CN111985059A - 一种基于增材制造与热等静压的零件成形方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械加工相关技术领域，其公开了一种基于增材制造与热等静压的零件成形方法，该方法首先对待成形零件进行成形应力分析，然后根据应力大小将待成形零件划分成多个离散的单元块和或中空的网格结构，采用增材制造方法制备上述单元块和或中空的网格结构，并在离散的单元块和或网格结构的外表面制备外壳，以作为热等静压所需的包套结构，通过外壳上的抽气口抽空单元块之间的和或网络结构内部的气体，而后将抽气口密封，最后进行热等静压处理，获得零件。本申请还提供了一种基于增材制造与热等静压的零件成形系统。本申请中的方法和系统既克服了现有技术中复杂包套的制备问题，又避免了现有零件制备过程中的应力分布不均的问题。

Description

一种基于增材制造与热等静压的零件成形方法及系统
技术领域
本发明属于机械加工相关技术领域，更具体地，涉及一种基于增材制造与热等静压的零件成形方法及系统。
背景技术
现有技术中的金属零件的直接增材制造方法(亦称为3D打印、增量制造或快速成形)主要是利用激光束、电子束、等离子束等高功率热源将粉材或丝材熔化并逐层快速凝固成形，最终得到致密复杂结构的零件。但是由于在逐层成形零件的反复急冷急热过程中，零件中产生大的不均匀应力集中可产生微观裂纹，严重的可导致整个零件在成形过程中或者成形后开裂。微观熔池冷却过程中产生的微裂纹、微观气孔会导致零件微观组织不均匀，进而导致零件性能，尤其是表面性能降低，这成为了本领域中该技术应用的瓶颈。
热等静压成形是利用高温高压耦合加载，采用密闭包套将粉末、丝材、片材或块体等材料扩散连接成致密整体的技术，该技术具有零件组织细小、力学性能高、工艺流程短等优点，尤其适合大尺寸钛基、镍基高温合金等难加工贵重材料成形，受到国内外航空航天领域的广泛关注。但该技术难以成形诸如涡轮、叶片等薄壁复杂结构。同时，热等静压成形中，复杂结构包套的加工耗时耗力，使得该技术应用受到限制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于增材制造和热等静压的零件成形方法及系统。本发明通过应力分析，对应力较大部分划分成多个离散的单元块和/或中空的网格结构，将应力分散化，然后采用增材制造方法对该单元块、网格结构以及外壳等复杂结构进行制备，最后通过热等静压技术对多个单元块和中空的网格结构进行致密，既克服了现有技术中复杂包套的制备问题，又解决了现有零件制备过程中的应力分布不均的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于增材制造与热等静压的零件成形方法，所述方法包括：S1，对待成形零件进行成形应力分析；S2，根据所述应力分析结果中应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块和/或中空的网格结构，其中，所述网格结构中每一网格上均具有多个孔，以使多个所述网格结构的中空部分相互贯通；S3，采用增材制造方法制备所述多个离散的单元块和/或中空的网格结构，并在所述离散的单元块和/或网格结构的外表面制备外壳，以作为热能静压所需的包套结构；S4，通过所述外壳上的抽气口抽空所述多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体，而后将抽气口密封；S5，对所述步骤S4所得结构进行热等静压处理，获得所述零件。
优选地，所述步骤S2中，当根据应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块时，根据所述应力大小确定所述单元块的大小，所述单元块的大小与所述单元块所受的应力的大小成反比。
优选地，多个所述离散的单元块之间通过点或筋连接。
优选地，当根据应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块和中空的网格结构时，所述单元块通过所述网格结构连接，每一所述网格结构的宽度为0.1～2mm，所述网格结构的相对致密度为0.4～0.9。
优选地，当根据应力大小将所述待成形零件划分成多个中空的网格结构时，每一所述网格结构的宽度为0.5～5mm。
