CN110238404A - 一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，该方法将同步材料送进高能束增材制造和高能束选区熔化成形两种技术结合，为增材制造技术可用于制造异质材料复杂结构零件提供了一种技术手段，扩宽了增材制造技术的应用范围。该方法首先根据目标零件的结构划分简单结构单元和复杂结构单元，根据模型单元的类型，采用不同的成形方法；采用本发明增材制造的异质材料复杂结构件，具有过渡区结合强度高，加工效率高等优势，零件不仅整体性能良好，复杂度不同的部位也能达到各自的精度和形状要求，且因为基于增材制造技术，所以具有制造过程柔性化程度高的优点，实现了异质材料结构零件的高效、高性能增材制造。

Description

一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法

【技术领域】

本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法。

【背景技术】

近年来，新一代航空航天等高技术领域的结构件朝着轻量化、功能一体化、智能化的方向发展。所设计的新型结构件希望包含不同的材料、尺度和结构复杂度，这给制造技术带来了极大挑战。增材制造技术(3D打印)作为一种发展迅猛的新兴制造技术，受到全世界广泛的关注。基于增材制造技术离散+逐层堆积的制造原理，以及快速自由成形的特点，使其在功能梯度材料和复杂结构零件制造领域具有极大的应用潜力。高能束增材制造技术作为高性能金属先进制造技术，可分为同步材料送进方式的高能束增材制造方法(激光立体成形(Laser Solid Forming，LSF)、电弧增材、电子束送丝等)和铺粉方式的高能束选区熔化技术(选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)、电子束选区熔化等)。同步材料送进方式高能束增材制造方法在制备梯度材料上具有明显的优势，且成形效率高，柔性化程度强。但同步材料送进方式的高能束增材制造技术在成形精度和复杂度方面不及高能束选区熔化成形，比较适合加工结构简单的零件。而高能束选区熔化成形适合加工结构复杂的零件，加工精度高，但在制备梯度材料方面存在诸多困难，如难以实现复杂分区精确铺粉、多材料粉末回收困难等。因此，当需要制造的零件包含多种材料且非常复杂的结构(如跨尺度结构)为一种材料时，只用以上技术中的一种难以达到制造要求。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法；该方法将高能束增材制造的两类主要方法结合起来，用于异质材料复杂结构件的制造，实现零件系统的轻量化、功能一体化。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1，拆分目标异质材料复杂结构件为n个模型单元，每一个模型单元为同种单一材料；n为≥2的自然数；

步骤2，每两种模型单元材料结合的区域为材料成分过渡区，设计材料成分过渡区的尺寸和成分；

步骤3，根据各个模型单元的结构复杂度，划分简单结构单元和复杂结构单元；根据模型单元的类型，确定该模型单元的成形方法；其中，复杂结构单元采用高能束选区熔化成形方法制备；简单结构单元和材料成分过渡区采用同步材料送进高能束增材制造方法制备；

步骤4，根据各个模型单元的材料、尺寸和成型方法，确定增材制造参数；

步骤5，增材制造边部的第1个模型单元，然后制造第1个材料成分过渡区；制造第2个模型单元，然后制造第2个材料成分过渡区；依次类推，至增材制造第k个模型单元，至增材制造第n-1个材料成分过渡区，最后制造第n个模型单元；1＜k＜n，k为自然数；材料成分过渡区共n-1个；最终获得异质材料复杂结构件。

本发明的进一步改进在于：

优选的，高能束选区熔化成形方法或同步材料送进高能束增材制造方法中的高能束为激光束、电弧、等离子束或电子束。

优选的，同步材料送进高能束增材制造方法中的送料方式为送粉或送丝。

优选的，步骤5中，增材制造简单结构单元的过程为：在同步材料送进高能束增材制造装置的一路送料装置中放置简单结构单元的材料，在数控系统中建立简单结构单元的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造简单结构单元，至该简单结构单元制造结束。

优选的，步骤5中，增材制造材料成分过渡区的过程为，在同步材料送进高能束增材制造装置的送料装置中的一路放置第k个模型单元的材料，另一路放置第k+1个模型单元的材料，在数控系统中建立材料成分过渡区的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造材料成分过渡区；增材制造过程中，通过两路同步送粉装置同时输送两种材料，制备出材料成分过渡区。

