梯度变化构件的一体化制备方法与流程

本发明涉及高能束快速成形技术领域，特别涉及一种梯度变化构件的一体化制备方法。

背景技术：

近年来，随着科技的进步及工程技术的高速发展，高端零部件的应用环境越来越苛刻，为了满足高端零部件的使用要求，因此对材料的组织结构、性能等提出了更高的要求。

梯度材料是一种新型的使材料组织结构和性能呈现梯度变化的功能性材料，可通过两种或多种材料成分在部件的空间布局实现其梯度性能，也可通过同一种材料的不同组织形态的空间布局实现其梯度性能。因此，由梯度材料制备的成分梯度变化构件或结构梯度变化构件在国防军工和航空航天等领域具有重要应用前景。

梯度变化构件常用的制备方法主要有粉末冶金、等离子喷涂、烧结、气相沉积、电沉积和离心铸造等。传统制备方法存在如下的缺点：1、只能制备形状结构简单的功能梯度材料块体或材料环；2、不能制造结构复杂的嵌合梯度零件。

高能束快速成形技术由于其分层制造、逐层叠加的加工方式，非常适合制造空间结构复杂、组织成分空间布局的梯度变化构件。

目前，最常用的高能束快速成形技术是激光快速成形技术，如今已经有许多研究人员使用激光快速成形技术实现了结构或成分梯度变化构件的制备。然而，现有的技术大部分是在垂直方向将梯度层逐层堆积，结构或成分梯度体现在单一垂直方向的分布。如果要制备多维梯度变化构件，则需要在制备过程中外控适时调节工艺参数，但该外控调节方式没有与每层控制路径程序进行耦合，自动化程度低，操作难度大，且难以结合模型精确定点控制工艺而实现结构与成分的适时精准控制。

目前还可以采用现有分层切片商用软件，根据成分或结构的要求将模型的每个切片层再单独进行分区划分，对每个区域单独赋予成形工艺参数，进而再通过高能束快速成形技术制备梯度变化构件。但是这种方式操作繁杂，并且对于成分或结构多维复杂嵌合时，每层的分区划分都十分复杂，更增加了操作难度与操作时间。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种梯度变化构件的一体化制备方法，采用该方法可快速制备梯度合金，实现结构或成分在多方向的梯度分布。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：梯度变化构件的一体化制备方法，包括以下步骤：

s1、建立待加工构件的三维模型，该三维模型包括至少两个子模型；其中，该待加工构件中相同结构或成分的部分建为同一个子模型；

s2、按照设定的分层厚度将所有的子模型进行切片分层；

s3、设定各个子模型中的所有切片层的扫描路径，并设定制备每个子模型所需要的工艺参数；

s4、根据步骤s3中的扫描路径和工艺参数，生成各个子模型的每层子代码；编写总代码，在每一个切片层，该总代码依次调用各个子模型中该层子代码；然后将所有代码导入高能束快速成形系统；

s5、将预处理后的金属粉末装入高能束快速成形系统的送粉料筒中；

s6、启动高能束快速成形系统，运行总代码，使金属粉末连续沉积在成形基板上，制备出梯度变化构件。

进一步的，当待加工构件为成分梯度变化构件时，步骤s3中，所述工艺参数包括输出功率、扫描速度、送粉速度、送粉通道、载粉气流量和搭接率；当待加工构件为结构梯度变化构件时，步骤s3中，所述工艺参数包括输出功率、扫描速度、送粉速度和载粉气流量。

进一步的，步骤s6中，送粉时，采用氩气作为载粉气和保护气。

进一步的，步骤s1中，所有的子模型建立在同一个坐标系中。

进一步的，步骤s2中，所述子模型切片分层后，各个切片层的厚度相等或相异。

本发明的有益效果是：本发明实施例的梯度变化构件的一体化制备方法，根据构件的结构或成分差异分别建立子模型，相比于一体化建模，不需要在子模型的每个切片层进行分区，操作更简单，节省了大量时间；通过每层子代码实现每个切片层的路径和工艺参数的耦合控制，并通过总代码依次调用相应的子代码，定点控制实现结构或成分的适时精准控制；与现有技术相比，无需在成形过程中外控调节工艺参数，操作更简单，精确度更高；该方法尤其适合多种材料在三维空间上的复杂嵌合成形。

