CN108372296A - 一种电子束熔丝制备功能梯度材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子束熔丝制备功能梯度材料的方法。该方法基于电子束熔丝装置实现，根据所需梯度材料的要求，设计两种丝材的送进速度配比；将需要制备的零件模型导入切片程序中，生成加工路径文件；综合丝材送进速度与加工路径文件，形成加工程序；电子束熔丝设备以增材生长方式逐层形成零件，在成形过程中，通过加工程序设定的不同送丝速度，实现材料成分的连续变化，实现功能梯度材料的制备。可通过分别外部控制丝材的送进速度实现两种材料的不同配比，避免制备过程中途更换材料体系；成形出的梯度材料致密度高，无缩松缩孔缺陷，制备的材料内部质量好。
Description
技术领域
本发明涉及表面工程领域，具体的说，是一种电子束熔丝制备功能梯度材料的方法。
背景技术
功能梯度材料是根据使用要求，选择使用两种不同性能的材料，利用先进的加工技术，使中间组成和结构连续呈现梯度变化，由于内部不存在明显界面，可使材料性质和功能沿厚度方向呈梯度变化的一种新型复合材料。 其特点是材料在某特定方向上的性能变化是逐步连续渐变，可避免或缓解传统复合材料由于物性差异太大而在使用过程中所产生诸如应力集中、 开裂及剥落等缺陷。
梯度材料具有很好的可设计性，可以通过有针对性地改变各组分材料体积含量的空间分布，以达到优化结构内部应力分布、满足不同部位对材料使用性能的要求。
目前功能梯度材料的制备方法主要有气相沉积法、粉末冶金法、离心铸造法、自蔓延高温燃烧合成法、激光融覆法、等离子喷涂法等。
目前的制备方法使用于不同的领域，但缺少一种专用于金属材料的快速便捷的功能梯度材料制备方法。
气相沉积法分为物理沉积和化学沉积。物理沉积所需温度低，对基体影响小，不易实现梯度成分的控制；化学沉积可控制分散相浓度的连续变化，所需温度高，压力大。气相沉积法适用于零件表面镀层的功能梯度材料制备。
粉末冶金法将原料颗粒或粉末按照设计好的组分进行混合后再按梯度逐层排列，经压实后烧结，形成功能梯度材料。通过控制原料的粒度大小和烧结工艺，粉末冶金法可得到成分或晶粒度呈梯度变化的材料，适合于制备大体积的梯度材料。粉末冶金法制备过程中涉及工艺参数较多，制备工艺相对比较复杂。
离心铸造法易于制备大块组分连续分布的功能梯度材料，适合批量生产，仅适用于圆筒类铸件，且梯度材料必须存在密度差。
自蔓延高温燃烧合成法对于制备大尺寸、形状复杂的梯度材料极具潜力，但仅适用于放热反应材料体系，制备出的材料需经加压致密化处理，自身放热过程较难控制。
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末通过喷枪涂敷在基材表面，并在基材表面形成熔池，通过改变粉末的组成配比，并在覆层熔覆时一同注入，实现垂直覆层方向上的组分变化。激光熔覆法适应性广，但制备过程中需要多次更换不同配比的粉末。
等离子喷涂法是将原料粉末材料喷入等离子体中或等离子射流中，利用等离子所产生的高温高速热源，使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层。等离子喷涂生产效率高、喷涂材料范围广，但涂层中较多疏松与孔洞。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用电子束熔丝设备制备金属功能梯度材料的方法，实现金属类功能梯度材料的快速制备。制备出的材料致密度高，内部缺陷少，可以实现成分在梯度方向上连续变化。
为解决上述技术问题，本发明一种电子束熔丝制备功能梯度材料的方法，该方法基于电子束熔丝装置实现，所述装置包括第一送丝机构、第二送丝机构、电子枪及控制器；所述方法包括以下步骤：
根据所需梯度材料的要求，设计两种丝材的送进速度配比；
将需要制备的零件模型导入切片程序中，生成加工路径文件；
综合丝材送进速度与加工路径文件，形成加工程序；
电子束熔丝设备以增材生长方式逐层形成零件，在成形过程中，通过加工程序设定的不同送丝速度，实现两种材料的不同配比，实现材料成分的连续变化，实现功能梯度材料的制备。
优选地，制备的材料梯度变化方向沿生长高度方向，根据该梯度方向规划加工路径。
优选地，制备的材料梯度变化方向处于水平面内且垂直于路径规划方向 ，根据该梯度方向规划加工路径。
采用上述技术方案后，利用电子束熔丝设备制备功能梯度材料，在原理上借鉴了激光熔覆法和等离子喷涂法。两套送丝机构相互独立工作，实现两种材料任意配比混合；可根据梯度要求方便地实现或连续或局部突变的梯度变化，更进一步，通过增加送丝装置，可进行更为复杂的多种材料的梯度配比。由于在真空环境中进行，成形出的梯度材料致密度高，无缩松缩孔缺陷，制备的材料内部质量好。
附图说明
图1是一个实施例中电子束熔丝制备梯度材料原理示意图。
图2是一个实施例中梯度方向沿生长高度方向原理示意图。
图3是一个实施例中梯度方向处于水平面内且垂直于路径规划方向原理示意图。