优选的，沿增材制造堆积方向，每一个材料成分过渡区等分为x份，每一份的堆积层数为c，单层堆积厚度为d，材料成分过渡区的高度为D，D＝xcd，x为大于2的自然数，c为大于1的自然数。

优选的，通过多路同步送粉装置同时输送两种材料，制备材料成分过渡区时，通过调整两种粉末的送进速度，改变喷嘴送出两种粉末的比例，形成成分逐渐变化的成分过渡区。

优选的，步骤5中，增材制造复杂结构单元的过程为：在高能束选区熔化成形装置的送料装置中放入复杂结构单元的材料，在数控系统中建立复杂结构单元的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造复杂结构单元，直至复杂结构单元成型完毕。

优选的，步骤5中，在制造出第k个材料成分过渡区后，对已成型的第k个材料成分过渡区的顶部均进行机加工，形成平面，作为第k+1个模型单元成型的基板。

优选的，增材制造过程均在氩气气氛中进行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，该方法将同步材料送进高能束增材制造和高能束选区熔化成形两种技术结合，为增材制造技术可用于制造异质材料复杂结构零件提供了一种技术手段，扩宽了增材制造技术的应用范围。该方法首先根据目标零件的材料分布将零件划分为若干个模型单元，再根据各模型单元的结构复杂度将其划分为简单结构单元和复杂结构单元，根据模型单元的类型，采用不同的成形方法；通过对材料成分过渡区成分和尺寸的精确设计，实现各模型单元的结构和成分的平滑过渡；采用本发明增材制造的异质材料复杂结构件，具有过渡区结合强度高，加工效率高等优势，零件不仅整体性能良好，复杂度不同的部位也能达到各自的精度和形状要求，且因为基于增材制造技术，所以具有制造过程柔性化程度高的优点，实现了异质材料结构零件的高效、高性能增材制造。

进一步的，同步材料送进高能束增材制造方法和高能束选区熔化成型方法的各个参数选择范围较宽，能够根据各个模型单元的材料、尺寸和成形方法，确定增材制造参数。

进一步的，高能束的选择类型较宽，能够为激光束、电弧、等离子束或电子束。

进一步的，根据目标零部件的材料、结构和尺寸特点不同，分为两种成形方法。使得制备出的零件精度高，满足目标零件要求；无论是哪种成形方法，在制备出一种结构单元后，需要对制备出的结构单元进行加工，以作为下一步结构单元的基板，保证过渡区域的连接强度高，不会受到异质材料的影响。

进一步的，在两部分过渡区域，通过同步材料送进高能束增材制造技术调节材料比例，可实现异质材料自然连续过渡，从而过渡区域性能连续，有效完成异质材料之间的冶金结合，没有明显的分层界面。这不仅保证了各层之间整体的结合强度，还保证了组织在生长方向上的连续性。

进一步的，制备过程始终在保护气氛中进行，保证制备出零部件的质量，零部件表面不被氧化。

【附图说明】

图1为本发明的实施例1中所述的异质金属复杂结构件模型示意图；

图2为本发明的实施例1中零件各模型单元的划分方案；

图3为本发明的实施例1中简单结构模型单元的成形效果图；

图4为本发明的实施例1中简单模型单元和材料成分过渡区的成形效果图；

图5为本发明的实施例1中目标异质金属复杂结构件的成形效果图；

图6为本发明的实施例2中所述的异质金属复杂结构件模型示意图；

图7为本发明的实施例2中零件各模型单元的划分方案；

图8为本发明的实施例2中复杂结构模型单元的成形效果图；

图9为本发明的实施例2中复杂结构和材料成分过渡区的成形效果图；

图10为本发明的实施例2中的目标异质金属复杂结构件的成形效果图。

【具体实施方式】

下面对本发明做进一步详细描述，本发明公开了一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，本发明中的异质材料不限于两种材料，但是每一个成分过渡区均为两种材料的过渡，通过本方法最终制备出来的异质材料复杂结构件的材料成分过渡区所占最终结构件的体积比例较小，主要起到材料过渡，加强过渡区连接强度的作用，不会对整个复杂结构件的形状，成分造成影响；该方法包括以下步骤：

步骤1，根据材料的分布情况，将零件拆分为n个模型单元，每一个模型单元为同种单一材料；n为≥2的自然数；保证每一个模型单元具有同种单一材料，作为独立的工艺模型单元，需要说明的是，相邻的两个模型单元的材料必然不同，但是相隔的模型单元的材料有可能相同，无论该复杂成型构件中有几种材料，只要相邻的两个单元的材料不同，则划分为两个模型单元，因此复杂结构件的材料种类≤n，但是≥2。

