CN110893503B

CN110893503B - 一种多材料整体结构件的电弧增材制造方法

Info

Publication number: CN110893503B
Application number: CN201911249882.4A
Authority: CN
Inventors: 刘长猛; 王贺; 陈倬; 宋文强; 刘家伟
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: CN110893503A

Abstract

本发明提供了一种多材料整体结构件的电弧增材制造方法，属于多材料整体结构件的制备技术领域。本发明提供的多材料整体结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；使用装配有n套送丝机的电弧增材制造设备按照所述加工程序进行电弧增材制造，得到多材料整体结构件；其中n为大于等于2的整数；所述电弧增材制造过程中，所述n套送丝机分为m组，m为大于等于2的整数，每组同时送一种丝材，m组送丝机连续交替使用，熔滴的过渡模式为接触式过渡模式。本发明所提供的上述方法在界面处无明显缺陷，且具有成形效率高的优势。

Description

一种多材料整体结构件的电弧增材制造方法

技术领域

本发明涉及多材料整体结构件的制备技术领域，尤其涉及一种多材料整体结构件的电弧增材制造方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，先进飞行器对钛合金等大型轻质结构件的性能要求也越来越高。同一结构件由于其不同部位的服役环境不同，对不同部位的性能需要也有所差异。例如飞机框梁等承力结构件，上部主要承受高度压应力，要求材料具有高的强度和刚度，而其下部主要承受高的拉应力，要求材料具有优异的韧性、抗疲劳裂纹扩展性能和优异的损伤容限性能；涡轮叶片的主体必须具有高强度、高韧性和抗蠕变的特性，而其外表面必须耐热和抗氧化。因此，仅采用单一材料制造的复杂环境下服役的结构件，难以使其获得最佳的性能。梯度结构材料的设计与应用则可有效的解决上述问题。其是由两种或两种以上不同材料组成的一种新型结构材料，特点是不同部位具有不同的材料构成，从而不同部位有不同的使用性能。多材料整体结构件本质是由梯度结构材料组成的，不同部位具有不同的材料组成，从而具有不同的服役性能，多种材料被添加到同一结构件的不同部位使其整体性能更加优良。

现有技术中多丝材整体结构件的制备方法主要为激光铺粉增材制造技术，该方法在成型零件过程中，由于粉末密度小，在激光束的热吹力的作用下容易飞溅，产生粉尘；激光烧结粉末时，熔滴过渡模式为非接触式过渡模式，熔滴与熔池处于相离状态，熔滴进入熔池之前会经历一个悬空掉落的过程，在激光束的脉冲作用下，容易产生熔滴飞溅。近年出现的电弧增材制造技术在熔化丝材时，电弧吹力相对较小，且丝材受热面积较小，密度较大，形成熔滴的过程较长，熔滴过渡模式可为接触式过渡模式，包括丝材刚好接触熔池、熔滴与熔池相切的相切过渡模式和丝材直接戳进熔池的无熔滴过渡模式，不容易产生飞溅缺陷，因此有望用于制备多丝材整体结构件，并保证各部分材料成分不会互相掺杂。但是电弧增材制造技术通常为单送丝电弧增材制造技术，即每次以一个丝材为原料进行电弧熔丝，在用于制备多材料整体结构件时，需要频繁更换丝材致使沉积不能连续进行，在异质材料界面处易产生表面缺陷，所制备的整体结构件成形精度差，且成型效率低，不适合工业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多材料整体结构件的电弧增材制造方法，本发明所提供的电弧增材制造方法具有成形效率高的优势，可制备大型零件，且成形精度高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种多材料整体结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：

构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；

使用装配有n套送丝机的电弧增材制造设备按照所述加工程序进行电弧增材制造，得到多材料整体结构件；其中n为大于等于2的整数；所述电弧增材制造过程中，所述n套送丝机分为m组，m为大于等于2的整数，每组同时送一种丝材，m组送丝机连续交替使用，熔滴的过渡模式为接触式过渡模式。

优选地，所述电弧增材制造过程中，对所用丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为：将所述丝材与热丝电源的正极连接，所述热丝电源负极与工作台或基板连接。

