CN105945280A - 一种多材料非均质零件的增材制造方法 - Google Patents

一种多材料非均质零件的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多材料非均质零件的增材制造方法，所述多材料非均质零件的增材制造包括以下步骤：A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层，合金粉末包括至少两种元素，至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，至少两种元素的挥发程度彼此不同，在电子束或激光选区熔化过程中，对成形层的不同区域和/或不同的成形层施加不同的电子束或激光的能量，使合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在不同区域和/或不同的成形层得到元素含量不同的合金；和B)逐层将多个成形层及其中不同区域熔合堆叠，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。所述增材制造方法具有工艺简单、便于实施、实施成本低、对设备要求低等优点。

Description

一种多材料非均质零件的增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种多材料非均质零件的增材制造。
背景技术
增材制造技术是基于“离散-堆积”的原理，通过逐层添加材料实现三维实体零件制备的工艺，该技术具有生产周期短、材料利用率高、适合个性化生产等特点。目前，增材制造技术根据材料输送方式的不同，可以分为送粉式的熔覆沉积技术和粉床式的选区熔化技术。
制备材料成分或微结构呈三维变化的多材料非均质零件是增材制造技术的一个重要特征与发展方向。
其中，送粉式的熔覆沉积技术基于激光或电子束熔覆沉积技术，通过同步实时送粉或送丝系统，在不同区域的熔覆过程中添加不同成分的材料，可以实现材料成分呈三维变化的多材料非均质零件的制备。
而粉床式的选区熔化技术则因不易改变同层粉末的成分，难以制备出成分呈三维变化的多材料非均质零件。
然而，无论是送粉式的熔覆沉积技术还是粉床式的选区熔化技术，要制备多材料非均质零件，都需要至少两种成分不同的材料(粉末或丝材)进行分区域的沉积和融合，尚无法采用单一的材料(粉末或丝材)制备出非均质的多材料零件。
发明内容
本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识而提出的：粉床式的选区熔化技术的成形环境为真空环境或保护气氛环境，这样可以避免氧化问题，但是也会造成某些元素的含量因蒸发而降低，因此需要在原始粉末中增加易挥发元素的含量或在成形室中输入少量氩气，以便降低真空度，抑制元素的挥发。
元素发挥虽然不利于保持材料成分的稳定性，但是如果元素的挥发程度是可控的，也可以成为一种制备新材料的方法。经过发明人深入地研究后发现，输入的能量不同，会导致元素的挥发程度不同，而且输入的能量与元素的挥发程度具有稳定的对应关系。
因此，可以通过向成形层的不同区域和/或不同的成形层输入不同的能量，使不同的元素以不同程度进行挥发，降低含量，从而可以形成浓度梯度结构。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有工艺简单、便于实施、实施成本低、对设备要求低的优点的多材料非均质零件的增材制造方法。
根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法包括以下步骤：A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层，所述合金粉末包括至少两种元素，所述至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，所述至少两种元素的挥发程度彼此不同，其中在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层的不同区域和/或不同的所述成形层施加不同的电子束或激光的能量，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述不同区域和/或不同的所述成形层得到元素含量不同的合金；和B)逐层将多个所述成形层及其中所述不同区域熔合堆叠，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。
根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法具有工艺简单、便于实施、实施成本低、对设备要求低的优点。
另外，根据本发明上述实施例的多材料非均质零件的增材制造方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层的不同区域采用不同的电子束扫描参数或激光扫描参数，以便施加不同的能量η，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述成形层的所述不同区域得到元素含量不同的合金，获得层内成分梯度结构。
根据本发明的一个实施例，在多个所述成形层的选区熔化过程中，对不同的所述成形层采用不同的电子束扫描参数或激光扫描参数，以便施加不同的能量，在成形层间得到元素含量不同的合金，获得层间成分梯度结构。
根据本发明的一个实施例，利用电子束或激光扫描施加所述能量。
根据本发明的一个实施例，在真空环境或保护气氛环境下实施所述步骤A)和所述步骤B)中的每一个，利用电子束或激光施加所述能量。
根据本发明的一个实施例，在10-4Pa-10-1Pa的气压或保护气氛下实施所述步骤A)和所述步骤B)中的每一个。
根据本发明的一个实施例，所述电子束扫描参数包括电子束功率、束斑直径、扫描速度、扫描方向、扫描线间距、扫描线长度和扫描次数中的至少一种，所述激光扫描参数包括激光功率、束斑直径、扫描速度、扫描方向、扫描线间距、扫描线长度和扫描次数中的至少一种。
根据本发明的一个实施例，所述合金粉末包括2-10种元素。
附图说明
图1是用于实施根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法的装置的结构示意图；