步骤2，两种材料结合的区域为材料成分过渡区，设计材料成分过渡区的尺寸、形状和成分，材料成分过渡区的尺寸占最终零件的体积较小，起到过渡连接的作用；材料成分过渡区的形状根据被连接的两个单元的对接面确定，如第k个模型单元对接面为圆形A，第k+1个模型单元的对接面为圆形B，圆形B的直径大于圆形A的直径，则材料成分过渡区的形状能够设计为圆台状，一端的直径和圆形A的直径相同，另一端的直径和圆形B的直径相同；材料成分过渡区的成分变化规律为梯度变化，设定简单结构单元的材料为合金粉末A，复杂结构单元的材料为合金粉末B，则材料成分过渡区从简单结构单元到复杂结构单元的变化规律为，合金粉末A占过渡区材料的质量百分比从100％到0％，合金粉末B占过渡区材料质量百分比从0％到100％，过渡区合金粉末A+合金粉末B的质量始终为100％；过渡区沿增材制造堆积方向，每一个材料成分过渡区等分为x份，每一份的堆积层数为c，单层堆积厚度为d，材料成分过渡区的高度为D，D＝xcd，x为大于2的自然数，c≥1。优选的，以10％的合金变化为梯度，将材料成分过渡区等分为9份，从合金粉末A到合金粉末B，每一份的材料成分过渡区合金粉末的成分变化规律为90％A-10％B、80％A-20％B、….20％A-80％、10％A-90％B，因此成分过渡区包括9种合金成分配比，每种成分配比的堆积层数c、单层堆积厚度d和材料成分过渡区的高度D满足关系：D＝9cd；上述设计方式均为实现一个模型单元向下一模型单元的材料和结构的平滑过渡；

材料成分过渡区是连接两个模型单元的重要部分，设计该区域的成分、形状、尺寸，一方面要实现材料成分的平滑过渡，以提高材料过渡界面的冶金质量和结合强度；一方面要使该区域的顶部出现平台，作为下一模型单元成形的基板；另一方面还要考虑材料成分过渡区的尺寸不影响整体零件的尺寸要求。

步骤3，根据各模型单元的结构复杂度，确定每一个模型单元是简单结构单元还是复杂结构单元，以确定其成形方法，其中复杂结构单元采用高能束选区熔化成形方法制备，简单结构单元和材料成分过渡区采用同步材料送进高能束增材制造方法制备；

简单结构单元或复杂结构单元的判断依据为：当采用同步材料送进高能束增材制造方法制备出的模型单元无法达到所需的结构复杂度和尺寸精度，则判断该模型单元为复杂结构单元。

步骤4，根据各模型单元所需成形的目标材料、尺寸和对应的成形方法，确定与之相匹配的工艺参数；

其中同步材料送进高能束增材制造方法的激光功率为300～8000W，光斑直径为2～7mm，扫描速度为300～2000mm/min，层高为0.2～1.5mm；高能束选区熔化成形方法的激光功率为120W～200W，层高为20～60μm，扫描速度为200～1000mm/min，光斑直径为0.1mm；增材制造过程中，加工室的氧气含量保持在100ppm以下；不同的合金材料，增材制造参数不同。

上述过程中，高能束可以是激光束，也可以是电弧、等离子束或电子束中的任意一种；同步材料送进高能束增材制造成形方法的送料方式是送粉，高能束选区熔化成形的送料方式可以是送粉和送丝中的任意一种。

步骤5，根据各模型单元的尺寸大小，确定最佳的成形方向，逐个成形各个模型单元；成形方向的判断依据为：逐个成形各个工艺模型单元时，零件横截面积的整体变化趋势为减小，避免出现悬空结构，减小成形难度。从该复杂结构件边部的单元开始制造。

首先增材制造边部的第1个模型单元，然后制造第1个材料成分过渡区；制造第2个模型单元，然后制造第2个材料成分过渡区；依次类推，至增材制造第k个模型单元，至增材制造第n-1个材料成分过渡区，最后制造第n个模型单元；最终获得异质材料复杂结构件。上述1＜k＜n，k为自然数；因为一共n个模型单元，因此材料成分过渡区共n-1个。

