本发明涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及组织层晶粒大小可控的增材制造方法、制备梯度薄膜材料的方法及设备。
背景技术：
增材制造(additivemanufacturing，am)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种"自下而上"的制造方法。近二十年来，am技术取得了快速的发展，“快速原型制造(rapidprototyping)”、“三维打印(3dprinting)”、“实体自由制造(solidfree-formfabrication)”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。现有的增材制造方法中，以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，加热材料使之结合、直接制造零件的方法，称为高能束流快速制造，是增材制造领域的重要分支，在工业领域最为常见。
但这类方法存在以下难以攻克的难点：
1)如何控制材料单元在堆积过程中的物理与化学变化是一个难点，例如金属直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制直接影响制造精度和制件性能。
2)增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序，再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向的精度和质量。分层厚度向0.01mm发展，控制更小的层厚及其稳定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。
3)增材制造在向大尺寸构件制造技术发展，例如金属激光直接制造飞机上的钛合金框睴结构件，框睴结构件长度可达6m，制作时间过长，如何实现多激光束同步制造，提高制造效率，保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的难点。
4)增材制造所得增材组织的晶粒较大且分布不均匀，这严重影响了最终构件的机械力学性能，控制增材组织内的晶粒尺寸的一致性以及相邻增材组织的显微组织的差异性是发展的另一难点。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供组织层晶粒尺寸可控的增材制造方法，以解决现有技术中的增材制造方法存在的效率低、晶粒粒度大且不均匀以及结合区域结合力差的问题。本发明还要提供梯度薄膜材料的制备方法和制备设备，以解决现有薄膜材料存在的机械强度差和生产效率低的问题
为了实现上述目的，提供了一种组织层晶粒尺寸可控的增材制造方法。所述组织层为n(n≥2)层，该组织层晶粒大小可控的增材制造方法包括以下步骤：
1)获得第一层组织层：以基体为阴极、沉积材料为阳极，利用电弧沉积加工将沉积材料沉积到基体的表面并形成第一层组织层；对所述第一层组织层进行滚压处理以控制所述第一层组织层的变形量和降低表面粗糙度；
2)获得第n(2≤n≤n)层组织层：以获得第n-1层组织层后的基体为阴极、沉积材料为阳极，利用电弧沉积加工将沉积材料沉积到所述第n-1层组织层的表面并形成第n层组织层；对所述第n层组织层进行滚压处理以控制所述第n层组织层的变形量和降低表面粗糙度；
3)当n层组织层全部获得后得到坯体，然后对该坯体进行热处理；
其中，相邻两层组织层的晶粒粒度不相同和/或构成相邻两层组织层的沉积材料不相同。
