[發明專利]一種功能梯度材料的成形方法及裝置

在審

• 申請號: 201611160407.6
• 申請日: 2016-12-15
• 公開（公告）號: CN106735211A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 周燕;吳和保;朱文志;張臣;李秀;朱小帥
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所11302
• 代理人: 房德權

技術領域

本發明涉及材料加工的技術領域，尤其涉及一種功能梯度材料的成形方法及裝置。

背景技術

功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，FGMs)的概念最先由日本學者新野正之等人于1987年提出，其通過特殊的設計和構造，實現材料的成分和性能緩慢變化，使其滿足特定的功能需求。梯度材料不僅保留了普通復合材料的優點，而且還引入了成分和功能梯度化的設計思想，從而克服了傳統層狀復合材料宏觀界面的不利影響，以連續變化的成分梯度代替了突變界面，從而消除了界面物理性能的突變，使熱應力降至最低。功能梯度材料的應用已經滲透到國民經濟發展的各個領域，尤其是在極端復雜條件下有著廣泛的應用前景，如航空航天、能源工程、生物醫學、電磁、核工程和光學等高新技術領域表現出梯度結構優越的性能。

由于功能梯度材料中兩種(或多種)材料自身的物理化學性能差異較大，因而導致制備時存在困難。目前，制備方法主要有粉末冶金法、等離子噴涂法、激光熔覆法、電沉積法和氣相沉積法等。其中，粉末冶金法是最常用的功能梯度材料的制備方法。它較其他方法更為簡單且可操作性更強。該方法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形，然后進行燒結，通過調節和控制原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性來獲得熱應力緩和的功能梯度材料。

然而，上述方法不僅只能用來成形一些結構較簡單的功能梯度材料，而無法實現復雜結構件的成形。而且成形過程比較復雜。隨著應用需求的拓展，必須尋求一種新型的成形方法以快速成形出復雜結構的功能梯度材料。

發明內容

本發明通過提供一種功能梯度材料的成形方法及裝置，實現了簡單地成形出復雜結構的功能梯度材料的技術效果。

本發明提供了一種功能梯度材料的成形方法，至少包括：

步驟1：根據預設的每層成分配比，對原料進行混合；

步驟2：對混合后的混合料進行3D打印；

重復所述步驟1和所述步驟2，得到功能梯度材料。

進一步地，在所述得到功能梯度材料之后，還至少包括：

清除所述功能梯度材料表面的浮粉。

進一步地，在所述清除所述功能梯度材料表面的浮粉之后，還至少包括：

采用線切割工藝對所述功能梯度材料進行切割，并對切割后的功能梯度材料進行退火處理。

進一步地，在所述步驟1之前，通過有限元分析方法設計梯度層厚、層數和每層的成分配比；

所述對混合后的混合料進行3D打印，具體包括：基于所述梯度層厚和層數確定3D打印成形參數，對所述混合后的混合料進行3D打印。

本發明提供的功能梯度材料的成形裝置，至少包括：處理器、混合設備及3D打印成形設備；所述混合設備的混合料輸出端與所述3D打印成形設備的物料輸入端貫通連接；所述處理器的信號輸出端與所述混合設備、所述3D打印成形設備的信號輸入端通訊連接。

進一步地，所述混合設備至少包括：第一下料機構、第二下料機構和混合機構；所述第一下料機構和所述第二下料機構的物料輸出端對向所述混合機構的物料輸入端；所述混合機構的混合料輸出端與所述3D打印成形設備的物料輸入端貫通連接；所述處理器的信號輸出端與所述第一下料機構、所述第二下料機構、所述混合機構的信號輸入端通訊連接。

進一步地，所述3D打印成形設備至少包括：成形室、鋪粉機構及激光輸出機構；所述鋪粉機構設置在所述成形室中；所述混合機構的混合料輸出端與所述成形室的物料輸入端貫通連接；所述激光輸出機構的激光輸出端通入所述成形室；所述激光輸出機構的信號輸入端與所述處理器的信號輸出端通訊連接。

進一步地，所述激光輸出機構至少包括：激光發射裝置、擴束裝置、掃描振鏡及聚束裝置；所述激光發射裝置的激光發射端對向所述掃描振鏡；所述擴束裝置設置在所述激光發射裝置與所述掃描振鏡之間的光路上；所述掃描振鏡的激光輸出端通入所述成形室；所述聚束裝置設置在所述掃描振鏡與所述成形室之間的光路上；所述處理器的信號輸出端與所述激光發射裝置的信號輸入端通訊連接。

進一步地，所述激光輸出機構還至少包括：光束隔離裝置；所述光束隔離裝置設置在所述激光發射裝置與所述擴束裝置之間的光路上。

進一步地，在所述成形室中有防止物料被氧化的保護氣體。

本發明中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：

先對原料進行混合，再對混合后的混合料進行3D打印,從而將復雜的三維加工轉變為簡單的二維加工，大大降低了復雜零件的成形難度，從而實現了簡單地成形出復雜結構的功能梯度材料的技術效果。