制造每一个模型单元时，根据模型单元的类型选择不同的制造方法，如增材制造简单结构单元的过程为：在同步材料送进高能束增材制造装置的一路送料装置中放置简单结构单元的材料，在数控系统中建立简单结构单元的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造简单结构单元，至该简单结构单元制造结束。

制造复杂结构单元的过程为：在高能束选区熔化成形装置的送料装置中放入复杂结构单元的材料，在数控系统中建立复杂结构单元的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造复杂结构单元，直至复杂结构单元成型完毕。

增材制造材料成分过渡区的过程为，在同步材料送进高能束增材制造装置的送料装置中的一路放置第k个模型单元的材料，另一路送料装置中放置第k+1个模型单元的材料，在数控系统中建立材料成分过渡区的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造材料成分过渡区；增材制造过程中，通过两路同步送粉装置同时输送两种材料，通过调整两种粉末的送进速度，改变喷嘴送出两种粉末的比例，形成成分逐渐变化的成分过渡区。

下面具体介绍两种不同类型的模型单元的制备过程：

(一)、由简单结构单元过渡到复杂结构单元，具体的步骤为：

(1)采用同步材料送进高能束增材制造方法成形简单结构单元；将简单结构单元的目标材料放入送料装置，并将目标材料的基板放入充氩惰性气体加工室，在数控系统中建立目标形状的成形工艺模型，设定扫描路径，按照步骤4中设定的工艺参数进行增材制造成形，至简单结构单元制备结束；考虑到简单结构单元的基板也是整体零件的基板，为了保证整体零件模型成形时的稳定性，基板的边角应带有方便夹持固定的通孔；

(2)采用同步材料送进高能束增材制造方法成形材料成分过渡区；将复杂结构单元的目标材料放入另一路送料装置中，利用同步材料送进高能束增材制造系统配备的多路同步送粉装置，通过调节两种粉末的送进速度，进而改变喷嘴送出两种合金粉末的成分比例，随着逐层成形的进行，调整比例的规律为越靠近某一种合金粉末，该合金粉末所占过渡区的质量百分比越大，实现从一种材料到另一种材料的平滑过渡；至材料成分过渡区制备结束；

(3)对已成形部分进行机加工；将前两个步骤中成形获得的零件取出，对材料成分过渡区的顶部进行机加工，使其成为可供复杂结构单元成形的加工基板，该基板的表面平整度应达到高能束熔化成形基板的制备要求；

(4)采用高能束选区熔化成形方法成形复杂结构单元；将复杂结构的目标材料放入高能束选区熔化成形设备的送料装置，并将已成形的零件放入充氩惰性气体保护加工室中，通过调节夹持装置，使零件顶部的基板保持水平。在数控系统中建立目标形状的成形工艺模型，设定扫描路径，按照上述步骤中确定的工艺参数，开启高能束进行逐层成形，直至零件成形完毕；

(5)对所得零件进行热处理并去除加工基板、夹持装置和成形余量，获得异质材料复杂结构零件。

(二)由复杂结构单元过渡到简单结构单元，具体的步骤为：

(1)采用高能束选区熔化成形方法制备复杂结构单元；将复杂结构的目标材料放入高能束熔化成形设备的送料装置，将目标材料基板放入充氩惰性气体保护加工室中，在数控系统中建立目标形状的成形工艺模型，按照步骤4中确定的工艺参数，开启高能束进行逐层成形，至复杂结构单元制备结束。

(2)采用同步材料送进高能束增材制造方法成形材料成分过渡区；将简单结构单元的目标材料放入送料装置中，将前一步骤中成形的复杂结构单元取出，在其顶部成形材料成分过渡区(该步骤中，因为被制造出的复杂单元的精度高，所以其顶部本身为一个平面，因此不需要进行机加工操作，但是特殊情况下，如果顶部不是一个平面，则需要进行机加工，保证材料成分过渡区的基板为平面)；利用同步材料送进增材制造系统配备的多路同步送粉装置，通过调节两种粉末的送进速度，进而改变喷嘴送出两种合金粉末的成分比例，随着逐层成形的进行，实现从一种材料到另一种材料的平滑过渡，形成材料成分过渡区；

(3)对已成形部分进行机加工；将前两个步骤中成形获得的零件取出，对材料成分过渡区的顶部进行机加工，使其成为可供简单结构单元成形的加工基板，该基板的表面平整度应达到同步材料送进增材制造方法的制备要求；

