CN112676681A - 一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，通过改变成分浓度梯度变化方向，使成分浓度梯度变化沿热源移动方向过渡，制备成分浓度梯度过渡平顺、均匀的梯度材料方法。本发明技术方案提高构件的界面结合能力，降低热膨胀系数及蠕变强度差异对构件性能的影响，延长构件使用寿命。同时这种横向过渡方法不受构件尺寸限制，可以实现更多的生产应用。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，更加具体地说，涉及一种梯度材料的增材制造技术。
背景技术
梯度材料是由两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。梯度材料成分浓度梯度变化包括多种形式，如附图1所示。其中，从一种材料到另一种材料的成分浓度梯度均匀变化、平稳过渡是最理想的情况(附图1b)。
梯度材料的制备有许多传统的方法，如气相沉积法、粒子排列法和电沉积法等，但是由于传统方法很难做到梯度材料的近净成形，因此增材制造技术开始被应用在制备梯度材料上。目前最接近成分浓度平稳变化梯度材料的增材制造制备方法的成分浓度梯度过渡方向是垂直于基板及热源移动方向，沿构件成形方向的过渡，即随着熔覆层数的增加，通过调节每层的成分比例，实现由底层到上层的材料成分浓度梯度过渡变化。这种方法虽然可以通过增加熔覆层数来实现成分浓度变化尽可能平顺，但是界面区组织和成分的局部变化不均匀还是导致界面区蠕变强度差异较大；同时热膨胀系数差异导致界面区应力集中。还会受到构件宽度、高度等尺寸因素限制，从而造成构件的性能下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，改变成分浓度梯度变化方向，由底层到上层的纵向过渡，变为垂直于热源移动方向的横向过渡。利用增材制造系统，通过调节原材料的添加速率，使其具有一定量加速度，即在单层成形过程中，原材料的添加速度从热源起点到终点均匀加速或者减速，实现在单层内的成分浓度梯度变化，然后便可以逐层堆积成构件，从而完成成分浓度梯度平稳、均匀过渡的梯度材料制备。
梯度材料在高温高腐蚀性等极限条件环境下服役的寿命问题，在一些关键零部件中的影响尤其突出。梯度材料成分浓度变化的均匀性与平顺性，是影响梯度材料性能和使用寿命的重要因素。同时成分浓度变化方向为纵向变化时，由于成形参数固定后，每层成形的层高也随之固定，因此成分过渡的平顺性会受到构件尺寸因素的限制。本发明专利旨在提供一种使用增材制造技术，通过改变成分浓度梯度变化方向，使成分浓度梯度变化沿热源移动方向过渡，制备成分浓度梯度过渡平顺、均匀的梯度材料方法。进而提高构件的界面结合能力，降低热膨胀系数及蠕变强度差异对构件性能的影响，延长构件使用寿命。同时这种横向过渡方法不受构件尺寸限制，可以实现更多的生产应用。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，在堆积每一层时，任一时刻的不同材料添加速度之和恒定，以使单位时间内添加的材料体积恒定。
如附图2所示，利用增材制造系统，在制备梯度材料过程中，逐渐改变原材料的添加速度，即使其具有一加速度a，这样就可以实现在单层内的成分浓度梯度变化，从而通过逐层堆积制备成分浓度梯度变化平稳、均匀的梯度材料。
在热源(即焊枪或者堆焊焊枪)移动起点，第一材料A(图2和3中蓝色标记)的起始添加速度为v1，具有加速度为a，热源开始移动后，第一材料A的添加速度开始不断均匀加速，直至热源移动终点，加速至v2；第二材料B的起始添加速度为v2，具有加速度为-a，热源开始移动后，第二材料B(图2和3中红色标记)的添加速度开始不断均匀减速，直至热源移动终点，减速至v1。这样的变化可以保证在任一时刻的两种材料添加速度之和恒定，单位时间内添加的材料体积恒定，以确保单层成形尺寸不会因为材料添加速度变化而变化，保证构件宏观尺寸准确。
而且，通过控制堆敷层数，进而控制纵向高度。
而且，当构件尺寸受限制时，通过控制加速度a的大小来改变速度变化，进而控制横向宽度。