与传统的高能束流快速制造方法相比，本发明的组织层晶粒大小可控的增材制造方法具有以下优点：1)所得产品的各组织层之间发生冶金结合，因此结合力更强；2)通过控制电弧沉积的电流等参数、沉积材料的尺寸和沉积材料的移动速度，即可控制沉积效率和组织层的厚度；3)由于沉积材料可以保持稳定的移动速度和熔化速度，因此所得各组织层的厚度以及分布均匀；4)通过热处理可以减小组织层中的晶粒尺寸，使所得产品的机械力学性能显著提升；5)通过滚压处理，可以降低组织层的表面粗糙度，使各组织层的厚度更为均匀和使相邻组织层的结合力更强；6)通过滚压处理可以使表面拉应力消失，获得均匀的压应力，有助于沉积缺陷的减少；7)滚压处理可以使每个组织层获得不同的变形量，使得整体热处理后的产品中各个组织层中的晶粒尺寸不相同。采用本发明的组织层晶粒大小可控的增材制造方法可以得到相邻两层组织层的晶粒尺寸不相同和/或构成相邻两层组织层的沉积材料不相同的产品，产品的机械力学性能以及生产效率显著提升。
进一步地，每一层组织层包括至少两层沉积层，相邻两层沉积层的沉积方向不相平行。由此，使各沉积层之间有更好的结合力并且各部位的厚度分布均匀，防止沉积层剥离。优选地，相邻沉积层的沉积方向垂直。所述沉积方向为沉积材料在基体上的移动方向。
进一步地，所述热处理为再结晶退火。由此，便于实施且过程易控制。
为了实现上述目的，还提供了一种制备梯度薄膜材料的方法。所述梯度薄膜材料包括基体和位于基体表面的组织层，所述组织层包括依次与所述基体连接的第一层组织层和第二层组织层，构成所述第一层组织层和第二层组织层的沉积材料不相同和/或所述第一层组织层和第二层组织层的晶粒粒尺寸不相同，所述方法包括步骤：
1)获得第一层组织层：以基体为阴极、沉积材料为阳极，利用电弧沉积加工将沉积材料沉积到基体的表面并形成第一层组织层；对所述第一层组织层进行滚压处理以控制所述第一层组织层的变形量和降低表面粗糙度；
2)获得第二层组织层：以获得所述第一层组织层后的基体为阴极、沉积材料为阳极，利用电弧沉积加工将沉积材料沉积到所述第一层组织层的表面并形成第二层组织层；对所述第二层组织层进行滚压处理以控制所述第二层组织层的变形量和降低表面粗糙度；
3)对获得所述第二层组织层后的坯体进行热处理；
其中，所述第一层组织层和第二层组织层为奥氏体或铁素体；所述基体为合金钢板，其厚度为1-10mm；所述组织层的厚度为20-200μm。
由本方法生产得到的薄膜材料中各组织层的粒度和厚度分布均匀且相邻组织层的粒度不相同，因此该薄膜材料可以具有不同功能的组织层，具有梯度的结构，其机械力学性能更好。同时，当构成两个组织层的沉积材料不相同时，还可以得到功能多元化的薄膜材料。当所述基体为厚度为1-10mm的合金钢板、所述组织层的厚度为20-200μm时，所得薄膜材料的综合力学性能最好。
进一步地，所述第一层组织层和第二层组织层的晶粒粒度为10-100nm。由此，薄膜材料的综合力学性能最好。
进一步地，所述热处理为再结晶退火。由此，便于实施且过程易控制。
进一步地，所述第一层组织层和第二层组织层均包括至少两层沉积层，相邻两层沉积层的沉积方向不相平行。由此，使各沉积层之间有更好的结合力并且各部位的厚度分布均匀，防止沉积层剥离。优选地，相邻沉积层的沉积方向垂直。
进一步地，当所述组织层为铁素体时，对应的沉积材料为碳素钢或低碳钢；当所述组织层为奥氏体时，对应的沉积材料为301不锈钢或304不锈钢。由此，薄膜材料易获取且其综合力学性能最好。
进一步地，还包括使用复合沉积材料，所述复合沉积材料的下部为构成第一层组织层的沉积材料，上部为构成第二层组织层的沉积材料。由此，节约更换沉积材料的时间，进一步提升生产效率。
为了实现上述目的，还提供了一种制备梯度薄膜材料的设备。所述梯度薄膜材料包括基体和位于所述基体表面的组织层，所述组织层由沉积材料沉积而成，该制备梯度薄膜材料的设备包括工作台、电源、沉积材料夹持部、滚压机构和控制机构，其中，所述电源的阴极与所述工作台上的所述基体连接，所述电源的阳极与夹持有所述沉积材料的所述沉积材料夹持部连接，所述控制机构包括控制所述沉积材料移动路线的第一控制机构、控制所述沉积材料夹持部夹取或更换所述沉积材料的第二控制机构和控制所述滚压机构对所述组织层进行滚压的第三控制机构；所述滚压机构与所述沉积材料夹持部之间的距离为30-100cm。