优选地，所述步骤S3中，采用增材制造方法制备所述离散的单元块和或中空的网格结构过程中还包括向所述单元块之间和/或网格结构内部填充部分粉末、丝材或片材。
优选地，所述外壳的厚度为1.5～5mm。
优选地，步骤S4中，采用高温净化处理技术通过所述外壳上的抽气口抽空所述多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于增材制造与热等静压的零件成形系统，所述系统包括：分析模块，用于对待成形零件进行成形应力分析；划分模块，用于根据所述应力分析结果中应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块和/或中空的网格结构，其中，所述网格结构中每一网格上均具有多个孔，以使多个所述网格结构的中空部分相互贯通；制备模块，用于采用增材制造方法制备所述多个离散的单元块和/或中空的网格结构，并在所述离散的单元块和/或网格结构的外表面制备外壳，以作为热能静压所需的包套结构；抽气模块，用于通过所述外壳上的抽气口抽空所述多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体，而后将抽气口密封；处理模块，用于对所述抽气模块所得结构进行热等静压处理，获得所述零件。
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，本发明提供的基于增材制造与热等静压的零件成形方法及系统至少具有如下有益效果：
1.通过对待成形零件进行应力分析，而后根据应力分布将应力较大部分划分成单元块或中空的网格结构，进而将应力分散化，减小应力集中；
2.各中空的网格结构设置成相互连通的结构有利于应力的转移和释放，在后期的致密过程中不会出现应力集中的部位；
3.网格结构的中空部分和离散的单元块之间的间隙内可以根据需要填充粉末、丝材或片材，制备灵活度高；
4.采用增材制造技术有利于制备复杂结构的网格结构、单元块和外壳，克服了现有设备的制造难点；
5.采用高温净化处理技术抽空了多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体，避免了成形零件中微观气孔的产生，进而提高成形零件的性能；
6.采用热等静压技术对离散的单元块和中空的网格结构进行致密，获得应力分布均匀的零件；
7.采用增材制造和热等静压可以实现复杂零件结构、大尺寸结构、高性能要求结构的成形，解决了现有技术中反复急冷或急热导致的成形零件开裂，残余应力大，组织性能不足等问题。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的基于增材制造与热等静压的零件成形方法的步骤图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的待制备零件的结构示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的图1中所示待制备零件的剖视图；
图4示意性示出了根据本公开第一实施例优化后的待制备零件的结构示意图；
图5示意性示出了根据本公开第一实施例进行抽真空封口后的零件的结构示意图；
图6示意性示出了根据本公开第一实施例进行热等静压处理后的结构示意图；
图7示意性示出了根据本公开第二实施例优化后的待制备零件的结构示意图；
图8示意性示出了根据本公开第二实施例网格结构的放大图；
图9示意性示出了根据本公开第二实施例进行抽真空封口后的零件的结构示意图；
图10示意性示出了根据本公开第二实施例进行热等静压处理后的结构示意图；
图11示意性示出了根据本公开第三实施例优化后的待制备零件的结构示意图；
图12示意性示出了根据本公开第三实施例结构优化后采用另外加工方式制造的部分包套；
图13示意性示出了根据本公开第三实施例结构优化后采用另外加工方式制造的部分零件；
图14示意性示出了根据本公开第三实施例组装后的零件的结构示意图；
图15示意性示出了根据本公开第三实施例进行抽真空封口后的零件的结构示意图；
图16示意性示出了根据本公开第三实施例进行热等静压处理后的结构示意图；
图17示意性示出了根据本公开实施例的基于增材制造与热等静压的零件成形系统。
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。
