机械与超声控制装置，内侧周壁布有装夹条形槽(11)，内部近下端面设有加热线圈，下端面配有外凸螺旋线(10)，外凸螺旋线(10)数量大于3个；所述静止轴肩(3)侧壁开有双侧或单侧进料口(7)。3.根据权利要求1所述的一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置，其特征在于，所述搅拌头(1)通过夹持部(4)与搅拌摩擦设备主轴装夹，挤压套环(2)套在搅拌头(1)轴体上，静止轴肩(3)包围搅拌头(1)及挤压套环(2)并固定在搅拌摩擦设备上；所述搅拌头(1)随搅拌摩擦设备主轴同轴转动，并通过搅拌摩擦设备施加给搅拌头(1)与待沉积增材表面之间的顶锻力；垂向导流槽(12)贯穿搅拌盘(6)并按圆周方向均布设置。4.根据权利要求1所述的一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置，其特征在于，所述挤压套环(2)通过装夹条形槽(11)与装配部条形导轨(5)进行装夹，挤压套环(2)与搅拌头(1)同轴间隙匹配，实现二者同速、差速转动。5.根据权利要求1所述的一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置，其特征在于，所述静止轴肩(3)固定在搅拌摩擦设备上，在所述多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置工作时，静止轴肩(3)垂向位移为0，轴向与增材方向及速度保持一致。6.根据权利要求1所述的一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置，其特征在于，所述搅拌盘(6)直径在10-150mm，厚度在3-35mm，搅拌盘(6)直径大于上部轴体直径；所述挤压套环(2)外径范围为10-150mm、内径范围为5-50mm；所述静止轴肩(3)下端平面与搅拌盘(6)下端面平齐，防止塑化金属在沉积增材过程中溢出；所述进料口(7)周围设有加热线圈，底部与所述搅拌盘(6)顶端相平，使填料(8)下表面触及搅拌盘(6)上表面并相切于搅拌头(1)轴体；所述填料(8)为金属丝材或棒材，被给予0.1-1MPa预顶压力；所述内凹流线导流槽(9)旋向与搅拌头(1)旋转方向相同，内凹流线导流槽(9)数量大于3个；所述垂向导流槽(12)贯穿搅拌盘(6)并按圆周方向均布设置，且垂向导流槽(12)与搅拌盘(6)平面呈0-90°；所述圆柱凸台(13)厚度范围为1-5mm，直径范围为3-50mm；所述分流槽(14)旋向与搅拌头(1)旋转方向相同，深度及宽度范围均为0.1-10mm，分流槽(14)数量大于3个。7.根据权利要求1所述的一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材装置，其特征在于，所述挤压套环(2)上部机械与超声控制装置，实现上下机械或超声振动挤压；加热线圈对填料(8)加热，增加金属塑性流动。8.一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材的方法，采用权利要求1-7任一项所述装置实现，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：静止轴肩(3)包围在搅拌头(1)及挤压套环2外侧并固定在搅拌摩擦设备上；搅拌头(1)装夹到搅拌摩擦设备上；步骤2：将搅拌头(1)置于待增材区表面，静止轴肩(3)与待增材区接触；步骤3：搅拌头(1)旋转，同时将填料(8)通过静止轴肩进料口(7)进料；步骤4：在搅拌摩擦设备驱动力作用下，搅拌头(1)在待增材区表面按预定路线移动；步骤5：搅拌盘(6)上端面及挤压套环(2)下端面相对旋转摩擦，使填料(8)破碎并发生塑化，形成塑化金属；步骤6：当塑化金属填满挤压套环(2)与搅拌盘(6)间空间时，挤压套环(2)下施加脉冲挤压，同时填料(8)被压断并停止进料，塑化金属经垂向导流槽(12)迁移到搅拌盘(6)下表面分流槽(14)中；步骤7：挤压套环(2)上升，重复进料、塑化金属积累、挤压过程；步骤8：搅拌盘(6)下表面将塑化金属二次搅拌摩擦实现金属超塑化，形成超塑化金属，沉积在待增材区表面实现单层材料堆叠；步骤9：上移搅拌头(1)，在增材区重复进行单层材料的堆叠，最终实现预定结构的增材制造。9.根据权利要求8所述的一种多级旋压塑流搅拌摩擦沉积增材的方法，其特征在于，所述步骤2中，静止轴肩(3)在与待增材区接触时在全过程保持不动；所述步骤3中，进料时填料(8)被送入搅拌盘(6)与挤压套环(2)之间，直至填料(8)端部与搅拌头(1)轴体相切；所述步骤4中，在搅拌头(1)移动时需要保持搅拌头(1)与待增材区表面之间的顶锻力；所述步骤5中，塑化金属积累形成塑化区；超声装置及加热线圈起到增加金属塑化程度的作用；所述步骤6中，脉冲振动挤压通过机械与超声装置实现；所述步骤7中，基于等体积原则得到最优配合实现塑化金属的连续填入搅拌盘(6)下部空间；所述步骤8中，在顶锻力及分流槽(14)旋转分流作用下使超塑化金属均匀扩散并沉积。