CN102962451A

CN102962451A - 多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法

Info

Publication number: CN102962451A
Application number: CN2012104051323A
Authority: CN
Inventors: 张海鸥; 雷磊; 王桂兰; 柏兴旺; 王湘平
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-03-13

Abstract

多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，本发明以高效、低成本的高能束或电弧等为基本热源，在电弧三维熔积成形过程中引入静态磁场或交变磁场或者同时引入二者，在CAD/CAM软件的支持下，计算机控制熔积枪或工件按设定空间轨迹运动，利用作用于熔池及附近微小区域的电磁复合能量场来加热熔化理想梯度配比的材料，实现多功能梯度零件的熔积成形形状和成分组织空间分布的自由柔性调控，使之用于航空、舰船、汽车发动机或能源等领域具有抗氧化性、抗蠕变、抗疲劳等多功能的高性能零部件的开发与生产。

Description

多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法

技术领域

本发明属于先进快速成形技术，具体涉及多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，本发明用于抗氧化性、抗蠕变、抗疲劳等多功能的高性能零件的快速成形与制造。

技术背景

FGM零件的常规制造方法大致可分为粉末冶金法(如固相烧结法、液相烧结法、熔渗法、控制气氛烧结法、温度梯度法)和涂层法(如镀层法、电铸法、气相沉积法、溶胶-凝胶法、等离子熔射法)。前一类方法的工艺流程涉及预成形、烧结、调质处理和深加工过程，成形过程与梯度材料制备的烧结过程相分离，制造流程和周期长，影响成品质量的因素较多，保证质量可靠性的技术难度大，能耗大，且需要成形用模具，成本高，很难满足复杂和大型零部件的梯度材料成形要求。后一类方法一定程度上满足复杂制件的加工要求，但基体大都需用模具或机加工成形，梯度层限于表面薄层，不易与基体冶金结合，成形过程与梯度层的制备过程相分离，且其中的化学方法存在制备效率低与废液污染问题。

这些方法无论哪一种都存在以下主要问题：(1)零件成形过程与梯度功能材料的制备过程相分离，制造工艺复杂、流程长，成本高；(2)局限于制造简单梯度源或表面梯度源的FGM零件，对于增强相与基体材料的物理化学性质差异大的制件，难以按设计来控制材料成分与组织呈梯度分布，以致无法制造面向服役条件的三维复杂梯度材料的高性能零件。

所以，迫切需要开发三维复杂梯度零件制备-成形一体化的智能化短流程制造技术。此类高性能零件的成形技术与装备的绿色化、数字化、智能化是高端制造的重要标志和发展趋势。研究开发多功能梯度零件制备成形一体化的智能设计与短流程制造新方法，已成为尖端材料先进成形科学与技术的国际前沿热点课题和当今世界先进制造科技实力竞争的制高点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，该方法能够颗粒增强金属基多功能梯度零件的熔积成形形状和成分组织空间分布的自由柔性调控。

本发明提供的一种多功能梯度零件的直接制备成形方法，其步骤包括：

(1)建模及分层处理步骤：首先运用三维造型软件对零件进行建模，然后对所建模型进行分层切片处理，得到分层切片数据；

(2)生成数控代码步骤：根据零件的模型分层切片数据和各层尺寸和形状的特点进行成形路径规划，生成成形加工所需的各层数控代码，保存在一个STL文件中；

(3)熔积成形步骤：

采用气体保护焊束或激光束作为基本热源，控制系统控制热源按照STL文件中的数控代码指定的轨迹运行，在基板上将原料粉末或丝材逐层熔积成形，同时对熔池施加磁场作用，直到制作完成零件。

本发明以高效、低成本的气体保护焊束或激光束等为基本热源，在电弧三维熔积成形过程中引入静态磁场或交变磁场或者同时引入二者，在CAD/CAM软件的支持下，计算机控制熔积枪或工件按设定空间轨迹运动，利用作用于熔池及附近微小区域的电磁复合能量场来加热熔化理想梯度配比的材料，实现多功能梯度零件的熔积成形形状和成分组织空间分布的自由柔性调控，使之用于航空、舰船、汽车发动机或能源等领域具有抗氧化性、抗蠕变、抗疲劳等多功能的高性能零部件的开发与生产。

