CN107774996A - 一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于快速制造领域，并公开了一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法，包括以下步骤：(1)制备适合SLM成形的铝基复合粉末：将铝合金粉末与增强体颗粒进行各种质量配比的混合然后对各份铝基复合粉末分别进行球磨；(2)将铝基板固定在SLM装备的成形台面上对铝基板预热；(3)成型零件，更换不同配比的铝基复合粉末来成型上一层，从而制造出结构和成分连续变化的多材料梯度点阵结构的零件；(4)零件冷却并进行线切割得到梯度点阵结构零件。本发明的铝基复合粉末分布均匀、界面结合性好，很好解决了金属与陶瓷间界面不匹配问题，而且消除了突变的界面，消除了由突变界面带来的物理性能的突变，减小了热应力。

Description

一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法
技术领域
本发明属于快速制造领域，更具体地，涉及一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法。
背景技术
随着航空航天、舰船、汽车等机械领域的进步，材料已经成为制约其发展的关键因素，尤其在严酷环境下服役的高性能构件，对结构与性能的要求更为严苛。以高速飞行器的舱体隔热层为例，随着飞行速度的提高，其气动加热环境越来越严酷。当飞行速度从5马赫(Ma)增加到7Ma时，基体大面积外表温度从650℃增加到1800℃；当速度增加到10Ma时，外表温度可增加到2200℃，但是，要求舱体内的温度不能超过80℃，即使采用表面防热层阻碍大部分法向热量的传递也很难达到舱内需求温度。并且，高速飞行器对气动载荷及惯性载荷下的强度、刚度、承载能力等提出了更高的要求。因此，对高性能新材料的研发变得越来越迫切。
当前，将两种或两种以上的材料通过复合工艺而组成的复合材料，不仅继承了原组分的特点，还能产生新性能。如铝基复合材料，不仅具有较低的密度、较高的比强度、比刚度、比模量、高韧性、抗疲劳等力学性能，还可以具有耐腐蚀、耐高温等化学特性，以及透电磁波的等物理特性，同时，复合材料制造工艺简单、成本低、可设计性强。然而，传统的层状复合材料存在宏观突变界面，会由于成分的突变带来性能的突变，不利于界面的结合。而梯度材料则是结构或成分连续变化，不仅保留了传统复合材料的优点，还以连续变化的结构梯度或成分梯度代替突变界面，弱化了界面物理性能的突变，降低热应力，从而提高界面结合强度。同时，使用点阵结构，不仅能减轻构件质量，提高承载能力，还使其具有高比强度、比刚度、高韧性、高能量吸收，并且通过填充不同的功能材料可以达到隔热、吸声、减震、电磁屏蔽等特性，从而实现结构与功能的统一。复合材料梯度点阵结构的运用将极大的促进航空航天事业的发展。
然而，传统制造点阵的模具膨胀工艺、挤压互锁工艺、熔模铸造工艺、冲压折叠钎焊法等在遇到梯度材料尤其是成分或结构连续变化的梯度构件就很难实现，并且它们对模具的要求高，加工制备流程长、效率低，精度低，成本高；传统的制造梯度材料的方法如离心铸造法、气相沉积法、等离子喷涂等遇到点阵结构尤其是结构连续变化的点阵构件也难以实现，并且这些工艺制造的梯度结构存在界面结合差、对复杂形状如锥形、双曲率结构难以加工等问题。
激光选区熔化技术(Selective laser melting,SLM)是增材制造领域的技术之一，该工艺根据CAD零件切片，用高能激光熔化粉床，逐层累加而成任意复杂形状的金属零件。该方法无需刀具、模具、材料利用率高，生产流程短，设计的自由度高，精度高，制造柔性高。虽然SLM具有极高的能量密度，但是铝对激光的的吸收很低，比如对1um波长的激光吸收率约7％，并且加工过程中极易氧化，复合材料之间界面的结合也较难控制，给铝基复合材料成形点阵结构带来了困难。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法，该方法省去了传统加工点阵结构的复杂环节，不仅材料的利用率可达99％，而且生产效率高，能成形出高精度的复杂结构，不仅可以自由成形点阵结构，还能在成分和结构上同时实现梯度变化。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备适合SLM成形的铝基复合粉末：将铝合金粉末与增强体颗粒进行各种质量配比的混合，从而获得多份不同配比的铝基复合粉末，然后对各份铝基复合粉末分别进行球磨，以使增强体颗粒均匀地粘附在铝合金粉末表面，同时避免铝合金粉末发生明显的塑性变形，其中，所述铝合金粉末为球形或近球形，粒度为15um-50um并呈正态分布，增强体颗粒的平均粒径为30nm-60nm；