附图说明

图1是钨合金的模型图及采用本发明实施例的梯度变化构件的一体化制备方法制备的钨合金的截面形貌图；

图2是钛合金的模型图及采用本发明实施例的梯度变化构件的一体化制备方法制备的钛合金的样品图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明实施例的梯度变化构件的一体化制备方法，包括以下步骤：

s1、建立待加工构件的三维模型，该三维模型包括至少两个子模型；其中，该待加工构件中相同结构或成分的部分建为同一个子模型；

s2、按照设定的分层厚度将所有的子模型进行切片分层；

s3、设定各个子模型中的所有切片层的扫描路径，并设定制备每个子模型所需要的工艺参数；

s4、根据步骤s3中的扫描路径和工艺参数，生成各个子模型的每层子代码；编写总代码，在每一个切片层，该总代码依次调用各个子模型中该层子代码；然后将所有代码导入高能束快速成形系统；

s5、将预处理后的金属粉末装入高能束快速成形系统的送粉料筒中；

s6、启动高能束快速成形系统，运行总代码，使金属粉末连续沉积在成形基板上，制备出梯度变化构件。

本发明实施例的梯度变化构件主要指的是成分梯度构件或结构梯度构件。

步骤s1中，运用ug、solidworks等三维软件建立待加工构件的三维模型。在建立模型时，可以先建立待加工构件的整体模型，再根据结构或成分的差异，将整体模型分割为至少两个子模型；也可以根据待加工构件的结构或成分的差异，分别建立至少两个子模型，多个子模型共同构成待加工构件的整体模型。其中，该待加工构件中相同结构或相同成分的部分建为同一个子模型。在建立模型时，所有的子模型可以建立在同一个坐标系中，也可以建立在不同的坐标系中，在此不做具体的限定。

步骤s2中，将步骤s1中建立的三维模型的文件导入到分层切片软件中；按照设定的分层厚度，对各个子模型进行切片分层。所述子模型切片分层后，各个切片层的厚度可以相等，也可以不相等。

步骤s3中，根据每个切片层的形状，设定每个子模型中各个切片层的扫描路径，并同时设定制备每个子模型所需要的工艺参数；当待加工构件为成分梯度变化构件时，所述工艺参数包括输出功率、扫描速度、送粉速度、送粉通道、载粉气流量和搭接率。当待加工构件为结构梯度变化构件时，所述工艺参数包括输出功率、扫描速度、送粉速度和载粉气流量。

步骤s4中，根据步骤s3中的扫描路径和工艺参数，生成各个子模型的每层子代码；然后编写总代码；该总代码的作用是，在制备每一个切片层时，用于依次调用各个子模型中的该层子代码，实现各个子模型中相应层的子代码之间的耦合控制，进而达到不同结构或成分的梯度变化构件的一体化成形。子代码和总代码编写完成后，再将总代码和所有的子代码一起导入高能束快速成形系统。所述高能束快速成形系统的热源可以为激光束、电子束、等离子束等，在此不做具体的限定。

步骤s5中，将预处理后的金属粉末装入高能束快速成形系统的送粉料筒中待用；所述预处理过程包括筛分、烘干等工序。当待加工构件为成分梯度变化构件时，可以将不同成分的金属粉末分别装入不同的送粉料筒中；还可以按照沉积顺序将不同成分的金属粉末依次装入同一个送粉料筒内。送粉时，采用惰性气体作为载粉气和保护气。优选的，送粉时，采用高纯氩气作为载粉气和保护气。

步骤s6中，启动高能束快速成形系统，运行总代码，使金属粉末在激光的作用下，按照设定的工艺参数和路径连续沉积在成形基板上，实现结构或成分梯度变化构件的一体化成形。

本发明实施例的梯度变化构件的一体化制备方法，根据构件的结构或成分差异分别建立子模型，相比于一体化建模，不需要在子模型的每个切片层进行分区，操作更简单，节省了大量时间；通过每层子代码实现每个切片层的路径和工艺参数的耦合控制，并通过总代码依次调用相应的子代码，定点控制实现结构或成分的适时精准控制，相比于在成形过程中外控调节工艺参数，操作更简单，精确度更高；该方法尤其适合多种材料在三维空间上的复杂嵌合成形。

实施例1：

现有一种成分梯度变化钨合金样件，该钨合金样件是由两种合金成分在水平和垂直方向嵌合组成。常规的制备方法是在成形过程中外控适时调节送粉器的工艺参数，但该外控调节方式没有与每层控制路径程序进行耦合，自动化程度低，操作难度大。

采用本发明的方法制备钨合金样件，包括以下步骤：

s1、如图1中的图a1所示，建立钨合金样件的三维模型，根据梯度将模型分割为子模型a和子模型b；

s2、经过前期工艺参数摸索，分层厚度为0.25mm时钨合金最终成形性较好，因此，将分层厚度设定为0.25mm，按照该分层厚度将子模型a和子模型b进行切片分层；

s3、子模型a和子模型b均使用蛇形扫描路径；设定子模型a的工艺参数为：激光功率为700w，扫描速度为400mm/min，送粉速度为5～20g/min，送粉通道为1#通道，载粉气流量为5l/min，搭接率为40％；设定子模型b的工艺参数为：激光功率为750w，扫描速度为400mm/min，送粉速度为5～20g/min，送粉通道为2#通道，载粉气流量为5l/min，搭接率为40％。