(4)采用同步材料送进增材制造方法成形简单结构单元；将简单结构单元的目标材料放入送料装置，在数控系统中建立目标形状的成形工艺模型，设定扫描路径，按照上述步骤中设定的工艺参数进行增材制造成形，至零件成型结束；

(5)对所得零件进行热处理并去除加工基板、夹持装置和成形余量，获得异质材料复杂结构件。

整个增材制造过程中，各模型单元应具有统一的空间基准，即在同一个坐标系下，以保证各单元之间在成形后不发生偏移和错位。

实施例1

如图1所示，为一种锰铜-因瓦合金异质材料复杂结构件，该零件将锰铜阻尼合金与因瓦低膨胀合金应用于同一复杂结构件的不同部位，以提高零件在复杂热力耦合工作条件下的稳定性，并实现零件的功能一体化、轻量化。本实例将以图1所示零件来详细介绍本发明中一种情况的实施过程，具体的步骤如下：

步骤1，拆分目标零件；如图2所示，根据目标零件的材料分布情况，将其拆分为两个模型单元，保证每个模型单元具有同种单一材料，上方的模型单元材料为锰铜合金，下方的模型单元材料为铁镍因瓦合金；

步骤2，设计材料成分过渡区；两种模型单元材料结合的区域为材料成分过渡区，起到连接上下两个模型单元的作用，为了保证成分过渡区的冶金结合质量，并且过渡区的尺寸不会影响整体零件的尺寸，设计成分过渡区的成分、形状和尺寸，成分过渡区的形状取自两模型单元连接处的台状结构，成分过渡区的合金成分变化为从因瓦合金逐渐过渡到锰铜合金，设定本例中成分过渡区的梯度分级为10％，则成分过渡区的合金成分从下到上为90％因瓦合金-10％锰铜合金、80％因瓦合金-20％锰铜合金、…、10％因瓦合金-90％锰铜合金，由高能束增材制造成分过渡区的单层层高d及成分过渡区高度D，推出每种合金成分应成形的层数c，其数学关系满足式：9dc＝D；

步骤3，划分简单、复杂模型单元；根据各模型单元的结构复杂度，划分简单模型单元和复杂模型单元，确定其对应的成形方法，其中复杂结构单元采用高能束选区熔化成形方法制备，简单结构单元和材料成分过渡区采用同步材料送进高能束增材制造方法制备，本实例中，上方的模型单元为复杂结构单元，采用高能束选区熔化成形方法制备，下方的模型单元为简单结构单元，采用同步材料送进高能束增材制造方法制备，中间的成分过渡区涉及梯度材料的成形，则应采用同步材料送进高能束增材制造方法制备；

步骤4，确定各模型单元成形的工艺参数；根据各模型单元所需成形的目标材料、尺寸和对应的成形方法，确定与之相匹配的工艺参数；本实施例中，成形锰铜模型单元的高能束选区熔化技术为选区激光熔化，采用的原料为锰铜合金粉末，粉末粒径为15～53μm，设定具体的工艺参数，激光功率为240W，扫描速度为2000mm/min，光斑直径为0.1mm，层间距为0.06mm，层高为0.03mm；成形因瓦合金模型单元的同步材料送进高能束增材制造技术为激光立体成形，采用的原料为铁镍因瓦合金粉末，粉末粒径为70～150μm，设定具体的工艺参数，激光功率为1000W，扫描速度700mm/min，光斑直径为2mm；成形材料成分过渡区的同步材料送进高能束增材制造技术为激光立体成形，利用激光立体成形的多路同步送粉系统1，通过改变增材制造过程中锰铜合金和因瓦合金的送粉速率，从而改变喷嘴喷向熔池中的锰铜-因瓦合金的相对比例，实现成形过程中粉末从因瓦合金逐渐过渡到锰铜合金；采用的原料为因瓦合金粉末和锰铜合金粉末，粉末粒径为70～150μm，设定具体的工艺参数，激光功率为800W，扫描速度为600mm/min，光斑直径为2mm；成形过程中，加工室的氧气含量保持在100ppm以下；

步骤5，确定成形方向，依次成形各模型单元；根据各模型单元的尺寸分布情况，确定最佳的成形方向，本例中简单结构单元的横截面积大于复杂结构单元，因此增材制造的顺序为先成形简单结构单元，再成分材料成分过渡区，最后成形复杂结构单元，具体的步骤为：

