[發(fā)明專利]一種冷噴涂增材制造構(gòu)件的外形控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110430066.4
• 申請(qǐng)日: 2021-04-21
• 公開（公告）號(hào): CN113106440A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雒曉濤;謝秦;李長(zhǎng)久
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C24/04
• 分類號(hào): C23C24/04;B33Y50/02
• 代理公司: 西安合創(chuàng)非凡知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61248
• 代理人: 張翠華

本發(fā)明公開了一種冷噴涂增材制造構(gòu)件的外形控制方法，涉及材料制備技術(shù)領(lǐng)域，所述方法包括：構(gòu)建基于沉積體外形輪廓的增材制造構(gòu)件預(yù)測(cè)模型；將噴槍傾斜角度、每層沉積體之間的偏移量、第二噴槍移動(dòng)速度和噴涂工藝參數(shù)輸入增材制造構(gòu)件預(yù)測(cè)模型中獲得構(gòu)件外形輪廓模型；將構(gòu)件外形輪廓模型中的構(gòu)件尺寸與目標(biāo)構(gòu)件尺寸對(duì)比，通過調(diào)整噴槍傾斜角度、沉積體之間的偏移量和第二噴槍移動(dòng)速度對(duì)構(gòu)建外形輪廓模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳路徑參數(shù)。采用本發(fā)明方法噴涂出的直壁構(gòu)件與目標(biāo)構(gòu)件的外形輪廓偏差可在5%以內(nèi)，顯著提高了冷噴涂增材制造的在噴涂金屬構(gòu)件的成形精度和成形效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種冷噴涂增材制造構(gòu)件的外形控制方法。

背景技術(shù)

增材制造過程通過在數(shù)字模型的指導(dǎo)下逐步添加薄層材料來構(gòu)建三維部件，其優(yōu)勢(shì)在于三維結(jié)構(gòu)的快速和自由制造，目前增材制造已被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、能源、汽車和醫(yī)療等領(lǐng)域。

近年來，冷噴涂增材制造作為一種新型的增材制造技術(shù)引起了人們的關(guān)注。在生產(chǎn)過程時(shí)，金屬顆粒在Laval噴管中被具有一定溫度的高壓氣體（通常是氮?dú)猓饣蚩諝猓┘铀僦脸羲伲谕耆虘B(tài)下撞擊基板并在其表面沉積。不同于激光、等離子、電弧等常規(guī)的高能束金屬增材制造生產(chǎn)過程要將金屬材料熔化；在冷噴涂中，金屬顆粒只發(fā)生塑性變形，固態(tài)低溫的沉積特性使得金屬顆粒的氧化、分解等有害影響可以最小化或消除，這些顯著的優(yōu)勢(shì)使得冷噴涂適用于大部分金屬、合金、金屬-陶瓷復(fù)合材料的制備。同時(shí)，沉積體內(nèi)部為殘余壓應(yīng)力，使得沉積體的厚度幾乎沒有限制。目前冷噴涂的材料沉積速率可達(dá)30kg/h以上，因此冷噴涂固態(tài)增材制造技術(shù)在大尺寸金屬構(gòu)件的高效制備方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。

隨著冷噴涂裝備水平的進(jìn)步和研究的深入，目前冷噴涂制備的金屬構(gòu)件的力學(xué)性能已接近鍛件，金屬沉積體的性能可通過冷噴涂過程控制與后熱處理等方式聯(lián)合作用得到保證。構(gòu)件外形精確控制困難是冷噴涂固態(tài)增材制造目前面臨的最重要技術(shù)瓶頸之一。冷噴涂單道沉積體非均勻生長(zhǎng)，冷噴涂單層沉積體厚度方向生長(zhǎng)不均勻，呈中心部分高、兩側(cè)高度低的特點(diǎn)，接近高斯分布，這使得冷噴涂增材制造技術(shù)難以在制備具有規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)的目標(biāo)構(gòu)件中應(yīng)用，而且冷噴涂沉積體厚度增長(zhǎng)速度對(duì)噴涂角度非常敏感，使得沉積體沉積到一定程度時(shí)，沉積體邊緣區(qū)域的厚度增長(zhǎng)速率非常緩慢，甚至停止增長(zhǎng)，導(dǎo)致冷噴涂增材制造過程中最頂層面積隨著高度的增加逐漸較小，側(cè)邊向上呈梯形過度，難以形成直壁面。為了獲得目標(biāo)構(gòu)型，目前行業(yè)內(nèi)使用的主要策略是通過顯著加大基底面積保證最終成型構(gòu)件的頂層尺寸，然后采用機(jī)械加工去除底層多余部分，成型效率低、粉末材料浪費(fèi)嚴(yán)重、加工去除量大（可達(dá)70%以上）。因此亟待實(shí)現(xiàn)對(duì)冷噴涂固態(tài)增材制造構(gòu)件外形進(jìn)行精確控制的方法。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種冷噴涂增材制造構(gòu)件的外形控制方法，包括：

S1：構(gòu)建增材制造構(gòu)件的沉積體外形輪廓模型，所述外形輪廓模型公式如下：

其中，表示第n層沉積體的外形輪廓，即為接近高斯分布的第一層沉積體的外形輪廓，為噴槍傾斜角度，d為沉積體之間的偏移量，為第二噴槍移動(dòng)速度，所述第二噴槍移動(dòng)速度為除第一沉積層外的其它沉積層的噴槍移動(dòng)速度，為第一噴槍移動(dòng)速度，所述第一噴槍移動(dòng)速度為第一沉積層的噴槍移動(dòng)速度，表示在處與噴槍傾斜角度對(duì)應(yīng)的沉積效率，表示在x處由于曲率半徑變化造成的沉積效率；

S2：將噴涂工藝參數(shù)和成型過程參數(shù)輸入所述外形輪廓模型中獲得目標(biāo)構(gòu)件的外形輪廓模型，所述成型過程參數(shù)包括噴槍傾斜角度、每層沉積體之間的偏移量、第二噴槍移動(dòng)速度和噴涂角度；

S3：將步驟S2中獲得的目標(biāo)構(gòu)件外形輪廓模型與目標(biāo)構(gòu)件外形輪廓實(shí)際尺寸對(duì)比，通過調(diào)整噴槍傾斜角度、每層沉積體之間的偏移量、第二噴槍移動(dòng)速度對(duì)目標(biāo)構(gòu)件的外形輪廓模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳噴槍傾斜角度、每層沉積體之間的偏移量、第二噴槍移動(dòng)速度；

S4：將噴涂工藝參數(shù)和最佳成型過程參數(shù)轉(zhuǎn)化為機(jī)械手編程語言并導(dǎo)入機(jī)械手系統(tǒng)完成構(gòu)件的噴涂。