本发明提供了一种基于增材制造与热等静压的零件成形方法，该方法通过对待成形零件进行应力分析，对应力较大部分划分成多个单元块和/或中空的网格结构，将应力分散化，然后采用增材制造方法对该单元块、网格结构以及外壳等复杂结构的制备，最后通过热等静压技术对多个单元块和中空的网格结构进行致密，既克服了现有技术中复杂包套的制备问题，又解决了现有零件制备过程中的应力分布不均的问题。
请参阅图1，该基于增材制造与热等静压的零件成形方法具体包括如下步骤S1～S5：
S1，对待成形零件进行成形应力分析。在本公开实施例中，首先对待成形零件进行模拟仿真和结构分析，以得到该零件的应力分布，获得应力较大区域。
S2，根据所述应力分析结果中应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块和/或中空的网格结构，其中，所述网格结构中每一网格上均具有多个孔，以使多个所述网格结构的中空部分相互贯通。
根据应力分析结果，对应力较大的区域进行设计和优化，将该区域划分成多个离散的单元块或中空的网格结构，或者两者的混合结构。其中，网格结构可以是四面体、六面体、八面体或其混合结构等。每一网格均为中空结构，网格表面设有孔，网格与网格之间通过该孔进行气体联通。
当采用将应力较大的区域仅划分成多个离散的单元块时，单元块的大小由应力的大小确定，应力越大的部位其对应的单元块越小。多个单元块之间存在间隙，该间隙可以用于填充粉末、丝材或片材等，多个单元块之间可以采用点、筋等方式进行连接，但该连接方式不能影响该间隙的填充。
当将应力较大的区域划分成多个离散的单元块和中空的网格结构时，单元块与单元块之间优选为通过该网格结构连接，每一网格结构的宽度优选为0.1～2mm，该网格结构的相对致密度优选为0.4～0.9。
当将应力较大的区域划分成中空的网格结构时，每一网格结构的宽度优选为0.5～5mm，具体的实际应用中，应力大小与网格结构的尺寸成反比，应力越大其对应的网格结构的尺寸越小。
S3，采用增材制造方法制备所述多个离散的单元块和/或中空的网格结构，并在所述离散的单元块和/或网格结构的外表面制备外壳，以作为热等静压所需的包套结构。
本公开实施例中，由于将待成形零件离散化并且后续需要进行热等静压致密，需根据热等静压致密粉末或空隙导致零件体积收缩的程度，将零件整体或局部放大，因此设计的待成形零件的模型应大于制造的零件本身。增材制造设备根据待成形零件的模型制备待成形零件。在设计待成形零件的模型时需要同时设计出包围成形零件的全部或部分致密外壳，以作为后期进行热等静压的包套或部分包套。该致密外壳的厚度优选为1.5～5mm。当致密外壳充当热等静压的整个包套时，该外壳上设计有抽气口，用于抽取零件空隙中的气体。如增材制造过程中致密外壳充当后续热等静压过程的部分包套，则需另外加工具有抽气口的包套，该包套和增材制造的外壳焊接成一体。增材制造的致密外壳和后续加工的包套材质可以相同，也可以不同。
增材制造后如零件中留有原增材制造用的粉末，粉末可取出，也不可不取出，未取出的粉末在后续的热等静压过程中致密。增材制造后零件空隙中如没有粉末，可填充于增材制造同材质粉末、丝材或板材等，也可以填充不同材质的粉末、丝材或板材等，以备后续进行热等静压致密。也可以在增材制造的过程中边打印边填充粉末、丝材或板材等。
在增材制造过程中，可以采用激光选区熔化或激光选区烧结的方法对零件进行成形。
S4，通过所述外壳上的抽气口抽空所述多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体，而后将抽气口密封。
本公开实施例中，采用高温净化处理工艺通过上述外壳上的抽气口抽空多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体，而后将抽气口密封，以将待成形零件密封于包套内。包套高温净化温度为400℃～700℃，处理后包套内部真空度为10-2Pa～10-3Pa。
S5，对所述步骤S4所得结构进行热等静压处理，获得所述零件。
本公开实施例中，热等静压过程中，热等静压温度为0.5～0.7倍所用材料熔点，热等静压保温保压1h～5h。
在整体成形过程中，允许增加另外的常规加工和特种加工，比如喷涂、车、铣以及热处理等。
以下结合具体实施例以对本申请中的零件成形方法进行详细介绍。
实施例一
待成形零件的结构形状如图2和图3所示，其材料为SUS316L。