(1)采用激光立体成形方法成形简单结构单元；将步骤4中选定的锰铜合金粉末放入送料装置，并将锰铜合金基板放入充氩惰性气体加工室，在数控系统中建立目标形状的成形工艺模型，设定扫描路径，按照步骤4中设定的工艺参数进行增材制造成形，获得的零件如图3所示；考虑到简单结构单元的基板也是整体零件的基板，为了保证整体零件模型成形时的稳定性，基板的边角应带有方便夹持固定的通孔；

(2)采用激光立体成形方法成形材料成分过渡区；将锰铜合金粉末放入另一路送料装置中，利用激光立体成形系统配备的多路同步送粉装置，按照步骤3、4中确定的过渡方案和工艺参数，通过调节两种粉末的送进速度，进而改变喷嘴送出两种合金粉末的成分比例，随着逐层成形的进行，实现从因瓦合金到锰铜合金的平滑过渡；

(3)对已成形部分进行机加工；将前两个步骤中成形获得的零件取出，对材料成分过渡区的顶部进行机加工，使其成为可供复杂结构单元成形的加工基板，该基板的表面应保证平整，表面粗糙度为3.2，以应达到高能束熔化成形基板的制备要求，如图4所示；

(4)采用选区激光熔化方法成形复杂结构单元；将锰铜合金粉末放入选区激光熔化设备的送料装置，并将已成形的零件部分放入充氩惰性气体保护加工室中，通过调节夹持装置，使零件顶部的基板保持水平。在数控系统中建立目标形状的成形工艺模型，设定扫描路径，按照步骤4中确定的工艺参数，开启高能束进行逐层成形，直至零件成形完毕；

(5)对所得零件进行热处理并去除加工基板、夹持装置和成形余量，获得异质材料复杂结构零件，如图5所示。

实施例2

如图6所示，同样是一种锰铜-因瓦合金异质材料复杂结构件，该零件将锰铜阻尼合金与因瓦低膨胀合金应用于同一复杂结构件的不同部位，以提高零件在复杂热力耦合工作条件下的稳定性，并实现零件的功能一体化、轻量化。本实例将以图1所示零件来详细介绍本发明中另一种情况的实施过程，具体的步骤如下

步骤1，划分模型单元；如图7所示，将目标异质金属复杂结构件拆分为两个模型单元，每个单元具有同种单一材料；

步骤2，设计材料成分过渡区；如图7所示，设计材料成分过渡区的成分、尺寸和形状，假设材料成分过渡区的成分变化为90％锰铜-10％因瓦合金、80％锰铜-20％因瓦合金、…、10％锰铜-90％因瓦合金，则成分过渡区为9种合金成分配比，每种成分配比的堆积层数c、单层堆积厚度d和材料成分过渡区的高度D满足关系：D＝9cd；

步骤3，如图7所示，划分各模型单元的结构复杂度，确定各模型单元的成形方法；将步骤1中拆分得到的各模型单元根据结构复杂度分类，其中上部的结构单元为简单结构单元，采用的成形方法为多材料同步送进高能束增材制造，本例中选择的方法为激光立体成形，下部的结构单元为复杂结构单元，采用的成形方法为高能束选区熔化增材制造，本例中选择的方法为选区激光熔化，材料成分过渡区采用的成形方法为激光立体成形；

步骤4，确定各模型单元成形的工艺参数；工艺参数的确定主要由各模型单元的材料决定，本例中，复杂模型单元的材料为锰铜合金，则其对应的选区激光熔化成形的工艺参数为：激光功率为240W，扫描速度为2000mm/min，光斑直径为0.1mm，层间距为0.06mm,层高为0.03mm，选用的粉末原料粒径为15～53μm；简单模型单元的材料为因瓦合金，则其对应的激光立体成形的工艺参数为：激光功率为1000W，扫描速度700mm/min，光斑直径为2mm，选用的粉末原料粒径为70～150μm；材料成分过渡区的材料为成分渐变的锰铜-因瓦合金混合粉末，对应的成形方法为激光立体成形，设计具体的工艺参数，激光功率为900W，扫描速度为600mm/min，光斑直径为2mm，选用的粉末原料粒径为70～150μm；

步骤5，确定成形方向，依次成形各模型单元；根据各模型单元的尺寸分布情况，确定最佳的成形方向，本例中复杂结构单元的横截面积大于简单结构单元，因此增材制造的顺序为先成形简单结构单元，再成分材料成分过渡区，最后成形复杂结构单元，具体的步骤为：