该设备的结构简单，组织层的沉积过程和滚压过程可以同步进行，显著提升生产效率。
可见，本发明的组织层晶粒大小可控的增材制造方法的效率高、晶粒粒度效且均匀以及结合区域结合力强。由本发明的梯度薄膜材料的制备方法生产得到的薄膜材料中各组织层的粒度和厚度分布均匀且相邻组织层尺寸不相同，因此该薄膜材料可以具有不同功能的组织层，具有梯度的结构，其机械力学性能更好。同时，当构成两个组织层的沉积材料不相同时，还可以得到功能多元化的薄膜材料。本发明的梯度薄膜材料的制备设备不仅可以自动更换沉积材料，而且组织层的沉积过程和滚压过程可以同步进行，显著提升生产效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的制备梯度薄膜材料的设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
(1)本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
(2)下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
(3)关于对本发明中术语的说明。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“第一”、“第二”等是用于区别容易引起混同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。所述“变形量”指变形程度，可用公式
本发明的组织层晶粒大小可控的增材制造方法中，所述组织层为n(n≥2)层，方法包括以下步骤：
1)获得第一层组织层：以基体为阴极、沉积材料为阳极，利用电弧沉积加工将沉积材料沉积到基体的表面并形成第一层组织层；对所述第一层组织层进行滚压处理以控制所述第一层组织层的变形量和降低表面粗糙度；
2)获得第n(2≤n≤n)层组织层：以获得第n-1层组织层后的基体为阴极、沉积材料为阳极，利用电弧沉积加工将沉积材料沉积到第n-1层组织层的表面并形成第n层组织层；对所述第n层组织层进行滚压处理以控制所述第n层组织层的变形量和降低表面粗糙度；
3)当n层组织层全部获得后得到坯体，然后对该坯体进行热处理；
其中，相邻两层组织层的晶粒粒度不相同和/或构成相邻两层组织层的沉积材料不相同。
图1为本发明一种梯度薄膜材料的制备设备的结构示意图，所述梯度薄膜材料包括基体4和位于所述基体4表面的组织层，所述组织层由沉积材料5沉积而成。如图1所示，该梯度薄膜材料的制备设备包括工作台1、电源2、沉积材料夹持部3、滚压机构6和控制机构，其中，所述电源2的阴极与所述工作台1上的所述基体4连接，所述电源2的阳极与夹持有所述沉积材料5的所述沉积材料夹持部3连接，所述控制机构包括控制所述沉积材料5移动路线的第一控制机构、控制所述沉积材料夹持部3更换所述沉积材料5的第二控制机构和控制所述滚压机构6对所述组织层进行滚压的第三控制机构；所述滚压机构6与所述沉积材料夹持部3之间的距离为30-100cm。
当应用该组织层晶粒大小可控的增材制造方法和图1所示的设备来制备梯度薄膜材料时，以下是8个本发明制备梯度薄膜材料的方法的最佳实施例。其中，实施例1-4的电弧沉积过程均采用mig焊，保护气为流量为15l/min的氩气。实施例5-8的电弧沉积过程采用电火花沉积。实施例1-8中滚压机构6和沉积材料夹持部3的移动速度均为20mm/s。
实施例1
本实施例的梯度薄膜材料的基体4为301l合金钢板，第一层组织层和第二层组织层均为铁素体，其中，所述基体4的厚度为5mm，所述第一层组织层的晶粒粒度为20nm，厚度为40μm，所述第二层组织层的晶粒粒度为10nm，厚度为40μm，构成所述第一层组织层和第二层组织层的沉积材料5均为直径为0.9mm的低碳钢。
