一种超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法

1.本发明涉及增材制造金属机械加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法。


背景技术：

2.激光增材制造技术可以在更短的时间内生产出复杂形状、结构、个性化的零件而备受生物医疗设备、海洋装备与再制造等领域研究人员的关注。激光增材制造技术是利用高密度、高能量激光束为热源，在惰性气体保护环境中，在三维cad模型分层的二维平面内，按照预定的加工路径，将同步送进的粉末或丝材逐层熔化，从而分层成型的一种制造技术。激光增材技术制造的材料相比传统锻造技术拥有更为复杂的微观组织、更高的硬度、优越的抗腐蚀性和较好的耐磨性能。但是，激光增材技术制造的零件表面粗糙，在尺寸、精度等方面难以达到直接使用的要求。同时，在增材过程中零件中会存在孔隙、球化、残余拉应力、裂纹等缺陷，这些缺陷则会严重影响材料的使用寿命、可靠性及耐腐蚀性能。因此研究如何改善激光增材过程中存在的各种缺陷以及降低加工后表面粗糙度、残余拉应力，使其获得残余压应力、致密的微观组织、更高的显微硬度，并使激光增材后材料的耐腐蚀性能得到进一步的提升具有重要的研究意义。
3.超声滚压技术是一种以超声波辅助为基础，又综合了传统滚压加工和超声加工方式的新型表面强化技术。经超声滚压处理后的零件，表面近似“镜面”效果、表面晶粒细化、引入残余压应力、表面粗糙度大幅度下降，进而提高零件的抗疲劳、抗腐蚀性能。
4.本发明提出，采用超声滚压技术对激光增材制造不锈钢进行强化，改善应力分布状态，赋予材料表层压应力且获得晶粒更加细化的表层组织、更高的显微硬度以及更低的表面粗糙度。在减少后续加工工序、成本等基础之上进一步提升材料耐腐蚀性能。