图2是图1的局部示意图；
图3是图2的三维等轴视图；
图4是根据本发明第一可选实施例的非均质梯度零件增材制造方法示意图；
图5是根据本发明第二可选实施例的非均质梯度零件增材制造方法示意图；
图6是根据本发明第三可选实施例的非均质梯度零件增材制造方法示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法。如图1所示，根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法包括以下步骤：
A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层4，所述合金粉末包括至少两种元素，所述至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，所述至少两种元素的挥发程度彼此不同，其中在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层4的不同区域(5、6和7)和/或不同的成形层4施加不同的电子束或激光的能量，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述不同区域和/或不同的成形层4得到元素含量不同的合金；和
B)逐层将多个所述成形层4及其中所述不同区域(5、6和7)熔合堆叠，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。
也就是说，根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法包括以下步骤：
A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层4，所述合金粉末包括至少两种元素，所述至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，所述至少两种元素的挥发程度彼此不同；和
B)重复该步骤A)并形成多个所述成形层4，其中在所述步骤A)和所述步骤B)中的至少一个中，即在所述电子束或激光选区熔化过程中，对零件的不同部分施加不同的电子束或激光的能量，使所述合金粉末所含的所述至少两种元素发生不同程度的挥发，以便在所述零件的不同部分得到元素含量不同的合金，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。
根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法是基于元素差异性的挥发的方法，实现层内成分梯度结构和/或层间成分梯度结构的制备。由于不同的金属元素具有不同的饱和蒸汽压，因此不同的元素具有不同的挥发程度，即挥发的差异性。本申请根据液态合金的热力学和动力学过程，建立增材制造中输入的能量与合金液态熔池中元素的挥发程度的关系，为梯度材料的制备提供依据。其中，输入的能量与元素的挥发程度具有稳定的对应关系。
根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法通过对成形层4的不同区域和/或不同的成形层4施加不同的电子束或激光的能量，从而可以使不同的元素以不同的程度进行挥发，由此可以得到层内成分梯度结构和/或层间成分梯度结构。
在现有的送粉式的熔覆沉积技术中，为了获得层间成分梯度结构，需要使用多种合金粉末。具体而言，当部件具有N个浓度梯度时，需要准备N种合金粉末，并利用N个喷嘴分别供给N种合金粉末。由此不仅极大地增加了制造设备的复杂程度和制造成本，而且增加了熔覆沉积技术的实施难度。
而且，由于不同的部件具有不同的层间成分梯度结构，因此用于制造一个部件的合金粉末无法用于制造另一个部件，导致合金粉末无法得到有效地、充分地利用，即剩余的合金粉末无法被利用。
由于根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法通过改变输入的能量来改变不同的元素的挥发程度，进而改变不同的元素的含量(即元素的质量百分比浓度)，因此在制备具有层内成分梯度结构和/或层间成分梯度结构的零件(部件)时，只需要使用一种合金粉末。也就是说，通过向该合金粉末输入不同的能量，可以改变每个元素的含量，即可以使每个元素具有不同的含量。
由此在实施根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法时，无需准备多种合金粉末，也无需准备元素具有预设浓度的合金粉末，从而可以极大地简化根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法的步骤，降低根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法的实施难度。其中，根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法所使用的合金粉末的每个元素可以具有较大的浓度范围。
而且，由于根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法可以改变合金粉末中的元素的浓度，因此用于制造一个部件的合金粉末可以用于制造另一个部件，从而可以有效地、充分地利用合金粉末。换言之，通过利用根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法，从而可以使合金粉末具有通用性。
因此，根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法具有工艺简单、便于实施、实施成本低、对设备要求低等优点。
有利地，根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法可以是粉床式的选区熔化技术。具体而言，可以利用图1和图2所示的装置实施根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，该合金粉末包括2-10种元素。有利地，对每个所述成形层4的不同区域(5、6或7)施加不同的能量，以便得到层内浓度梯度结构。对多个所述成形层4施加不同的能量，以便得到层间浓度梯度结构。