(1)在选区激光熔化成形系统中的送料装置中放入步骤4中选定的锰铜合金粉末，在数控系统中建立复杂结构单元的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造复杂结构单元，形成复杂结构单元，如图8所示；

(2)在步骤(1)形成的复杂结构单元的顶部增材制造材料成分过渡区；在激光立体成形系统中的一路送料装置中放置锰铜合金粉末原料，在另一路送料装置中放置因瓦合金粉末原料，在数控系统中建立材料成分过渡区的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造材料成分过渡区；增材制造过程中，通过多路同步送粉装置同时输送两种材料，并逐层调控多路同步送粉装置的送粉速率，制备出材料成分过渡区；

(3)对已成型的材料成分过渡区的顶部均进行机加工，形成平面，作为简单结构单元成型的基板，如图9所示；

(4)将已成型的材料成分过渡区的顶部作为基板，在激光立体成形系统中的送料装置中放置因瓦合金粉末，在数控系统中建立简单结构单元的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造简单结构单元，直至零件成型完毕；

(5)对步骤(4)打印出的零件去除余量，获得异质材料复杂结构件，如图10所示。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，拆分目标异质材料复杂结构件为n个模型单元，每一个模型单元为同种单一材料；n为≥2的自然数；

步骤2，每两种模型单元材料结合的区域为材料成分过渡区，设计材料成分过渡区的尺寸和成分；

步骤3，根据各个模型单元的结构复杂度，划分简单结构单元和复杂结构单元；根据模型单元的类型，确定该模型单元的成形方法；其中，复杂结构单元采用高能束选区熔化成形方法制备；简单结构单元和材料成分过渡区采用同步材料送进高能束增材制造方法制备；

步骤4，根据各个模型单元的材料、尺寸和成型方法，确定增材制造参数；

步骤5，增材制造边部的第1个模型单元，然后制造第1个材料成分过渡区；制造第2个模型单元，然后制造第2个材料成分过渡区；依次类推，至增材制造第k个模型单元，至增材制造第n-1个材料成分过渡区，最后制造第n个模型单元；1＜k＜n，k为自然数；材料成分过渡区共n-1个；最终获得异质材料复杂结构件。

2.根据权利要求1所述的一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，高能束选区熔化成形方法或同步材料送进高能束增材制造方法中的高能束为激光束、电弧、等离子束或电子束。

3.根据权利要求1所述的一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，同步材料送进高能束增材制造方法中的送料方式为送粉或送丝。

4.根据权利要求1所述的一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，步骤5中，增材制造简单结构单元的过程为：在同步材料送进高能束增材制造装置的一路送料装置中放置简单结构单元的材料，在数控系统中建立简单结构单元的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造简单结构单元，至该简单结构单元制造结束。

5.根据权利要求1所述的一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，步骤5中，增材制造材料成分过渡区的过程为，在同步材料送进高能束增材制造装置的送料装置中的一路放置第k个模型单元的材料，另一路放置第k+1个模型单元的材料，在数控系统中建立材料成分过渡区的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造材料成分过渡区；增材制造过程中，通过两路同步送粉装置同时输送两种材料，制备出材料成分过渡区。

6.根据权利要求5所述的一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，沿增材制造堆积方向，每一个材料成分过渡区等分为x份，每一份的堆积层数为c，单层堆积厚度为d，材料成分过渡区的高度为D，D＝xcd，x为大于2的自然数，c为大于1的自然数。

7.根据权利要求5所述的一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，通过多路同步送粉装置同时输送两种材料，制备材料成分过渡区时，通过调整两种粉末的送进速度，改变喷嘴送出两种粉末的比例，形成成分逐渐变化的成分过渡区。

8.根据权利要求1所述的一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，步骤5中，增材制造复杂结构单元的过程为：在高能束选区熔化成形装置的送料装置中放入复杂结构单元的材料，在数控系统中建立复杂结构单元的目标模型，设定扫描路径，开始增材制造复杂结构单元，直至复杂结构单元成型完毕。

9.根据权利要求1所述的一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，步骤5中，在制造出第k个材料成分过渡区后，对已成型的第k个材料成分过渡区的顶部均进行机加工，形成平面，作为第k+1个模型单元成型的基板。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法，其特征在于，增材制造过程均在氩气气氛中进行。