技术实现要素：

5.根据上述提出的激光增材技术制造的零件表面粗糙，在尺寸、精度等方面难以达到直接使用的要求；同时，在增材过程中零件中会存在孔隙、球化、残余拉应力、裂纹等缺陷，这些缺陷则会严重影响材料的使用寿命、可靠性及耐腐蚀性能的技术问题，而提供一种超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法。本发明主要通过对激光增材制造材料表面进行超声滚压加工，从而使材料获得残余压应力、细化表层显微组织、提升显微硬度以及降低表面粗糙度，最终提升材料的耐腐蚀性能。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，对增材制造后的金属材料运用车床进行车削加工后，利用超声滚压设备对车削加工后的金属材料表面进行若干遍的超声滚压加工，使金属材料获得残余压应力、细化表层显微组织、提升显微硬度以及降低表面粗糙度，最终提升试样的耐腐蚀性能。
8.进一步地，所述金属材料为激光增材制造316l不锈钢，所述车削加工为粗、精车加
工。
9.进一步地，所述方法具体包括如下步骤：
10.s1、利用316l不锈钢粉末在基体棒料上进行激光增材制造，获得激光增材制造316l不锈钢；
11.s2、对步骤s1中增材制造完毕后的棒料进行粗、精车加工，降低增材后棒料的表面粗糙度；
12.s3、将步骤s2中车削加工后的棒料装卡在机床上，设置超声滚压加工参数，对棒料进行超声滚压加工，获得超声滚压强化激光增材制造不锈钢。
13.进一步地，所述步骤s2中，粗、精车加工后棒料表面粗糙度不超过ra3.6，以满足超声滚压加工要求。
14.进一步地，所述步骤s3的具体步骤如下：
15.s31、将步骤s2中车削加工后的棒料装卡在机床上，设置相应超声滚压速度、静压力、进给量、振幅参数，依次开启机床、超声开关、润滑油开关，进行超声滚压加工；
16.s32、控制超声滚压工具头的顶部与棒料表面接触并保证超声滚压工具头的中心与棒料的轴线在同一高度处，之后对棒料进行多次超声滚压加工，加工过程中始终保持不间断的润滑油供给，最终获得超声滚压强化激光增材制造不锈钢。
17.进一步地，所述超声滚压加工参数为：静压力为100-450n、超声滚压速度为10-45m/min、超声滚压次数为1-3次。
18.进一步地，在每次超声滚压加工过程中保证棒料旋转，控制超声滚压工具头沿着棒料轴向移动，加工过程中始终保持超声滚压工具头与棒料的接触。
19.进一步地，所述超声滚压工具头为柱形滚柱压头。
20.进一步地，所述超声滚压加工超声频率为30khz，超声滚压工具头输出振幅为1-5μm。
21.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
22.1、本发明提供的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，超声滚压强化属于无切屑加工，加工后试样表面光亮。相比于超声喷丸等强化工艺，超声滚压强化后试样表面粗糙度更低，且无需后续的磨削与抛光处理，可以直接满足试样表面质量与尺寸精度的要求，从而降低了多道工序的复杂性与成本。
23.2、本发明提供的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，相比于现有防腐技术一般在材料表面制备耐腐蚀性能更强的镀层，其造价昂贵且工艺相对复杂，而超声滚压强化技术则是对材料本身进行表面强化，强化表层组织，进而提升其耐腐蚀性能。本发明方法操作便捷、工艺简单、强化效果好、可极大地节约加工成本。
24.综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中激光增材技术制造的零件表面粗糙，在尺寸、精度等方面难以达到直接使用的要求；同时，在增材过程中零件中会存在孔隙、球化、残余拉应力、裂纹等缺陷，这些缺陷则会严重影响材料的使用寿命、可靠性及耐腐蚀性能的问题。本发明可提升材料显微硬度、细化微观组织、引入残余压应力，提高材料耐腐蚀性能。
25.基于上述理由本发明可在增材制造金属机械加工等领域广泛推广。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明中不同静压力下超声滚压强化后增材制造316l不锈钢的表面粗糙度变化趋势图。
28.图2为本发明中不同静压力下超声滚压强化后增材制造316l不锈钢的显微硬度变化趋势图。
29.图3为本发明中超声滚压强化前后增材制造316l不锈钢的残余应力趋势图。
30.图4为本发明中车削后增材制造316l不锈钢表层微观组织图。
31.图5为本发明中超声滚压后增材制造316l不锈钢表层微观组织图。
32.图6为本发明中超声滚压强化前后增材制造316l不锈钢的极化曲线图。
具体实施方式
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