优选地，所述n为4，m为2；所述送丝机平均分为两组，两组送丝机分别装配两种不同的丝材，两组送丝机连续交替使用。

优选地，所述多材料整体结构件为钛合金整体结构件。

优选地，当所述钛合金整体结构件为钛合金薄壁梯度结构件时，制备TA15钛合金梯度层的参数为：采用两套送丝机同时送TA15钛合金丝材，所述TA15钛合金丝材的直径为1.5～1.7mm，电弧长度为9～10mm，峰值电流为290～310A，峰值电流时间占比为40～45％，基值电流为54～66A，焊机的脉冲频率为2.2～2.6Hz，焊机的钨极保护气为氩气，流量为18～22L/min，焊接速度为350～370mm/min，各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离为18～20cm，两个热丝电源的电流均为135～145A，层高为2.4～2.6mm，两个TA15钛合金丝材的送丝速率均为1.4～1.6m/min。

优选地，当所述钛合金整体结构件为钛合金薄壁梯度结构件时，制备TC18钛合金梯度层的参数为：采用两套送丝机同时送TC18钛合金丝材，所述TC18钛合金丝材的直径为1.5～1.7mm，电弧长度为9～10mm，峰值电流为295～315A，峰值电流时间占比为42～48％，基值电流为57～69A，焊机的脉冲频率为2.2～2.6Hz，焊机的钨极保护气为氩气，流量为18～22L/min，焊接速度为350～370mm/min，各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离为18～20cm，两个热丝电源的电流均为145～155A，层高为2.4～2.6mm，两个TC18钛合金丝材的送丝速率均为1.4～1.6m/min。

优选地，当所述钛合金整体结构件为钛合金薄壁梯度结构件时，制备TC4或TC11钛合金梯度层的参数为：采用两套送丝机同时送TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材，所述TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材的直径为1.5～1.7mm；电弧长度为9～10mm，峰值电流为290～310A，峰值电流时间占比为40～45％，基值电流为56～68A，焊机的脉冲频率为2.2～2.6Hz，焊机的钨极保护气为氩气，流量为18～22L/min，焊接速度为350～370mm/min，各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离为18～20cm，各热丝电源的电流均为135～145A，层高为2.4～2.6mm，各钛合金丝材的送丝速率均为1.4～1.6m/min。

优选地，当所述钛合金整体结构件为钛合金实体梯度结构件时，制备TC4或TC11钛合金梯度层的参数为：采用两套送丝机同时送TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材，所述TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材的直径为1.5～1.7mm；电弧长度为10～11mm，峰值电流为310～330A，峰值电流时间占比为42～48％，基值电流为74～86A，焊机的脉冲频率为2.2～2.6Hz，焊机的钨极保护气为氩气，流量为18～22L/min，焊接速度为380～420mm/min，各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离为18～20cm，各热丝电源的电流均为145～154A，层高为3.3～3.7mm，各钛合金丝材的送丝速率均为1.4～1.6m/min。。

本发明提供了一种多材料整体结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；使用装配有n套送丝机的电弧增材制造设备按照所述加工程序进行电弧增材制造，得到多材料整体结构件；其中n为大于等于2的整数；所述电弧增材制造过程中，所述n套送丝机分为m组，m为大于等于2的整数，每组同时送一种丝材，m组送丝机连续交替使用，熔滴的过渡模式为接触式过渡模式。本发明使用n套送丝机，并分为m组，每组同时送一种丝材，m组送丝机连续交替使用，避免了电弧增材制造过程更换丝材，沉积过程为连续的步骤，异质材料界面处无明显表面缺陷，且极大程度上提高了成形效率，能够满足大尺寸零件的成形需求，且熔滴为接触式过渡模式，无熔滴飞溅现象，避免了已成型表面混杂其它组分。