具体而言，本发明具有以下显著的特点和进步：

(1)以高效、低成本的气体保护焊束或激光束作为材料制备与成形一体化的基本热源，在熔积成形过程中引入高频交变磁场或静态磁场或者同时引入二者，高频交变磁场在熔积过程中起细化晶粒，松弛热应力，大幅度降低残余应力，防止热裂和翘曲变形，减少或消除熔融材料流淌、坍塌、表面阶梯效应；或者使用永磁铁产生静态磁场来控制液体金属的流动、控制液体金属的形核与生长等凝固过程、减轻体积质量偏析、控制结晶取向等；或者二者复合，产生复合电磁场，综合影响作用。

(2)利用电-磁-热力复合能量场，诱导晶粒生长方向，控制结晶形态、晶粒度，使晶粒大小、组织形态与成分分布最大限度接近理想梯度设计值，实现新型多功能梯度高温零件理想组织的自由柔性创制。

(3)电磁场仅作用于熔池及附近的局部区域，远小于现有电磁约束熔体自由成形技术电磁场作用的体积，既能按设计自由调控FGM零件的组织特征和成分的空间分布、改善成形性，又可避免设备体积和成本的显著增加，污染小，是高质量、短流程、低成本的难加工FGM零件的无模直接成形技术。

附图说明

图1为简单薄壁件三维模型图，图中，1表示焊道，2表示基板；

图2为简单曲面三维模型图，图中，1表示焊道，2表示基板。

具体实施方式

以高效、低成本的气体保护焊束或激光束为基本热源，在采用这些基本热源的三维熔积成形过程中引入静态磁场和交变磁场，在FGM-CAD/CAM软件的支持下，计算机控制送料单元工作，并按成分空间分布，使熔积枪或工件按设定空间轨迹运动；同时调控电-磁场的复合方式、空间配置与电磁参数使其随时间变化，利用作用于熔池及附近微小区域的电磁复合能量场来加热熔化理想梯度配比的材料，并控制其凝固过程的相变、结晶形核和长大，以及再结晶过程的晶粒形核与溶质/增强颗粒的分布，从而实现颗粒增强金属基多功能梯度零件的熔积成形形状和成分组织空间分布的自由柔性调控。

本发明提供的一种多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，其步骤包括：

(1)建模及分层处理步骤：首先运用UG或者PROE三维造型软件对零件进行建模，模型包括三维坐标尺寸及材料随空间的分布，然后对所建模型进行分层切片处理，得到分层切片数据；

(3)熔积成形步骤：将上述模型的STL文件传至数控机床或机器人控制系统中，在数控机床或机器人悬臂上固定焊枪或激光头，同样固定的还有用来产生交变电磁场的电磁线圈或者用来产生静态磁场的永磁铁；

采用气体保护焊束或激光束作为基本热源，控制系统控制数控机床或机器人悬臂带动焊枪按照STL文件中的数控代码指定的轨迹运行，在基板上将金属、金属间化合物、陶瓷及复合梯度功能材料的粉末或丝材逐层熔积成形，同时对熔池施加磁场作用(高频交变磁场、静态磁场或者二者的复合磁场)，交变磁场能对熔池产生搅拌作用，使焊态下组织碎片化，这些碎片成为再次结晶的晶核，从而起到细化晶粒的作用，而且搅拌作用能减小温度梯度和化学成分梯度，这样能起到松弛热应力的作用；而静态磁场则能使焊态下柱状晶沿着磁场力方向定向生长，静态磁场能够控制液体金属的流动、控制液体金属的形核与生长等凝固过程、减轻体积质量偏析、控制结晶取向等。二者复合时则综合影响作用。

多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，其特征在于：用来产生交变电磁场的电磁线圈，其频率为1-350KHz，匝数为5-50匝，电流为1-500A。而永磁铁则采用Y30铁氧体永磁铁，永磁铁的物理特性如下表1：