如图4和图5所示，对每个成形层4的第一区域5和第二区域6或第三区域7施加不同的能量，以便得到层内浓度梯度结构。如图2和图3所示，对多个成形层4施加不同的能量，以便得到层间浓度梯度结构。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，利用激光或电子束扫描施加能量。
有利地，利用电子束3或激光施加能量，在真空环境或保护气氛环境2下实施该步骤A)和该步骤B)中的每一个。也就是说，利用电子束3或激光施加能量，在真空环境或保护气氛环境2下实施本发明的多材料非均质零件的增材制造方法。
在本发明的一个具体示例中，在10-4Pa-10-1Pa的气压或保护气氛下实施该步骤A)和该步骤B)中的每一个。由此可以避免金属粉末被氧化，并且整体粉床的预热温度较高，防止成形中裂纹的形成，影响最终成形零件的使用性能。
在本发明的一些示例中，如图2、图4和图5所示，在所述电子束选区熔化过程或激光选区熔化过程中，对所述成形层4的所述不同区域(5、6、7)采用不同的电子束扫描参数或激光扫描参数，以便施加不同的能量η，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述成形层4的所述不同区域(5、6、7)得到元素含量不同的合金，获得层内成分梯度结构。
在本发明的另一些示例中，如图2和图3所示，在多个所述成形层4的选区熔化过程中，对不同的成形层4采用不同的电子束扫描参数或激光扫描参数，以便施加不同的能量，在所述成形层间得到元素含量不同的合金，获得层间成分梯度结构。
具体而言，所述电子束扫描参数包括电子束功率、束斑直径、扫描速度、扫描方向、扫描线间距、扫描线长度和扫描次数中的至少一种，所述激光扫描参数包括激光功率、束斑直径、扫描速度、扫描方向、扫描线间距、扫描线长度和扫描次数中的至少一种。
在本发明的一个示例中，如图6所示，根据本发明实施例的多材料非均质零件的增材制造方法利用钛铝合金粉末，该钛铝合金粉末选用Ti50Al。如图6所示，在区域6成形采用低能量输入，使Al元素较少发生挥发，保持成分为Ti47Al，在中间区域5采用高的能量输入，使Al元素发生较多挥发，使合金成分为Ti23Al，在内部区域8采用更高的能量输入，Al元素大量挥发，使合金成分为Ti6Al。由此，在同一成形层内，材料的成分呈梯度过渡，以便得到层内成分梯度结构。
同样，沿成形高度方向，在不同的所述成形层4内，使用不同的能量输入，使Al元素挥发程度不同，从而制备沿成形高度方向的层间成分梯度结构。
现有的基于粉床的增材制造技术，无法改变同一成形层内的粉末的成分，因此无法实现在同一成形层内梯度结构的制备，即无法得到层内成分梯度结构。基于送粉式的增材制造技术，虽然可以实现同一成形层内的梯度结构，但是需要更换不同的粉末，成形效率低。采用基于能量控制的方法制备梯度材料，可以实现粉床式的梯度材料的制备，通过改变层内的扫描能量，只需要通过程序控制，改变能量输入的大小，不涉及更换粉末的过程，成形时间缩短，效率提高。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层，所述合金粉末包括至少两种元素，所述至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，所述至少两种元素的挥发程度彼此不同，其中在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层的不同区域和/或不同的所述成形层施加不同的电子束或激光的能量，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述不同区域和/或不同的所述成形层得到元素含量不同的合金；和
B)逐层将多个所述成形层及其中所述不同区域熔合堆叠，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。
2.根据权利要求1所述的多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于：在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层的不同区域采用不同的电子束扫描参数或激光扫描参数，以便施加不同的能量η，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述成形层的所述不同区域得到元素含量不同的合金，获得层内成分梯度结构。
3.根据权利要求1所述的多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，在多个所述成形层的选区熔化过程中，对不同的所述成形层采用不同的电子束扫描参数或激光扫描参数，以便施加不同的能量，在成形层间得到元素含量不同的合金，获得层间成分梯度结构。
4.根据权利要求1所述的多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，利用电子束或激光扫描施加所述能量。
5.根据权利要求1所述的多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，在真空环境或保护气氛环境下实施所述步骤A)和所述步骤B)中的每一个，利用电子束或激光施加所述能量。
6.根据权利要求5所述的多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，在10-4Pa-10-1Pa的气压或保护气氛下实施所述步骤A)和所述步骤B)中的每一个。
7.根据权利要求2或3所述的多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，所述电子束扫描参数包括电子束功率、束斑直径、扫描速度、扫描方向、扫描线间距、扫描线长度和扫描次数中的至少一种，所述激光扫描参数包括激光功率、束斑直径、扫描速度、扫描方向、扫描线间距、扫描线长度和扫描次数中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，所述合金粉末包括2-10种元素。
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