该梯度薄膜材料的制备过程如下：
1)将所述301l合金钢板放置于所述工作台1并与所述电源2的阴极连接，然后将与所述电源2的阳极连接的所述电极夹持部3夹持住所述低碳钢，然后通过所述第一控制机构控制所述低碳钢的运动路线，使得所述低碳钢在所述301l合金钢板表面沉积并形成第一层组织层，其中，沉积过程的电压为20v，电流为80a；在沉积过程中，采用所述滚压机构6对所述沉积材料夹持部3后方50cm处的所述第一层组织层进行滚压处理以控制所述第一层组织层的变形量和降低表面粗糙度，其中，滚压荷载为4kn，所述第一组织层的变形量为40％；
2)以获得所述第一层组织层后的基体4为阴极、所述低碳钢为阳极，将所述低碳钢沉积到所述第一层组织层的表面并形成第二层组织层，其中，沉积过程的电压为20v，电流为80a；在沉积过程中，采用所述滚压机构6对所述沉积材料夹持部3后方50cm处的所述第二层组织层进行滚压处理以控制所述第二层组织层的变形量和降低表面粗糙度，其中，滚压荷载为4kn，所述第二组织层的变形量为50％；
3)然后对已获得所述第二组织层的坯体进行热处理，具体为在540℃下保温1h，即得到梯度薄膜材料。
其中，所述第一层组织层由两层沉积层构成，所述两层沉积层的沉积方向垂直，第二层组织层均由四层沉积层构成，相邻两层沉积层的沉积方向垂直。
实施例2
本实施例的梯度薄膜材料的基体4为301l合金钢板，第一层组织层和第二层组织层均为奥氏体，其中，所述基体4的厚度为5mm，所述第一层组织层的晶粒粒度为35nm，厚度为70μm，所述第二层组织层的晶粒粒度为20nm，厚度为60μm，构成所述第一层组织层和第二层组织层的沉积材料5均为直径为0.9mm的301不锈钢。
该梯度薄膜材料的制备过程如下：
1)将所述301l合金钢板放置于所述工作台1并与所述电源2的阴极连接，然后将与所述电源2的阳极连接的所述电极夹持部3夹持住所述301不锈钢，然后通过所述第一控制机构控制所述301不锈钢的运动路线，使得所述301不锈钢在所述301l合金钢板表面沉积并形成第一层组织层，其中，沉积过程的电压为20v，电流为100a；在沉积过程中，采用所述滚压机构6对所述沉积材料夹持部3后方50cm处的所述第一层组织层进行滚压处理以控制所述第一层组织层的变形量和降低表面粗糙度，其中，滚压荷载为4kn，所述第一组织层的变形量为40％；
2)以获得所述第一层组织层后的基体4为阴极、所述301不锈钢为阳极，将所述301不锈钢沉积到所述第一层组织层的表面并形成第二层组织层，其中，沉积过程的电压为20v，电流为100a；在沉积过程中，采用所述滚压机构6对所述沉积材料夹持部3后方50cm处的所述第二层组织层进行滚压处理以控制所述第二层组织层的变形量和降低表面粗糙度，其中，滚压荷载为4kn，所述第二组织层的变形量为50％；
3)然后对已获得所述第二组织层的坯体进行热处理，具体为在750℃下保温1h，即得到梯度薄膜材料。
其中，所述第一层组织层由两层沉积层构成，所述两层沉积层的沉积方向垂直，所述第二层组织层均由三层沉积层构成，相邻两层沉积层的沉积方向垂直。
实施例3
本实施例的梯度薄膜材料的基体4为301l合金钢板，第一层组织层为铁素体，其晶粒粒度为25nm，厚度为50μm，构成所述第一层组织层的沉积材料5为直径为0.9mm的低碳钢，第二层组织层为奥氏体，其晶粒粒度为15nm，厚度为45μm，构成所述第二层组织层的沉积材料5为直径为0.9mm的301不锈钢，所述基体4的厚度为5mm。
该梯度薄膜材料的制备过程如下：