附图说明

图1为本发明实施例中多材料整体结构件的电弧增材制造方法所用设备示意图；

图2为实施例1和对比例1所得火炮炮闩抽筒子的实物图；

图3为实施例2所制备的TC4-TC11钛合金薄壁器件的三维实体模型图；

图4为实施例2所制备的TC4-TC11钛合金薄壁器件的实物图；

图5为实施例3所制备的TC4-TC11钛合金梯度块的三维实体模型图；

图6为实施例3所制备的TC4-TC11钛合金梯度块的实物图。

具体实施方式

本发明首先构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统。本发明对所述三维实体模型的构建、切片处理和生成加工程序的具体步骤没有特殊限定，本领域技术人员可以根据需要生成不同结构件的加工程序。在本发明实施例中，优选采用软件完成三维实体模型的构建、切片处理和生成加工程序的步骤，所述三维实体模型的构建所用软件优选为solidworks或UG；所述切片处理和生成加工程序所用软件优选为激光3D打印数据处理软件；得到加工程序后，本发明将所述加工程序导入控制系统中，以便于后续步骤按照该加工程序进行电弧增材制造。

本发明对所述加工程序中的路径没有特殊限定，能够得到最终产品即可。

将加工程序导入控制系统后，本发明使用装配有n套送丝机的电弧增材制造设备按照所述加工程序进行电弧增材制造，得到多材料整体结构件；其中n为大于等于2的整数；所述电弧增材制造过程中，所述n套送丝机分为m组，m为大于等于2的整数，每组同时送一种丝材，m组送丝机连续交替使用，熔滴的过渡模式为接触式过渡模式。在本发明中，m组送丝机连续交替使用是指一组送丝机完成一种丝材的送丝任务后，直接使用替换为另一组送丝机送下一种需要沉积的丝材，中间无间隔时间或间隔时间较短，保证电弧增材制造过程的连续性；在一组送丝机完成送丝后，在另一组送丝机送下一种需要沉积的丝材的同时，可将完成送丝任务的送丝机上的丝材替换为新的丝材，以用于后续的沉积步骤，保证整个电弧增材制造过程的连续性。

在本发明中，所述电弧增材制造过程中，优选对所用丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式优选为：将所述丝材与热丝电源的正极连接，所述热丝电源负极与工作台或基板连接。本发明对所述热丝电源与丝材的连接方式没有特殊限定，采用常规的连接方式即可，在本发明实施例中，所述热丝电源与丝材优选通过在丝材上设置铜制送丝管，将铜制送丝管通过导线与热丝电源的正极连接。

在本发明中，所述n优选为4；所述送丝机优选平均分为两组，两组送丝机分别装配两种不同的丝材，两组送丝机连续交替使用。在本发明中，4套送丝机平均分为两组，分别输送两种丝材，装置的结构仍然较为简单，且热输入量适中，两组送丝机连续交替使用，实现了多材料整体结构件电弧增材制造的连续性，即多材料整体结构件中的两种材料之间可直接过渡，不需要进行换丝操作，进一步节省了时间，提高成型效率，避免在异质材料界面处产生明显的表面缺陷。

在本发明中，所述多材料整体结构件优选为钛合金整体结构件。

在本发明中，当所述钛合金整体结构件为钛合金薄壁梯度结构件时，制备TA15钛合金梯度层的参数为：优选采用两套送丝机同时送TA15钛合金丝材，所述TA15钛合金丝材的直径优选为1.5～1.7mm，更优选为1.6mm；电弧长度优选为9～10mm，更优选为9.5mm，峰值电流优选为290～310A，更优选为300A，峰值电流时间占比优选为40～45％，更优选为42％，基值电流优选为55～66A，更优选为60A，焊机的脉冲频率优选为2.2～2.6Hz，更优选为2.4Hz；焊机的钨极保护气优选为氩气，流量优选为18～22L/min，更优选为20L/min；焊接速度(即扫描速度或焊机移动速度或机床移动速度)优选为350～370mm/min，更优选为360mm/min；各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离优选为18～20cm，两个热丝电源的电流优选均为135～145A，更优选为140A；层高优选为2.4～2.6mm，更优选为2.5mm；两个TA15钛合金丝材的送丝速率优选均为1.4～1.6m/min，更优选为1.5m/min；所述焊机的脉冲优选为直流脉冲；热丝电源的电流优选为交流电，频率优选为200Hz。

