一种多组分新合金及成分梯度合金材料件的制备方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种多组分新合金及成分梯度合金材料件的制备方法。

背景技术：

近年来，增材制造技术的发展为合金材料的制备技术提供了一种新的可能。增材制造(additivemanufacturing，am)技术，是基于离散-堆积的原理，通过材料逐层叠加的方法来制造实体的一种新兴技术。在金属材料加工方面，主要有粉末床熔融技术(pbf)和定向能量沉积技术(ded)两大类技术。其中，定向能量沉积技术被认为是多组分新合金材料制备的一种很有潜力的方法。

定向能量沉积技术是指利用聚焦热能(如激光、电子束、等离子或电弧等)将材料同步熔化沉积的增材制造工艺。主要包括激光立体成形技术(lsf)、电子束熔丝沉积成形技术(ebam)和电弧熔丝沉积成形技术(waam)。

目前，根据使用原材料的不同，定向能量沉积技术一般采用送粉式和送丝式两种方案：

(1)送粉式

主要指激光立体成形技术，也叫激光同轴送粉成形技术，是利用高能量激光束将与光束同轴喷射或侧向喷射的金属粉末直接熔化为液态，通过运动控制，将熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，获得从尺寸和形状上非常接近于最终零件的“近形”制件。

在送粉时，如按照特定的比例，将两种或两种以上的粉末同时喷射进入熔池，即可形成多组分的新合金材料件。

(2)送丝式

主要指电子束熔丝沉积和电弧熔丝沉积技术，高能量密度的热源轰击金属表面，在前一沉积层或基材上形成熔池，金属丝材从旁轴送进，受热熔化进入熔池。随着工作台的移动，使熔积体沿着一定的路径逐渐沉积，进而形成新的沉积层，层层堆积，直至制造出金属零件或毛坯。

同样的，按照不同的速度，将两种或两种以上的丝材送进至熔池，也可以形成多组分的新合金材料件。

利用现有技术制备多组分新合金及成分梯度合金材料件会存在以下技术问题：

1、以粉末为原材料的增材制造方法(如激光立体成形技术)制备具有多组分的新合金，由于熔池存在时间极短，粉末粒度相对较大，各组分难以混合均匀；且由于混合后的粉末材料难以达到100％熔化堆积，从而造成送进后未熔化沉积的粉末无法回收再利用，材料利用率较低；同时使用粉末为原材料的增材制造方法成形效率低。

2、采用丝材送进的增材技术作为制备新合金的方法，为保证成形的稳定性，都是将丝材直接送入熔池，形成“桥式过渡”。由于不同组分的丝材物理特性上的差异，当同时送进不同组分丝材时，很难控制熔点差异较大的材料能够在同一位置同时熔化并一起进入熔池，在增材制造熔池快速熔凝特性下，各组分的材料熔化后在熔池内混合时间短，最终影响成形件相应沉积区内组织成分的均匀性；另一方面，低熔点材料由于长期处于热源高温区域，会导致材料蒸发剧烈，从而与预计的混合成分出现显著差异。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种多组分新合金及成分梯度合金材料件的制备方法

本发明所采用的技术方案是：一种多组分新合金及成分梯度合金材料件的制备方法，包括如下步骤：

(1)将两种或两种以上的不同金属成分的丝材同时送进熔丝增材设备，通过热源在基板上形成熔池；

(2)在预先成分配组设计及各类金属丝材物理特性分析的基础上，通过控制不同成分丝材的直径范围、各种丝材之间的距离、丝材与基板间的距离、各种丝材的送进速度，实现成形过程的参数程序控制，使高熔点成分丝材作为热源熔化的主要对象，率先形成一个熔滴，并通过表面张力附着在丝材尖端，而采用相对低熔点成分的丝材尖端接触高熔点材料液滴，利用热传导方式使其发生熔化，以此类推，使得多组分成分丝材依次熔化并在表面张力作用下形成混合成分液滴；