1)将所述301l合金钢板放置于所述工作台1并与所述电源2的阴极连接，然后将与所述电源2的阳极连接的所述电极夹持部3夹持住所述低碳钢，然后通过所述第一控制机构控制低所述碳钢的运动路线，使得所述低碳钢在所述301l合金钢板表面沉积并形成第一层组织层，其中，沉积过程的电压为20v，电流为80a；在沉积过程中，采用所述滚压机构6对所述沉积材料夹持部3后方50cm处的所述第一层组织层进行滚压处理以控制所述第一层组织层的变形量和降低表面粗糙度，其中，滚压荷载为4kn，所述第一组织层的变形量为50％；
2)以获得所述第一层组织层后的基体4为阴极，采用所述第二控制机构将所述低碳钢更换为所述301不锈钢，将所述301不锈钢沉积到所述第一层组织层的表面并形成第二层组织层，其中，沉积过程的电压为20v，电流为100a；在沉积过程中，采用所述滚压机构6对所述沉积材料夹持部3后方50cm处的所述第二层组织层进行滚压处理以控制所述第二层组织层的变形量和降低表面粗糙度，其中，滚压荷载为4kn，所述第二组织层的变形量为50％；
3)然后对已获得所述第二组织层的坯体进行热处理，具体为在540℃下保温2h，即得到梯度薄膜材料。
其中，所述第一层组织层由两层沉积层构成，所述两层沉积层的沉积方向垂直，所述第二层组织层均由三层沉积层构成，相邻两层沉积层的沉积方向垂直。
实施例4
本实施例的梯度薄膜材料的基体4为301l合金钢板，第一层组织层为铁素体，其晶粒粒度为40nm，厚度为200μm，第二层组织层为奥氏体，其晶粒粒度为25nm，厚度为50μm，所述基体4的厚度为5mm，沉积材料5采用直径为0.9mm的复合沉积材料，所述复合沉积材料的下部为构成所述第一层组织层的低碳钢，上部为构成所述第二层组织层的301不锈钢。
该梯度薄膜材料的制备过程如下：
1)将所述301l合金钢板放置于所述工作台1并与所述电源2的阴极连接，然后将与所述电源2的阳极连接的所述电极夹持部3夹持住所述复合沉积材料，然后通过所述第一控制机构控制所述复合沉积材料的运动路线，使得所述复合沉积材料下部的低碳钢在所述301l合金钢板表面沉积并形成第一层组织层，其中，沉积过程的电压为20v，电流为80a；在沉积过程中，采用所述滚压机构6对所述沉积材料夹持部3后方50cm处的所述第一层组织层进行滚压处理以控制所述第一层组织层的变形量和降低表面粗糙度，其中，滚压荷载为4kn，所述第一组织层的变形量为50％；
2)以获得所述第一层组织层后的基体4为阴极，以低碳钢已耗尽的复合沉积材料为阳极，将所述复合沉积材料上部的301不锈钢沉积到所述第一层组织层的表面并形成第二层组织层，其中，沉积过程的电压为20v，电流为100a；在沉积过程中，采用所述滚压机构6对所述沉积材料夹持部3后方50cm处的所述第二层组织层进行滚压处理以控制所述第二层组织层的变形量和降低表面粗糙度，其中，滚压荷载为4kn，所述第二组织层的变形量为50％；
3)然后对已获得所述第二组织层的坯体进行热处理，具体为在540℃下保温3h，即得到梯度薄膜材料。
其中，所述第一层组织层由五层沉积层构成，相邻两层沉积层的沉积方向垂直，所述第二层组织层均由两层沉积层构成，所述两层沉积层的沉积方向垂直。
实施例5
与实施例1相比，本实施例的梯度薄膜材料的区别在于沉积过程采用电火花沉积：电压为50v，电流为60a，频率为1khz，占空比为50。
实施例6
与实施例2相比，本实施例的梯度薄膜材料的区别在于沉积过程采用电火花沉积：电压为30v，电流为100a，频率为1khz，占空比为50。
实施例7
与实施例3相比，本实施例的梯度薄膜材料的区别在于沉积过程采用电火花沉积：第一组织层的沉积过程中的电压为50v，电流为60a，频率为1khz，占空比为50；第二组织层的沉积过程中的电压为30v，电流为100a，频率为1khz，占空比为50。
实施例8
与实施例4相比，本实施例的梯度薄膜材料的区别在于沉积过程采用电火花沉积：第一组织层的沉积过程中的电压为50v，电流为60a，频率为1khz，占空比为50；第二组织层的沉积过程中的电压为30v，电流为100a，频率为1khz，占空比为50。