首先，根据步骤S1中的方法对待成形零件进行模拟仿真和结构应力分析，获得增材制造过程中应力较大的区域。
然后，采用步骤S2中的方法对应力较大的区域进行重新设计和优化，本公开实施例中，将该区域划分成离散的单元块，以减少增材制造过程中的应力。图4中a和b为划分的不同尺寸的离散单元块，其中，尺寸较小的单元块对应的应力大于尺寸较大的单元块。图4中的c为符合热等静压工艺的致密外壳。图4中的d为符合热等静压工艺的抽气口。
接着，采用步骤S3对应的方法进行增材制造，本公开实施例中此案有激光选区熔化的增材制造方法对零件进行成形。
而后，如图5所示，采用步骤S4对应的方法进行高温真空抽气净化和封口处理。
最后，采用步骤S5对应的方法进行热等静压处理，得到最终的零件，如图6所示。热等静压工艺参数为1000℃/100MPa/3h。
对于上述步骤，增材制造所得零件可以进行喷砂、打磨或机加工等处理。热等静压后的零件还可以对零件进行精加工或抛光处理。
实施例二
待成形零件的结构形状如图2和图3所示，其材料为Ti6Al4V。
首先，根据步骤S1中对应的方法对待成形零件进行模拟仿真和结构应力分析，获得增材制造过程中应力较大的区域。
然后，采用步骤S2中的方法对应力较大的区域进行重新设计和优化，本公开实施例中，将该区域划分为网格结构，以减少增材制造过程中的应力。图7中的e区域为划分的网格结构，图8为网格结构的放大图，各网格结构之间有孔连接，使得各个网格结构其他联通。图7中的f区域为符合热等静压工艺的致密外壳，图7中的g区域为符合热等静压工艺的抽气口。
接着，采用步骤S3对应的方法进行增材制造，本公开实施例中此案有激光选区熔化的增材制造方法对零件进行成形。
而后，如图9所示，采用步骤S4对应的方法进行高温真空抽气净化和封口处理。
最后，采用步骤S5对应的方法进行热等静压处理，得到最终的零件，如图10所示。热等静压工艺参数为950℃/100MPa/3h。
对于上述步骤，增材制造所得零件可以进行喷砂、打磨或机加工等处理。热等静压后的零件还可以对零件进行精加工或抛光处理。
实施例三
待成形零件的结构形状如图2和图3所示，其材料为IN718。
首先，根据步骤S1中对应的方法对待成形零件进行模拟仿真和结构应力分析，获得增材制造过程中应力较大的区域。
然后，采用步骤S2中的方法对应力较大的区域进行重新设计和优化，本公开实施例中，将该区域划分为离散的单元块和网格结构，以减少增材制造过程中的应力。图11中h区域时划分的不同结构的单元块。图11中i区域为划分的网格结构。图11中的j为符合热等静压工艺的致密的外壳，充当后续进行热等静压的包套。图12和图13是结构优化后采用另外加工方式制造的部分包套和零件。
接着，采用步骤S3对应的方法进行增材制造，并对图12和图13中的零件进行加工。将图11～13中的零件进行组装得到图14中的零件
而后，如图15所示，采用步骤S4对应的方法进行高温真空抽气净化和封口处理。
最后，采用步骤S5对应的方法进行热等静压处理，得到最终的零件，如图16所示。热等静压工艺参数为1200℃/100MPa/3h。
对于上述步骤，增材制造所得零件可以进行喷砂、打磨或机加工等处理。热等静压后的零件还可以对零件进行精加工或抛光处理。
本申请还提供了一种用于实现上述零件成形方法的零件成形系统，如图17所示，该系统1700包括：
分析模块1710，，例如，可以执行上述图1中步骤S1对应的方法，用于对待成形零件进行成形应力分析；
划分模块1720，例如，可以执行上述图1中步骤S2对应的方法，用于根据所述应力分析结果中应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块和/或中空的网格结构，其中，所述网格结构中每一网格上均具有多个孔，以使多个所述网格结构的中空部分相互贯通；
制备模块1730，例如，可以执行上述图1中步骤S3对应的方法，用于采用增材制造方法制备所述多个离散的单元块和/或中空的网格结构，并在所述离散的单元块和/或网格结构的外表面制备外壳，以作为热能静压所需的包套结构；
抽气模块1740，例如，可以执行上述图1中步骤S4对应的方法，用于通过所述外壳上的抽气口抽空所述多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体，而后将抽气口密封；
处理模块1750，例如，可以执行上述图1中步骤S5对应的方法，用于对所述抽气模块所得结构进行热等静压处理，获得所述零件。