37.如图所示，本发明提供了一种超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，本发明的目的在于提出一种针对于激光增材制造316l不锈钢的超声滚压强化的方法，通过对金属材料表面进行超声滚压加工使材料获得残余压应力、细化表层显微组织、提升显微硬度以及降低表面粗糙度，最终提升材料的耐腐蚀性能。
38.本发明的一种超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，是一种提高激光增材制造316l不锈钢耐腐蚀性能的超声滚压强化工艺，对激光增材制造316l不锈钢进行表面粗、精车后，再用超声滚压设备对试样进行若干遍的超声滚压加工，在每次加工过程中保证试样旋转，控制滚压工具头沿着试样轴向移动，加工过程中始终保持滚压工具头与试样的接触。
39.所选金属材料为激光增材制造316l不锈钢，粗、精车后材料表面粗糙度不超过ra3.6，以满足超声滚压加工要求。
40.所选滚压工具头为柱形滚柱压头。
41.所用超声滚压加工超声频率为30khz，滚压工具头输出振幅为1-5μm。
42.本发明提供的提高激光增材制造金属耐腐蚀性能的超声滚压强化工艺，所述超声滚压强化具体包括以下步骤：
43.a、利用316l不锈钢粉末在基体棒料上进行增材制造；
44.b、将增材完毕棒料运用车床车削降低增材后棒料的表面粗糙度；
45.c、将棒料装卡在机床上，设置相应滚压速度、静压力、进给量、振幅参数，依次开启机床、超声开关、润滑油开关；
46.d、控制滚压工具头的顶部与棒料表面接触并保证滚压工具头的中心与棒料的轴线在同一高度处，并对棒料进行超声滚压加工，加工过程中始终保持不间断的润滑油供给。其具体加工参数为：静压力为100-450n、滚压速度为10-45m/min、滚压次数为1-3次。
47.超声滚压强化属于无切屑加工，加工后试样表面光亮。相比于超声喷丸等强化工艺，本发明采用超声滚压强化后试样表面粗糙度更低，且无需后续的磨削与抛光处理，可以直接满足试样表面质量与尺寸精度的要求，从而降低了多道工序的复杂性与成本。
48.现有防腐技术一般在材料表面制备耐腐蚀性能更强的镀层，其造价昂贵且工艺相对复杂。而本发明采用的超声滚压强化技术则是对材料本身进行表面强化，强化表层组织，进而提升其耐腐蚀性能。该方法操作便捷、工艺简单、强化效果好、可极大地节约加工成本。
49.实施例1
50.(1)试验材料为激光增材制造316l不锈钢其尺寸为φ58
×
400mm，其中棒料最外层为316l不锈钢的激光熔覆层，其厚度为4mm。
51.(2)对棒料表面进行粗、精车加工，加工后粗糙度不超过ra3.6。
52.(3)对车削后棒料进行超声滚压加工，使用圆柱形滚压工具头，保证滚压工具头与棒料的轴线处同一高度。
53.(4)开启机床使得滚压速度为15m/min、进给量为0.1mm/r，开启超声波发生器其频率为30khz，开启润滑油润滑，调节振幅使滚压工具头输出振幅为1μm，调节静压力分别为100n、200n、300n，滚压道次为1次。
54.对比例1：
55.(1)试验材料为激光增材制造316l不锈钢其尺寸为φ58
×
400mm，其中棒料最外层为316l不锈钢的激光熔覆层，其厚度为4mm。
56.(2)对棒料表面进行粗、精车加工，加工后粗糙度不超过ra3.6，作为原始试样。
57.对比例2：
58.(1)试验材料为激光增材制造316l不锈钢其尺寸为φ58
×
400mm，其中棒料最外层
为316l不锈钢的激光熔覆层，其厚度为4mm。
59.(2)对棒料表面进行粗、精车加工，加工后粗糙度不超过ra3.6。
60.(3)对车削后棒料进行超声滚压加工，使用圆柱形滚压工具头，保证滚压工具头与棒料的轴线处同一高度。
61.(4)开启机床使得滚压速度为15m/min、进给量为0.1mm/r，开启超声波发生器其频率为30khz，开启润滑油润滑，调节振幅使滚压工具头输出振幅为1μm，调节静压力为400n，滚压次数为1次。
62.试验结果：
63.1.表面粗糙度
64.试样经车削后表面粗糙度ra为1.560μm(对比例1)；以静压力400n为例，试样经超声滚压强化后表面粗糙度ra为0.095μm(对比例2)，表面粗糙度降幅达94％，可见超声滚压强化极大地降低了材料的表面粗糙度。如图1所示。
65.2.显微硬度
66.增材制造316l不锈钢经车削加工后距表面距离为30μm处显微硬度为221.72hv(对比例1)。以静压力400n为例(对比例2)，增材制造316l不锈钢经超声滚压强化后距试样表面30μm处显微硬度为327.67hv，相比车削加工，超声滚压加工显微硬度提高了48％。如图2所示。
67.3.残余应力
68.原始试样残余应力表现为残余拉应力(对比例1)，经超声滚压强化后试样由原来的残余拉应力转变为残余压应力(对比例2)。如图3所示。
69.4.微观组织