(2)将铝基板固定在SLM装备的成形台面上，使所述铝基板与SLM加工平面平齐，将SLM装备的成形腔内抽真空并通入氩气作为保护气体，使成形腔内的氧含量在0.01％以下，同时对铝基板预热到100℃～200℃；
(3)根据零件的功能，得到成分和结构均梯度变化的梯度点阵结构CAD模型，并对该CAD模型进行切片，得到相应的STL文件，输入计算机，由计算机控制SLM装备进行加工来分层制造零件；其中，每完成一种配比的铝基复合粉末的指定层厚的打印，便更换不同配比的铝基复合粉末来成型上一层，以此方式，制造出结构和成分连续变化的多材料梯度点阵结构零件；
(4)零件加工完成后，自然冷却到室温，将铝基板从SLM成形平台上取下，进行线切割得到多材料梯度点阵结构零件。
优选地，所述铝合金为Al-Si系合金。
优选地，所述增强体颗粒为nano-SiC、nano-TiB2、nano-Al2O3中的一种或多种。
优选地，所述SLM装备采用的激光器为400W的光纤激光器。
优选地，步骤(1)中，球磨转速100-200rpm，球磨时间1-2h。
优选地，在各份铝基复合粉末中，所述增强体粉末的质量与此份铝基复合粉末总质量的比值大于等于1％而小于等于5％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本方法省去了传统加工点阵结构的复杂环节，不仅材料的利用率可达99％，而且生产效率高，能成形出高精度的复杂结构，不仅可以自由成形点阵结构，还能在成分和结构上同时实现梯度变化。当点阵结构在结构上实现梯度变化时，其致密的部分有助于提高承载能力，增强与其他复合界面的结合，其稀疏的部分可以促进构件的散热，同时还能在空隙中填充其他功能材料，实现特殊性能；并且成分的连续变化消除了由于成分突变带来的界面突变，从而实现结构与功能一体化的整体制造方法。但是，由于铝合金的硬度低，易氧化，激光吸收率低，同时为了降低成本、提高产量，本发明采用简单易行的低速球磨法，增加激光能量密度，增加预热温度，降低成形腔内氧含量来进行成形。
(2)不需要刀具、模具，设计自由度高，加工柔性高。只要CAD建立好模型，就可以实现复杂精细梯度点阵结构的加工。
(3)铝基复合粉末分布均匀、界面结合性好，很好解决了金属与陶瓷间界面不匹配问题。
(4)消除了突变的界面，消除了由突变界面带来的物理性能的突变，减小了热应力。
(5)创造性的实现了结构和成分同时连续变化的一体化成形。
(6)兼具有复合材料、梯度结构和点阵结构的优异性能，实现了结构与功能的统一。
附图说明
图1是本发明中多材料漏斗落粉机构示意图；
图中，1-铝基复合粉末；2-铝基板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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：
(1)选取用气雾化法制备的粒度为15-50um正态分布的AlSi10Mg粉末和平均粒径为40nm的球形SiC粉末，按质量比99:1、98:2、97:3分别进行低速球磨，获得三份铝基复合粉末1，其中，球磨速度为150rpm，时间为1.5h。
(2)将铝基板2固定并预热维持到150℃，将成形腔内氧含量抽到0.01％以下。
(3)将优化后的梯度点阵的三维CAD模型进行切片，得到相应的STL格式文件，输入计算机，在保护气氛下由计算机控制SLM装备，落粉缸按加工层厚每次落下一定层厚的粉末，铺粉棍完成铺粉，激光源为400W的光纤激光器，设置功率为350W，扫描速度为950mm/s，铺粉层厚为50um，扫描间距为170um完成一次扫描，落粉缸再落入一定层厚粉末，如此循环，直至完成一种成分的指定厚度的打印，再更换另一种成分粉末进行打印，最终完成整个梯度点阵结构的成形，从而整体制造出铝基复合粉末梯度点阵结构零件。
(4)打印结束后，冷却至室温，用压缩空气吹，或用毛刷刷，或用水冲洗，去除零件多空结构里的粉末，并用线切割取下零件。
实施例2：
(1)选取用气雾化法制备的粒度为15-50um正态分布的AlSi10Mg粉末和平均粒径为30nm的球形Al2O3粉末，按质量比99:1、98:2、97:3进行低速球磨，获得三份铝基复合粉末1，其中，球磨速度为100rpm，时间为2h。