s4、按照步骤s3中的扫描路径和工艺参数，生成各个子模型的每层子代码；然后编写用于调用子代码的总代码；然后将所有代码导入激光快速成形系统；

s5、分别将商用钨粉、铁粉和镍粉进行筛分，获得平均粒度为10μm的钨粉，平均粒度为30μm的铁粉，平均粒度为120μm的镍粉；其中，钨粉的形状为多角形，铁粉和镍粉的形状为球形，分别配置用于成形子模型a的混合粉末a’、用于成形子模型b的混合粉末b’。其中，混合粉末a’按重量比：钨∶镍∶铁＝50∶35∶15称量粉末，混合粉末b’按重量比：钨∶镍∶铁＝83∶11.9∶5.1称量粉末；然后将两种混合粉末分别装入三维混料机的料罐中，在混合过程中添加不锈钢弹簧来促进搅拌，混合时间为1小时；然后将混合粉末在真空烘箱中采用120℃烘干2小时后，将混合粉末a’装入1#送粉器的送粉料筒中，将混合粉末b’装入2#送粉器的送粉料筒中，送粉时均采用高纯氩气作为载粉气和保护气。

s6、启动激光快速成形系统，运行总代码，同轴输出激光和粉末，总代码在每一个切片层都会自动调用子模型a和子模型b的该层子代码，按照步骤s3中设定的参数和路径，混合粉末a’和混合粉末b’将一体化熔化沉积在成形基板上，制备出成分梯度变化的钨合金，钨合金的截面形貌图如图1中的图b1所示。

从图1中的图a1可以看出，子模型a和子模型b中的两种合金成分在模型中紧密结合，在水平和垂直方向上都实现梯度分布；从图1中的图b1可以看出，本实施例成功制备得到水平和垂直方向上成分梯度变化的钨合金，两种成分的合金成形性较好，边界呈现良好的冶金结合，且无明显缺陷。与现有的制备方法相比，采用本实施例的方法可在每一切片层自动进行不同钨合金成分的连续熔化沉积，无需外控适时调节工艺参数，就可实现多方向梯度分布的钨合金样件的一体化制备，制备工序简单，自动化程度高，生产效率高。

实施例2：

现有一种结构梯度变化钛合金样件，该钛合金样件由圆环形的内壁、圆环形的外壁和设置在内壁和外壁之间的叶片组成，其中圆壁的厚度大于叶片的厚度。常规的制备方法是圆壁和叶片采用相同的工艺参数成形，叶片采用单道扫描，则圆壁需要进行多道搭接，这种方式会导致沉积路径较长，效率较低；或者圆壁也采用单道扫描，但是需要外控每层调整工艺参数，自动化程度低，操作难度大。

采用本发明的方法制备钛合金样件，包括以下步骤：

s1、如图2中的图a2所示，建立钛合金样件的三维模型，根据梯度将模型分割为圆壁和叶片两部分，其中圆壁包括内壁和外壁。

s2、经过前期工艺参数摸索，分层厚度为0.23mm时钛合金最终成形性较好，因此，将分层厚度设定为0.23mm，按照该分层厚度将圆壁和叶片进行切片分层；

s3、设定圆壁部分采用等厚薄壁环形线扫描路径，环形线数量为1；设定叶片部分采用单道扫描路径。设定圆壁部分的工艺参数为：激光功率为400w，扫描速度为600mm/min，送粉速度为5～20g/min，载粉气流量为5l/min。设定叶片部分的工艺参数为：激光功率为700w，扫描速度为500mm/min，送粉速度为5～20g/min，载粉气流量为5l/min。

s4、按照步骤s3中的扫描路径和工艺参数，生成各个圆壁部分和叶片部分的每层子代码；然后编写用于调用子代码的总代码；然后将所有代码导入激光快速成形系统；

s5、称量粉末，将商用钛粉进行筛分，获得平均粒度为30～120μm的钛粉，钛粉的形状为类球形；将钛粉在真空烘箱中采用120℃烘干2小时后装入送粉器的送粉料筒中，送粉时采用高纯氩气作为载粉气和保护气。

s6、启动激光快速成形系统，运行总代码，同轴输出激光和粉末，总代码在每一个切片层都会自动调用圆壁部分和叶片部分的该层子代码，按照步骤s3中设定的参数和路径，钛粉熔化沉积在成形基板上，制备出结构梯度变化的钛合金，钛合金样品如图2中的图b2所示。

从图2中的图b2可以看出，本实施例成功制备得到复杂结构梯度变化的钛合金，并且从图中可以明显看出，圆壁部分的厚度大于叶片部分的厚度。与现有的制备方法相比，采用本实施例的方法可在每一切片层自动进行圆壁和叶片的连续熔化沉积，无需外控适时调节工艺参数，就可实现钛合金样件中圆壁部分和叶片部分的一体化制备，大大缩短了沉积路径，提高了生产效率。