综上所述，本申请通过应力分析，将应力较大部分划分成多个单元块和/或中空的网格结构，以将应力分散化，然后采用增材制造方法对该单元块、网格结构以及外壳等复杂结构进行制备，最后通过热等静压技术对多个单元块和中空的网格结构进行致密，既克服了现有技术中制备热等静压处理所需复杂包套的制备问题，又解决了现有零件制备工艺制备的零件应力分布不均的问题。
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 (9)

1.一种基于增材制造与热等静压的零件成形方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，对待成形零件进行成形应力分析；
S2，根据所述应力分析结果中应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块和/或中空的网格结构，其中，所述网格结构中每一网格上均具有多个孔，以使多个所述网格结构的中空部分相互贯通；
S3，采用增材制造方法制备所述多个离散的单元块和/或中空的网格结构，并在所述离散的单元块和/或网格结构的外表面制备外壳，以作为热等静压所需的包套结构；
S4，通过所述外壳上的抽气口抽空所述多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体，而后将抽气口密封；
S5，对所述步骤S4所得结构进行热等静压处理，获得所述零件。
2.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，所述步骤S2中，当根据应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块时，根据所述应力大小确定所述单元块的大小，所述单元块的大小与所述单元块所受的应力的大小成反比。
3.根据权利要求1或2所述的零件成形方法，其特征在于，多个所述离散的单元块之间通过点或筋连接。
4.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，当根据应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块和中空的网格结构时，所述单元块之间通过所述网格结构连接，每一所述网格结构的宽度为0.1～2mm，所述网格结构的相对致密度为0.4～0.9。
5.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，当根据应力大小将所述待成形零件划分成多个中空的网格结构时，每一所述网格结构的宽度为0.5～5mm。
6.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用增材制造方法制备所述离散的单元块和/或中空的网格结构过程中还包括向所述单元块之间和/或网格结构内部填充部分粉末、丝材或片材。
7.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，所述外壳的厚度为1.5～5mm。
8.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，步骤S4中，采用高温净化处理技术通过所述外壳上的抽气口抽空所述多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体。
9.一种基于增材制造与热等静压的零件成形系统，其特征在于，所述系统包括：
分析模块，用于对待成形零件进行成形应力分析；
划分模块，用于根据所述应力分析结果中应力大小将所述待成形零件划分成多个离散的单元块和/或中空的网格结构，其中，所述网格结构中每一网格上均具有多个孔，以使多个所述网格结构的中空部分相互贯通；
制备模块，用于采用增材制造方法制备所述多个离散的单元块和/或中空的网格结构，并在所述离散的单元块和/或网格结构的外表面制备外壳，以作为热能静压所需的包套结构；
抽气模块，用于通过所述外壳上的抽气口抽空所述多个离散的单元块之间的和/或网络结构内部的气体，而后将抽气口密封；
处理模块，用于对所述抽气模块所得结构进行热等静压处理，获得所述零件。
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