在本发明中，当所述钛合金整体结构件为钛合金薄壁梯度结构件时，制备TC18钛合金梯度层的参数为：优选采用两套送丝机同时送TC18钛合金丝材，所述TC18钛合金丝材的直径优选为1.5～1.7mm，更优选为1.6mm；电弧长度优选为9～10mm，更优选为9.5mm，峰值电流优选为295～315A，更优选为305A，峰值电流时间占比优选为42～48％，更优选为45％，基值电流优选为57～69A，更优选为63A，焊机的脉冲频率优选为2.2～2.6Hz，更优选为2.4Hz；焊机的钨极保护气为优选氩气，流量优选为18～22L/min，更优选为20L/min；焊接速度优选为350～370mm/min，更优选为360mm/min；各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离优选为18～20cm，两个热丝电源的电流优选均为145～155A，更优选为150A；层高优选为2.4～2.6mm，更优选为2.5mm；两个TC18钛合金丝材的送丝速率优选均为1.4～1.6m/min，更优选为1.5m/min。

在本发明中，TA15钛合金具有耐磨性良好、热强性良好和耐高温的优势，可以制作火炮炮闩抽筒子的刚性连接部分，TC18钛合金具有较高的强度，可以制作火炮炮闩抽筒子的摇臂部分(即加载区)，因此，可采用上述TA15钛合金梯度层和TC18钛合金梯度层的工艺参数制备刚性连接部分为TA15钛合金、摇臂部分为TC18钛合金的火炮炮闩抽筒子，即此时钛合金薄壁梯度结构件为火炮炮闩抽筒子。

在本发明中，当所述钛合金整体结构件为钛合金薄壁梯度结构件时，制备TC4或TC11钛合金梯度层的参数为：优选采用两套送丝机同时送TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材，所述TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材的直径优选为1.5～1.7mm，更优选为1.6mm；电弧长度优选为9～10mm，更优选为9.5mm；峰值电流优选为290～310A，更优选为300A，峰值电流时间占比优选为40～45％，更优选为42％，基值电流优选为56～68A，更优选为62A，焊机的脉冲频率优选为2.2～2.6Hz，更优选为2.4Hz；焊机的钨极保护气优选为氩气，流量优选为18～22L/min，更优选为20L/min；焊接速度优选为350～370mm/min，更优选为360mm/min；各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离优选为18～20cm，各热丝电源的电流优选均为135～145A，更优选为140A；层高优选为2.4～2.6mm，更优选为2.5mm；各钛合金丝材的送丝速率优选均为1.4～1.6m/min，更优选为1.5m/min。在本发明中，可采用上述参数制备TC4-TC11钛合金薄壁梯度结构件。

在本发明中，当所述钛合金整体结构件为钛合金实体梯度结构件时，制备TC4或TC11钛合金梯度层的参数为：优选采用两套送丝机同时送TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材，所述TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材的直径为优选为1.5～1.7mm，更优选为1.6mm；电弧长度优选为10～11mm，更优选为10.5mm；峰值电流优选为310～330A，更优选为320A，峰值电流时间占比优选为42～48％，更优选为45％，基值电流优选为76～86A，更优选为80A，焊机的脉冲频率优选为2.2～2.6Hz，更优选为2.4Hz；焊机的钨极保护气优选为氩气，流量优选为18～22L/min，更优选为20L/min；焊接速度优选为380～420mm/min，更优选为400mm/min；各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离优选为18～20cm，各热丝电源的电流优选均为145～155A，更优选为150A；层高优选为3.3～3.7mm，更优选为3.5mm；各钛合金丝材的送丝速率优选均为1.4～1.6m/min，更优选为1.5m/min。在本发明中，可采用上述参数制备TC4-TC11钛合金实体梯度结构件。在本发明中，TC4(Ti-6Al-4V)钛合金和TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)钛合金均属于α-β型双相钛合金，都具有优异的综合性能和良好的工艺特性，其中TC4钛合金的主要特点是具有中等的室温和高温强度、良好的蠕变抗力、较高的疲劳性能和裂纹扩展抗力；TC11钛合金在500℃以下具有优异的热强性能，并且具有较高的室温强度和良好的热加工工艺性，可以进行焊接和各种方式的机加工，因此，这两种钛合金结合可以制备多种梯度结构件，以用于航空航天领域。例如，飞行器折叠机构的动片由于靠近旋转轴部分受到的摩擦磨损作用比较多，工作温度比较高，可以使用TC11钛合金，主体部分温度较低，主要承受高的拉应力，可使用抗疲劳裂纹扩展能力良好的TC4钛合金。