详尽地，图1～图3中具体标记如下：
1.第一送丝机构；
2.第二送丝机构；
3.电子枪；
4.电子束；
5.丝材A；
6.丝材B；
7.基板；
8.熔池；
9.梯度沿成形生长高度方向材料；
10.梯度处于平面且垂直于成形路径方向材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。以下描述仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是一种利用电子束熔丝设备制备金属功能梯度材料的方法，实现金属类功能梯度材料的快速制备。制备出的材料致密度高，内部缺陷少，可以实现成分在梯度方向上连续变化。
下面结合图例分别对沿高度方向产生梯度变化及平面内垂直于成形路径方向产生梯度变化两种情况进行说明。与成形不直接相关的其他功能部件在图中未显示。
如图1所示，利用电子束熔丝设备制备金属功能梯度材料系统包含第一送丝机构1、第二送丝机构2、电子枪3、成形工作台及附属功能部件等。
由第一送丝装置1送进丝材A，由第二送丝装置2送进丝材B。电子枪3产生电子束4，将丝材在基板7局部形成熔池8，根据不同的路径规划，能够形成梯度变化方向沿成形生长高度方向材料9，或者梯度变化方向处于平面且垂直于成形路径方向材料10。
当材料梯度方向沿生长高度方向时，如图2所示。要求零件底部100%为A种材料，材料顶部100%为B种材料，沿高度方向成分连续变化。其实现流程为为：测量零件整体高度，记为H。两套送丝机构送进丝材的总速度记为V(V=V1+V2,其中V1为第一送丝机构1的送丝速度，V2为第二送丝机构2的送丝速度)且保持V不变。在总速度为V的条件下，测量成形单层高度，记为h。则需要成形层数n=H/h。成形时，由第一送丝装置1送进A种材料，由第二送丝装置2送进B种材料。当成形第1层时，V1=V,V2=0；当成形第n层，即最后一层时，V1=0,V2=V；当成形中间的某一层，如第i层时（0＜i＜n），V1=(n-i)V/(n-1),V2=(i-1)V/(n-1)。在每层成形文件中，按照上述公式分别设定第一送丝机构1和第二送丝机构2的送丝速度，形成加工程序。按照由低到高的顺序将加工文件输入到电子束熔丝设备的控制器中，设备按照加工文件逐层成形梯度材料，通过单层层片的叠加累计完成整体成形。
当材料梯度方向在成形平面之内且垂直于加工路径时，如图3所示。要求零件左侧100%为A种材料，零件右侧100%为B种材料，由左至右沿垂直加工路径方向实现成分连续变化。其实现流程为为：测量零件投影到成形平面由左至右的最大跨距，记为L。两套送丝机构送进丝材的总速度记为V(V=V1+V2,其中V1为第一送丝机构1的送丝速度，V2为第二送丝机构2的送丝速度)且保持V不变。在总速度为V的条件下，测量成形单层宽度，记为b。则单层内需要加工路径的个数为m=L/b。成形时，由第一送丝机构1送进A种材料，由第二送丝装置2送进B种材料。一个加工平面内成形第1到加工路径时，V1=V,V2=0；成形最后1道加工路径时，V1=0,V2=V；当成形中间某一道加工路径，如第j道时（0＜j＜m），V1=(m-j)V/(m-1),V2=(j-1)V/(m-1)。每一个层片可以有若干道加工程序，且该数值一定小于等于m，根据零件模型的不同，某一层的加工文件不一定是从第1道开始，可能从e道开始，第f道结束（0＜e≤f≤m）。根据以上公式设定每层文件内每道成形文件之中第一送丝机构1和第二送丝机构2的送丝速度，形成加工程序。按照成形顺序将加工文件输入到电子束熔丝设备的控制器中，设备按照加工文件逐道逐层成形梯度材料，通过单层层片的叠加累计完成整体成形。
以上仅为本发明较佳的实施例，并不构成对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则内做出的任何修改、改进及等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种电子束熔丝制备功能梯度材料的方法，该方法基于电子束熔丝装置实现，所述装置包括第一送丝机构、第二送丝机构、电子枪及控制器；所述方法包括以下步骤：
根据所需梯度材料的要求，设计两种丝材的送进速度配比；
将需要制备的零件模型导入切片程序中，生成加工路径文件；
综合丝材送进速度与加工路径文件，形成加工程序；
电子束熔丝设备以增材生长方式逐层形成零件，在成形过程中，通过加工程序设定的不同送丝速度，实现两种材料的不同配比，实现材料成分的连续变化，实现功能梯度材料的制备。
2.根据权利要求1所述电子束熔丝制备功能梯度材料的方法，其特征在于，制备的材料梯度变化方向沿生长高度方向。
3.根据权利要求1所述电子束熔丝制备功能梯度材料的方法，其特征在于，制备的材料梯度变化方向处于水平面内且垂直于路径规划方向。
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