70.以静压力400n为例(对比例2)，相比于切削试样(对比例1)，经超声滚压强化后试样微观胞状组织尺寸明显减小，发生微观晶粒细化现象。经imagej软件测量，对比例1微观晶粒尺寸约为536nm左右，对比例2微观晶粒尺寸约为190nm左右。可见，超声滚压强化可以细化材料表层组织。如图4和图5所示。
71.5.极化曲线
72.以静压力400n为例(对比例2)，相比于切削试样(对比例1)，经超声滚压强化后试样自腐蚀电位由-3.65v提升至-3.05v，自腐蚀电流密度由1.665
×
10-6a·
cm-2
下降到2.245
×
10-7a·
cm-2
。如图6所示。如表1所示为增材制造316l不锈钢极化曲线的拟合结果。
73.综上可知，超声滚压强化可以提升试样表面耐腐蚀性能。其主要是因为超声滚压可以大幅降低材料表面粗糙度、细化表层晶粒、引入残余压应力进而导致材料耐腐蚀性能的提高。
74.表1增材制造316l不锈钢极化曲线的拟合结果
[0075][0076]
综上所述，本发明以提高增材制造316l不锈钢耐腐蚀性能为目标，通过超声滚压
强化，降低材料表面粗糙度、提高材料显微硬度、引入残余压应力，促使材料表层组织细化，以实现材料耐腐蚀性能的提升，此工艺操作简单，耐腐蚀性能提升显著。该工艺不仅针对不锈钢材料，还可以对其他金属材料(如镍合金、镁合金等)，通过适当调节滚压参数进行表面强化，具有广泛的适用范围。
[0077]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，对增材制造后的金属材料运用车床进行车削加工后，利用超声滚压设备对车削加工后的金属材料表面进行若干遍的超声滚压加工，使金属材料获得残余压应力、细化表层显微组织、提升显微硬度以及降低表面粗糙度，最终提升试样的耐腐蚀性能。2.根据权利要求1所述的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，所述金属材料为激光增材制造316l不锈钢，所述车削加工为粗、精车加工。3.根据权利要求2所述的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：s1、利用316l不锈钢粉末在基体棒料上进行激光增材制造，获得激光增材制造316l不锈钢；s2、对步骤s1中增材制造完毕后的棒料进行粗、精车加工，降低增材后棒料的表面粗糙度；s3、将步骤s2中车削加工后的棒料装卡在机床上，设置超声滚压加工参数，对棒料进行超声滚压加工，获得超声滚压强化激光增材制造不锈钢。4.根据权利要求3所述的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤s2中，粗、精车加工后棒料表面粗糙度不超过ra3.6，以满足超声滚压加工要求。5.根据权利要求4所述的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤s3的具体步骤如下：s31、将步骤s2中车削加工后的棒料装卡在机床上，设置相应超声滚压速度、静压力、进给量、振幅参数，依次开启机床、超声开关、润滑油开关，进行超声滚压加工；s32、控制超声滚压工具头的顶部与棒料表面接触并保证超声滚压工具头的中心与棒料的轴线在同一高度处，之后对棒料进行多次超声滚压加工，加工过程中始终保持不间断的润滑油供给，最终获得超声滚压强化激光增材制造不锈钢。6.根据权利要求3或5所述的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，所述超声滚压加工参数为：静压力为100-450n、超声滚压速度为10-45m/min、超声滚压次数为1-3次。7.根据权利要求5所述的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，在每次超声滚压加工过程中保证棒料旋转，控制超声滚压工具头沿着棒料轴向移动，加工过程中始终保持超声滚压工具头与棒料的接触。8.根据权利要求5或7所述的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，所述超声滚压工具头为柱形滚柱压头。9.根据权利要求8所述的超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，其特征在于，所述超声滚压加工超声频率为30khz，超声滚压工具头输出振幅为1-5μm。

技术总结
本发明提供一种超声滚压强化激光增材制造不锈钢耐腐蚀性能的方法，对增材制造后的金属材料运用车床进行车削加工后，利用超声滚压设备对车削加工后的金属材料表面进行若干遍的超声滚压加工，使金属材料获得残余压应力、细化表层显微组织、提升显微硬度以及降低表面粗糙度，最终提升试样的耐腐蚀性能。本发明方法操作便捷、工艺简单、强化效果好、可极大地节约加工成本。约加工成本。约加工成本。


技术研发人员：徐庆钟 姜德文 蔡港军
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8