在本发明中，本领域技术人员可以根据目标结构件的结构设计丝材的电弧增材制造顺序。

在本发明中，所述基板的材质优选与最先沉积的丝材的材质相同，以使结构件底部的沉积层与基板拥有良好的冶金结合，也可选用工业纯钛(包括TA0、TA1、TA2、TA3)基板。

在本发明中，所述多材料整体结构件的电弧增材制造方法所用设备优选包括氩弧焊机、三维CNC机床、计算机控制系统、氩气保护系统、n套送丝机和n台热丝电源；n为大于等于2的整数；所述计算机控制系统与氩弧焊机、三维CNC机床、n套送丝机和n台热丝电源通信连接。本发明对上述设备的组装方式没有特殊限定，按照常规的组装方式组装上述各单元即可。

在本发明实施例中，所述多材料整体结构件的电弧增材制造方法所用设备如图1所示，包括氩弧焊机、三维CNC机床、计算机控制系统、氩气保护系统、4套送丝机(编号分别为1#、2#、3#、4#)和4台热丝电源(编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。

本发明对所述多材料整体结构件的电弧增材制造方法所用设备的使用方法没有特殊限定，按照常规的电弧增材制造设备的使用方法使用即可，不同之处仅在于n套送丝机分为m组，m组送丝机连续交替使用。

下面结合实施例对本发明提供的一种多材料整体结构件的电弧增材制造方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

使用图1所示的装置制备火炮炮闩抽筒子，其中圆筒部分(即刚性连接部分)的材质为TA15钛合金，摇臂部分(即加载区)的材质为TC18钛合金，具体步骤如下：

通过solidworks软件构建三维实体模型，然后采用3D数据处理软件进行切片处理，然后生成加工程序，将加工程序导入控制系统；将两根直径为1.6mm的TC18钛合金丝材安装在1#送丝机和2#送丝机上，将两根直径为1.6mm的TA15钛合金丝材安装在3#送丝机和4#送丝机上，将编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、和Ⅳ的热丝电源的正极依次与1#送丝机、2#送丝机、3#送丝机和4#送丝机上的丝材通过铜制送丝管连接，连接点与丝材熔化端的距离为19cm，负极与工作台连接；将工业纯钛TA1基板固定在三轴CNC机床的工作台上，将电弧增材的腔室抽真空后充入氩气；调整脉冲氩弧焊机为直流脉冲，焊机的脉冲频率为2.4Hz，焊接速度为360mm/min；四个热丝电源的电流为交流电流，频率为200Hz；层高为2.5mm；四个送丝机的送丝速率为1.5m/min；电弧长度为9.5mm；

设置制备TC18钛合金梯度层的其他参数为：峰值电流为305A，峰值电流时间占比为45％，基值电流为63A；热丝电源的电流为150A；

设置制备TA15钛合金梯度层的其他参数为：峰值电流为300A，峰值电流时间占比为42％，基值电流为60A；热丝电源的电流为140A；

打开氩气罐，使氩弧焊机的焊枪通入氩气，设置流量为20L/min，开启氩弧焊机和热丝电源，启动加工程序，1#送丝机和2#送丝机开始同时送丝，沉积摇臂(TC18)部分，熔滴的过渡模式为接触式过渡模式；完成摇臂部分的制备后，1#送丝机和2#送丝机自动停止，同时3#送丝机和4#送丝机自动开始送丝，进行圆筒(TA15)部分的沉积，圆筒部分制备完成后，得到火炮炮闩抽筒子，如图2中(b)所示为本实施例所得火炮炮闩抽筒子实物图。

对比例1

使用单送丝电弧增材制造技术，即使用图1所示设备，且仅使用其中一个送丝机和热丝电源进行电弧增材制造实施例1中的火炮炮闩抽筒子。传送TC18丝材完成摇臂部分的制备后，停止送丝，将丝材更换为TA15钛合金，继续送丝制备圆筒部分；具体的工艺参数为：焊机的脉冲频率为2.4Hz，热丝电源的电流为交流电流，频率为200Hz；送丝机的送丝速率为2.0m/min；电弧长度为8.0mm；

