[發(fā)明專利]一種增材制造梯度材料橫向均勻過渡制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911330579.7
• 申請(qǐng)日: 2019-12-20
• 公開（公告）號(hào): CN112676681B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王志江;李天旭;胡繩蓀;王穎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K9/167
• 分類號(hào): B23K9/167;B23K9/133;B23K9/28;B23K9/32
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發(fā)明公開一種增材制造梯度材料橫向均勻過渡制造方法，通過改變成分濃度梯度變化方向，使成分濃度梯度變化沿?zé)嵩匆苿?dòng)方向過渡，制備成分濃度梯度過渡平順、均勻的梯度材料方法。本發(fā)明技術(shù)方案提高構(gòu)件的界面結(jié)合能力，降低熱膨脹系數(shù)及蠕變強(qiáng)度差異對(duì)構(gòu)件性能的影響，延長構(gòu)件使用壽命。同時(shí)這種橫向過渡方法不受構(gòu)件尺寸限制，可以實(shí)現(xiàn)更多的生產(chǎn)應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，更加具體地說，涉及一種梯度材料的增材制造技術(shù)。

背景技術(shù)

梯度材料是由兩種或多種材料復(fù)合且成分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料，是應(yīng)現(xiàn)代航天航空工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域的需要，為滿足在極限環(huán)境下能反復(fù)地正常工作而發(fā)展起來的一種新型功能材料。梯度材料成分濃度梯度變化包括多種形式，如附圖1所示。其中，從一種材料到另一種材料的成分濃度梯度均勻變化、平穩(wěn)過渡是最理想的情況(附圖1b)。

梯度材料的制備有許多傳統(tǒng)的方法，如氣相沉積法、粒子排列法和電沉積法等，但是由于傳統(tǒng)方法很難做到梯度材料的近凈成形，因此增材制造技術(shù)開始被應(yīng)用在制備梯度材料上。目前最接近成分濃度平穩(wěn)變化梯度材料的增材制造制備方法的成分濃度梯度過渡方向是垂直于基板及熱源移動(dòng)方向，沿構(gòu)件成形方向的過渡，即隨著熔覆層數(shù)的增加，通過調(diào)節(jié)每層的成分比例，實(shí)現(xiàn)由底層到上層的材料成分濃度梯度過渡變化。這種方法雖然可以通過增加熔覆層數(shù)來實(shí)現(xiàn)成分濃度變化盡可能平順，但是界面區(qū)組織和成分的局部變化不均勻還是導(dǎo)致界面區(qū)蠕變強(qiáng)度差異較大；同時(shí)熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致界面區(qū)應(yīng)力集中。還會(huì)受到構(gòu)件寬度、高度等尺寸因素限制，從而造成構(gòu)件的性能下降。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種增材制造梯度材料橫向均勻過渡制造方法，改變成分濃度梯度變化方向，由底層到上層的縱向過渡，變?yōu)榇怪庇跓嵩匆苿?dòng)方向的橫向過渡。利用增材制造系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)原材料的添加速率，使其具有一定量加速度，即在單層成形過程中，原材料的添加速度從熱源起點(diǎn)到終點(diǎn)均勻加速或者減速，實(shí)現(xiàn)在單層內(nèi)的成分濃度梯度變化，然后便可以逐層堆積成構(gòu)件，從而完成成分濃度梯度平穩(wěn)、均勻過渡的梯度材料制備。

梯度材料在高溫高腐蝕性等極限條件環(huán)境下服役的壽命問題，在一些關(guān)鍵零部件中的影響尤其突出。梯度材料成分濃度變化的均勻性與平順性，是影響梯度材料性能和使用壽命的重要因素。同時(shí)成分濃度變化方向?yàn)榭v向變化時(shí)，由于成形參數(shù)固定后，每層成形的層高也隨之固定，因此成分過渡的平順性會(huì)受到構(gòu)件尺寸因素的限制。本發(fā)明專利旨在提供一種使用增材制造技術(shù)，通過改變成分濃度梯度變化方向，使成分濃度梯度變化沿?zé)嵩匆苿?dòng)方向過渡，制備成分濃度梯度過渡平順、均勻的梯度材料方法。進(jìn)而提高構(gòu)件的界面結(jié)合能力，降低熱膨脹系數(shù)及蠕變強(qiáng)度差異對(duì)構(gòu)件性能的影響，延長構(gòu)件使用壽命。同時(shí)這種橫向過渡方法不受構(gòu)件尺寸限制，可以實(shí)現(xiàn)更多的生產(chǎn)應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種增材制造梯度材料橫向均勻過渡制造方法，在堆積每一層時(shí)，任一時(shí)刻的不同材料添加速度之和恒定，以使單位時(shí)間內(nèi)添加的材料體積恒定。

如附圖2所示，利用增材制造系統(tǒng)，在制備梯度材料過程中，逐漸改變?cè)牧系奶砑铀俣?，即使其具有一加速度a，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在單層內(nèi)的成分濃度梯度變化，從而通過逐層堆積制備成分濃度梯度變化平穩(wěn)、均勻的梯度材料。

在熱源(即焊槍或者堆焊焊槍)移動(dòng)起點(diǎn)，第一材料A(圖2和3中藍(lán)色標(biāo)記)的起始添加速度為v1，具有加速度為a，熱源開始移動(dòng)后，第一材料A的添加速度開始不斷均勻加速，直至熱源移動(dòng)終點(diǎn)，加速至v2；第二材料B的起始添加速度為v2，具有加速度為-a，熱源開始移動(dòng)后，第二材料B(圖2和3中紅色標(biāo)記)的添加速度開始不斷均勻減速，直至熱源移動(dòng)終點(diǎn)，減速至v1。這樣的變化可以保證在任一時(shí)刻的兩種材料添加速度之和恒定，單位時(shí)間內(nèi)添加的材料體積恒定，以確保單層成形尺寸不會(huì)因?yàn)椴牧咸砑铀俣茸兓兓?，保證構(gòu)件宏觀尺寸準(zhǔn)確。

而且，通過控制堆敷層數(shù)，進(jìn)而控制縱向高度。