(3)不同组分的材料在熔滴形成以及生长过程中可在热源作用下实现充分熔化并搅拌混合均匀；

(4)随着丝材不断送进，熔滴重力超过熔滴与丝材的附着力或熔滴尺寸达到丝材尖端与熔池表面的距离，熔滴或桥式过渡至熔池；

(5)熔池凝固后即获得相应区域成分均匀的新材料或成分梯度合金件；

(6)按照预定的轨迹移动丝材，使丝材不断被送进熔化，熔池不断获得补充并凝固，在基板上成形出厚度与宽度的沉积体；通过逐层轨迹堆叠最终成形为多组分新合金或成分梯度合金材料件。

进一步的，所述热源为电子束或电弧或激光。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明所述的一种多组分新合金及成分梯度合金材料件的制备方法，实现了“材料—成形”一体化，减少中间环节；本发明既容易实现变组分、梯度等非均质材料；相比粉末，本发明使用丝材，材料利用率高，成形效率高；两种及以上不同材料的丝材在热源作用下依照物理特性依次熔化并共同形成一个熔滴后，过渡至基体，还可以使各组分混合均匀，有效降低甚至消除成分偏析，可有效控制新合金材料成形过程中的均匀性；熔滴过渡形态的稳定性更高，形成缺陷的几率有效降低。

附图说明

图1是熔滴形成的结构示意图；

图2是熔滴长大的结构示意图；

图3是熔滴过渡的结构示意图；

图4是熔滴补充熔池并伴随新熔滴形成的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述，本发明的保护范围不局限于以下实施例。实施本发明的过程、条件、试剂等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

实施例1

一种多组分新合金材料件的制备方法，包括如下步骤：

(1)将两种或两种以上的不同金属成分的丝材同时送进熔丝增材设备，通过热源在基板上形成熔池；

(2)在预先成分配组设计及各类金属丝材物理特性分析的基础上，通过控制不同成分丝材的直径范围、各种丝材之间的距离、丝材与基板间的距离、各种丝材的送进速度，实现成形过程的参数程序控制，使高熔点成分丝材作为热源熔化的主要对象，率先形成一个熔滴，并通过表面张力附着在丝材尖端，而采用相对低熔点成分的丝材尖端接触高熔点材料液滴，利用热传导方式使其发生熔化，以此类推，使得多组分成分丝材依次熔化并在表面张力作用下形成混合成分液滴；

(3)不同组分的材料在熔滴形成以及生长过程中可在热源作用下实现充分熔化并搅拌混合均匀；

(4)随着丝材不断送进，熔滴重力超过熔滴与丝材的附着力或熔滴尺寸达到丝材尖端与熔池表面的距离，熔滴或桥式过渡至熔池；

(5)熔池凝固后即获得相应区域成分均匀的新合金材料件；

(6)按照预定的轨迹移动丝材，使丝材不断被送进熔化，熔池不断获得补充并凝固，在基板上成形出厚度与宽度的沉积体；通过逐层轨迹堆叠最终成形为多组分新合金材料件。

所述热源为电子束或电弧或激光。

实施例2

(1)将铝丝、钛丝和铌丝分别安装在增材制造机的三个送丝通道，调整三种丝材的位相关系，使铝丝置于最下方，铌丝置于最上方，钛丝放置于铝丝和铌丝中间，铝丝和钛丝之间、钛丝和铌丝之间的间距都不超过丝材的直径；

(2)安装钛合金基板，调整基板高度使最下方铝丝端部与基板的距离为丝材直径的2-5倍；

(3)当真空度达到设定值后，通过电子枪发射电子照射在钛基板上，形成局部熔池；

(4)同时送进铌丝、钛丝和铝丝，每种丝材的送进速度相互独立调整，在电子束作用下熔化形成一个熔滴，熔滴由于表面张力的作用附着在丝材端部；

(5)熔滴在受到电子束的作用力、金属蒸汽的反作用力和丝材向前送进的作用力的作用下内部剧烈运动，内部送进的铌原子、钛原子和铝原子在熔滴内充分混合均匀；

(6)随着丝材送进熔滴不断长大，最终脱离丝材，进入熔池；

(7)熔池按设定的移动轨迹运动，在基板上不断补充并凝固，形成熔积层，z轴下降一个层厚；

(8)重复4-7步骤，层层堆积，最终成形出新型铌-钛-铝合金零件。