设置制备TC18钛合金梯度层的其他参数为：峰值电流为280A，峰值电流时间占比为45％，基值电流为42A；热丝电源的电流为150A；焊接速度为320mm/min；层高为2.0mm；

设置制备TA15钛合金梯度层的其他参数为：峰值电流为270A，峰值电流时间占比为35％，基值电流为27A；热丝电源的电流为140A；焊接速度为300mm/min；层高为1.8mm。

本对比例所得火炮炮闩抽筒子的实物图如图2中的(a)所示。由图2可知，与对比例1所得零件相比，实施例1所得零件表面和异质材料结合界面处更为平整，无表面飞溅和塌陷，并且其成型效率更快，由于中途避免了手动换丝的环节，沉积成型所耗费的时间大大缩短。

实施例2

使用图1所示的装置制备TC4-TC11钛合金薄壁器件，其中下层的材质为TC4钛合金，高为25mm，上层的材质为TC11钛合金，高为45mm，具体步骤如下：

通过solidworks软件构建三维实体模型(如图3所示)，然后采用3D数据处理软件进行切片处理，层高为2.5mm，然后生成加工程序，将加工程序导入控制系统；

将两根直径为1.6mm的TC4钛合金丝材安装在1#送丝机和2#送丝机上，将两根直径为1.6mm的TC11钛合金丝材安装在3#送丝机和4#送丝机上，将编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、和Ⅳ的热丝电源的正极依次与1#送丝机、2#送丝机、3#送丝机和4#送丝机上的丝材通过铜制送丝管连接，连接点与丝材熔化端的距离为19cm，负极与工作台连接，将TC4钛合金基板固定在三轴CNC机床的工作台上，将电弧增材的腔室抽真空后充入氩气；调整脉冲氩弧焊机为直流脉冲，焊机的脉冲频率为2.4Hz，电弧长度为9.5mm，峰值电流为300A，峰值电流时间占比为42％，基值电流为62A，各热丝电源的电流为交流电流，频率为200Hz，各热丝电源的电流为140A，层高为2.5mm，各送丝机的送丝速度为1.5m/min，焊接速度为360mm/min；

打开氩气罐，使钨极氩弧焊枪通入氩气，设置流量为20L/min，开启氩弧焊机和热丝电源，启动加工程序，1#送丝机和2#送丝机开始送丝，开始沉积TC4钛合金梯度层，熔滴的过渡模式为接触式过渡模式；完成TC4钛合金梯度层的制备后，1#送丝机和2#送丝机自动停止，同时3#送丝机和4#送丝机自动开始送丝，进行TC11钛合金梯度层的沉积，TC11钛合金梯度层制备完成后，得到TC4-TC11薄壁梯度结构件。如图4所示为本实施例所得TC4-TC11薄壁梯度结构件实物图。

由图3和图4的对比可知，本实施例所得结构件表面光滑，与图3结构相同，说明本实施例成型结构精度较高。

实施例3

使用图1所示的装置制备TC4-TC11钛合金梯度块，其中下层的材质为TC4钛合金，高为35mm，上层的材质为TC11钛合金，高为35mm，具体步骤如下：

通过solidworks软件构建三维实体模型(如图5所示)，然后采用3D数据处理软件进行切片处理，层高为3.5mm，然后生成加工程序，将加工程序导入控制系统；

将两根直径为1.6mm的TC4钛合金丝材安装在1#送丝机和2#送丝机上，将两根直径为1.6mm的TC11钛合金丝材安装在3#送丝机和4#送丝机上，将编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、和Ⅳ的热丝电源的正极依次与1#送丝机、2#送丝机、3#送丝机和4#送丝机上的丝材通过铜制送丝管连接，连接点与丝材熔化端的距离为19cm，负极与工作台连接，将TC4基板固定在三轴CNC机床的工作台上，将电弧增材的腔室抽真空后充入氩气；调整脉冲氩弧焊机为直流脉冲，电弧长度为10.5mm，峰值电流为320A，峰值电流时间占比为45％，基值电流为80A，焊机的脉冲频率为2.4Hz，焊机的钨极保护气为氩气，流量为20L/min，焊接速度为400mm/min，各热丝电源的电流均为交流电，频率为200Hz，各热丝电源的电流均为150A，层高为3.5mm，各钛合金丝材的送丝速率均为1.5m/min，熔池搭接距离为6mm。