表1 铁氧体永磁铁参数

多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法的特征在于：所述熔积成形步骤中，若成形体达不到零件的尺寸和表面精度的要求，则在成形过程中逐层或多层分段采用铣削、研磨、抛光，对成形体进行精整加工，直至达到零件的尺寸和表面要求。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

基于方法的装置有MOTOMAN机械悬臂、华中数控三轴数控铣床、FLIR摄像设备、SAF MIG焊机等。基板材料选用Q235不锈钢，基板表面进行机械加工并用丙酮清洗，彻底去除油污、灰尘等，焊丝材料选用CHW-50C6低合金焊丝。固定于冷却垫板上的基板置于工作平台上，工作平台保持不动，而机械悬臂可沿X、Y、Z三个方向移动并围绕X、Y、Z轴旋转，带动与悬臂固定一起的焊枪也可沿着X、Y、Z三个方向移动并围绕X、Y、Z轴旋转。

(1)建模及分层处理步骤：首先运用PROE三维造型软件对零件进行建模，如图1，然后对所建模型进行分层切片处理，得到分层切片数据；

(2)生成数控代码步骤：根据零件模型分层切片数据和各层尺寸和形状的特点进行成形路径规划，生成成形加工所需的各层数控代码，保存在一个STL文件中；

(3)熔积成形步骤：将上述模型的STL文件传至MOTOMAN机器控制系统中，在机器悬臂上固定焊枪，同样固定的还有用来产生高频交变磁场的电磁线圈，磁场的频率为250KHz，线圈为5匝，电流为90A。采用Ar气保护MIG焊作为热源，MOTOMAN机器悬臂带动焊枪按照STL文件中的数控代码指定的轨迹行走，在基板上将低合金焊丝逐层熔积成形；

所述熔积成形步骤中，若成形体达不到零件的尺寸和表面精度的要求，则在成形过程中逐层或多层分段采用铣削、研磨、抛光，对成形体进行精整加工，直至达到零件的尺寸和表面要求。熔积完成后，对零件的力学性能进行检测，其结果如表2所示，自由熔积成形零件的力学性能也列于表2中作为对比。

实施例2：

采用激光焊作为热源，三维模型如图2，在MOTOMAN机器悬臂上固定Y30铁氧体永磁铁，用来产生静态磁场，其他同实施例1，所得到零件力学性能如表2所示。

实施例3：

采用Ar气保护MIG焊作为热源，在MOTOMAN上同时固定高频交变线圈和Y30铁氧体永磁铁，交变线圈频率为250KHz，线圈匝数为5，电流为90A。其他同实施例1，所得到的零件的力学性能如表2所示。

表2

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种多功能梯度零件的直接制备成形方法，其步骤包括：

(3)熔积成形步骤：采用气体保护焊束或激光束作为基本热源，控制系统控制热源按照STL文件中的数控代码指定的轨迹运行，在基板上将原料粉末或丝材逐层熔积成形，同时对熔池施加磁场作用，直到制作完成零件。

2.根据权利要求1所述的多功能梯度零件的直接制备成形方法，其特征在于，所述熔积成形步骤中，所述磁场为交变磁场、静态磁场或者二者的复合磁场。

3.根据权利要求2所述的多功能梯度零件的直接制备成形方法，其特征在于，用来产生交变电磁场的电磁线圈，其频率为1-350KHz，匝数为5-50匝，电流为1-500A。

4.根据权利要求2所述的多功能梯度零件的直接制备成形方法，其特征在于，静态磁场采用永磁铁。

5.根据权利要求3所述的多功能梯度零件的直接制备成形方法，其特征在于，静态磁场采用永磁铁。

6.根据权利要求4或5所述的多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，其特征在于，永磁铁采用Y30铁氧体永磁铁。

7.根据权利要求1至5中任一所述的多功能梯度零件的直接制备成形方法，其特征在于，所述熔积成形步骤中，若得到的零件体达不到所需的尺寸和表面精度的要求，则在成形过程中逐层或多层分段采用铣削、研磨、抛光，对其进行精整加工，直至达到零件的尺寸和表面要求。