(2)将铝基板2固定并预热维持到200℃，将成形腔内氧含量抽到0.01％以下。
(3)将优化后的梯度点阵的三维CAD模型进行切片，得到相应的STL格式文件，输入计算机，在保护气氛下由计算机控制SLM装备，落粉缸按加工层厚每次落下一定层厚的粉末，铺粉棍完成铺粉，激光源为400W的光纤激光器，设置功率为350W，扫描速度为950mm/s，铺粉层厚为50um，扫描间距为170um完成一次扫描，落粉缸再落入一定层厚粉末，如此循环，直至完成一种成分的指定厚度的打印，再更换另一种成分粉末进行打印，最终完成整个梯度点阵结构的成形，从而整体制造出铝基复合粉末梯度点阵结构零件。
(4)打印结束后，冷却至室温，用压缩空气吹，或用毛刷刷，或用水冲洗，去除零件多空结构里的粉末，并用线切割取下零件。
实施例3：
(1)选取用气雾化法制备的粒度为15-50um正态分布的AlSi10Mg粉末和平均粒径为50nm的球形TiB2粉末，按质量比99:1、98:2、97:3进行低速球磨，获得三份铝基复合粉末1，其中，球磨速度为200rpm，时间为1h。
(2)将铝基板2固定并预热维持到100℃，将成形腔内氧含量抽到0.01％以下。
(3)将优化后的梯度点阵的三维CAD模型进行切片，得到相应的STL格式文件，输入计算机，在保护气氛下由计算机控制SLM装备，落粉缸按加工层厚每次落下一定层厚的粉末，铺粉棍完成铺粉，激光源为400W的光纤激光器，设置功率为350W，扫描速度为950mm/s，铺粉层厚为50um，扫描间距为170um完成一次扫描，落粉缸再落入一定层厚粉末，如此循环，直至完成一种成分的指定厚度的打印，再更换另一种成分粉末进行打印，最终完成整个梯度点阵结构的成形，从而整体制造出铝基复合粉末梯度点阵结构零件。
(4)打印结束后，冷却至室温，用压缩空气吹，或用毛刷刷，或用水冲洗，去除零件多空结构里的粉末，并用线切割取下零件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备适合SLM成形的铝基复合粉末：将铝合金粉末与增强体颗粒进行各种质量配比的混合，从而获得多份不同配比的铝基复合粉末，然后对各份铝基复合粉末分别进行球磨，以使增强体颗粒均匀地粘附在铝合金粉末表面，同时避免铝合金粉末发生明显的塑性变形，其中，所述铝合金粉末为球形或近球形，粒度为15um-50um并呈正态分布，增强体颗粒的平均粒径为30nm-60nm；
(2)将铝基板固定在SLM装备的成形台面上，使所述铝基板与SLM加工平面平齐，将SLM装备的成形腔内抽真空并通入氩气作为保护气体，使成形腔内的氧含量在0.01％以下，同时对铝基板预热到100℃～200℃；
(3)根据零件的功能，得到成分和结构均梯度变化的梯度点阵结构CAD模型，并对该CAD模型进行切片，得到相应的STL文件，输入计算机，由计算机控制SLM装备进行加工来分层制造零件；其中，每完成一种配比的铝基复合粉末的指定层厚的打印，便更换不同配比的铝基复合粉末来成型上一层，以此方式，制造出结构和成分连续变化的多材料梯度点阵结构零件；
(4)零件加工完成后，自然冷却到室温，将铝基板从SLM成形平台上取下，进行线切割得到多材料梯度点阵结构零件。
2.根据权利要求1所述的一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法，其特征在于，所述铝合金为Al-Si系合金。
3.根据权利要求1所述的一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法，其特征在于，所述增强体颗粒为nano-SiC、nano-TiB2、nano-Al2O3中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法，其特征在于，所述SLM装备采用的激光器为400W的光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法，其特征在于，步骤(1)中，球磨转速100-200rpm，球磨时间1-2h。
6.根据权利要求1所述的一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法，其特征在于，在各份铝基复合粉末中，所述增强体粉末的质量与此份铝基复合粉末总质量的比值大于等于1％而小于等于5％。
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