打开氩气罐，使钨极氩弧焊枪通入氩气，设置流量为20L/min。开启氩弧焊机和热丝电源，启动加工程序，1#送丝机和2#送丝机开始送丝，开始沉积TC4钛合金梯度层，熔滴的过渡模式为接触式过渡模式；完成TC4钛合金梯度层的制备后，1#送丝机和2#送丝机自动停止，同时3#送丝机和4#送丝机自动开始送丝，进行TC11钛合金梯度层的沉积，TC11钛合金梯度层制备完成后，得到TC4-TC11钛合金梯度块。

如图6所示为本实施例所得TC4-TC11钛合金梯度块实物图。由图5和图6对比可知，本实施例所得结构件表面光滑，说明本实施例成型结构精度较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多材料整体结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

使用装配有n套送丝机的电弧增材制造设备按照所述加工程序进行电弧增材制造，得到多材料整体结构件；所述电弧增材制造过程中，所述n套送丝机分为m组，每组同时送一种丝材，m组送丝机连续交替使用，熔滴的过渡模式为接触式过渡模式；

所述n为4，m为2；所述多材料整体结构件为钛合金整体结构件；

当所述钛合金整体结构件为钛合金薄壁梯度结构件时，制备TA15钛合金梯度层的参数为：采用两套送丝机同时送TA15钛合金丝材，所述TA15钛合金丝材的直径为1.5～1.7mm，电弧长度为9～10mm，峰值电流为290～310A，峰值电流时间占比为40～45％，基值电流为54～66A，焊机的脉冲频率为2.2～2.6Hz，焊机的钨极保护气为氩气，流量为18～22L/min，焊接速度为350～370mm/min，各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离为18～20cm，两个热丝电源的电流均为135～145A，层高为2.4～2.6mm，两个TA15钛合金丝材的送丝速率均为1.4～1.6m/min；

当所述钛合金整体结构件为钛合金薄壁梯度结构件时，制备TC18钛合金梯度层的参数为：采用两套送丝机同时送TC18钛合金丝材，所述TC18钛合金丝材的直径为1.5～1.7mm，电弧长度为9～10mm，峰值电流为295～315A，峰值电流时间占比为42～48％，基值电流为57～69A，焊机的脉冲频率为2.2～2.6Hz，焊机的钨极保护气为氩气，流量为18～22L/min，焊接速度为350～370mm/min，各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离为18～20cm，两个热丝电源的电流均为145～155A，层高为2.4～2.6mm，两个TC18钛合金丝材的送丝速率均为1.4～1.6m/min；

当所述钛合金整体结构件为钛合金薄壁梯度结构件时，制备TC4或TC11钛合金梯度层的参数为：采用两套送丝机同时送TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材，所述TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材的直径为1.5～1.7mm；电弧长度为9～10mm，峰值电流为290～310A，峰值电流时间占比为40～45％，基值电流为56～68A，焊机的脉冲频率为2.2～2.6Hz，焊机的钨极保护气为氩气，流量为18～22L/min，焊接速度为350～370mm/min，各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离为18～20cm，各热丝电源的电流均为135～145A，层高为2.4～2.6mm，各钛合金丝材的送丝速率均为1.4～1.6m/min；

当所述钛合金整体结构件为钛合金实体梯度结构件时，制备TC4或TC11钛合金梯度层的参数为：采用两套送丝机同时送TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材，所述TC4钛合金丝材或TC11钛合金丝材的直径为1.5～1.7mm；电弧长度为10～11mm，峰值电流为310～330A，峰值电流时间占比为42～48％，基值电流为74～86A，焊机的脉冲频率为2.2～2.6Hz，焊机的钨极保护气为氩气，流量为18～22L/min，焊接速度为380～420mm/min，各热丝电源与对应丝材的连接点与对应丝材的熔化端的距离为18～20cm，各热丝电源的电流均为145～154A，层高为3.3～3.7mm，各钛合金丝材的送丝速率均为1.4～1.6m/min。

2.根据权利要求1所述的多材料整体结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，所述电弧增材制造过程中，对所用丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为：将所述丝材与热丝电源的正极连接，所述热丝电源负极与工作台或基板连接。