而且，选择对原材料的添加加速度进行精确控制，以到达一稳定值，做到精确控制添加速度变化，便可实现单层内的成分浓度梯度变化。
而且，材料两侧起始与终止位置的材料成分比例，通过控制材料初始添加速度v1、v2，以满足构件两端处实际工程需要的材料成分比例。需要注意的是，v1、v2应该满足该材料的添加极限速度范围。
使用这种成分浓度梯度横向过渡方法，在增材制造过程中，使得垂直于堆积成形方向上(纵向)任意一处的成分含量相同，可以大大的提高层间的界面结合能力，进而提高构件的组织性能。
目前，在利用增材制造方式制备梯度材料构件时，几乎没有任何研究是沿热源移动方向变化实现成分浓度梯度过渡方式，大多为沿成形堆积方向，即垂直热源移动方向进行熔覆。本发明通过改变成分浓度过渡方向，控制材料的添加速度均匀变化，从而精确控制成分浓度梯度，可以实现沿热源移动方向梯度过渡形式，即实现成分浓度梯度横向过渡。不但使成分浓度过渡均匀、平顺，使界面区蠕变强度差异、热膨胀系数差异降低，减少界面区应力集中，提高界面结合能力，进而改善了梯度材料的组织性能。而且还避免了构件尺寸对构件成分浓度梯度过渡形式的限制，通过改变加速度a的大小可以控制构件宽度，构件高度可以通过改变堆敷层数来控制，进而满足构件的尺寸要求，还不影响梯度材料的成分浓度梯度的均匀性与平稳性。
附图说明
图1是梯度材料成分浓度梯度变化示意图。
图2是本发明的原理示意图。
图3是本发明实施例使用的双丝电弧增材制造系统示意图。
图4是本发明实施例制备的梯度材料的宏观形貌照片。
图5是本发明实施例制备的梯度材料的元素扫描测试结果曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。选择增材制造技术中的双丝电弧增材制造技术制备成分浓度梯度横向均匀过渡的梯度材料。电弧增材制造技术由于其较高的成形速率与低的设备成本，在制造大型复杂构件的成形方面具有自身优势。采用TIG作为热源，焊丝的送给与焊接的控制是相对独立的系统，因此理论上可以进行多根不同成分的焊丝的进给成形，很大程度上解决焊丝种类对制备梯度材料的限制。同时焊丝的使用降低了昂贵粉末所带来的经济成本，用焊丝作为添加材料，所有的材料都被直接送入熔池，从而可以更精确地控制成分。
搭建双丝电弧增材制造系统，如附图3所示。所用设备主要包含奥地利伏能士公司设计制造型号为Trans TIG 5000Job G/F焊机、ABB公司IRB 2600型六轴机器人、两台独立送丝机构、预热装置以及保护气等组成。焊机最大直流焊接电流为350A，允许保护气体流速为5–30L/min，同时还可对脉冲频率，占空比，峰值电流等进行调节。机器人最大负载20kg，精度0.1mm。焊机通过DeviceNet数据线与机器人通讯。通讯成功后，ABB机器人可实现对焊机的控制，包括起弧，熄弧，送气，停气等。两台送丝机的送丝范围为0-5m/min，送丝机的控制与TIG控制是两个相对独立的系统。
材料A选择直径1.2mm的不锈钢ER308L，材料B选择直径1.14mm的镍基合金Inconel625。材料成分含量如表1所示，原材料性能如表2所示。基板选择不锈钢基板，实验前将基板打磨，清洗，去除表面氧化膜和污染物，固定在工作台。在制备梯度材料过程中，调节两台的送丝机参数，分别控制两种焊丝分别具有一定量加速度a和-a，即在单层的成形过程中，通过调节送丝速度v1、v2变化实现在单层内的成分浓度梯度变化，成形实验参数如表3所示。设计制备成形长度80mm，高度20mm的单壁墙体。
表1材料成分含量(％)
| 材料 | C | P | Si | Mn | S | Ni | Cr | Mo | Nb | Ti | Fe | |
| ER308L | 0.024 | 0.019 | 0.42 | 1.85 | 0.01 | 9.5 | 20.2 | - | - | - | 67.9 | |
| Inconel625 | 0.012 | 0.003 | 0.04 | ＜0.01 | 0.001 | 64.389 | 22.7 | 8.7 | 3.56 | 0.21 | 0.21 |
表2原材料性能参数
| 材料 | 熔点 | 密度 | 抗拉强度 | 屈服强度 | 延伸率 | |
| ER308L | 1398-1453℃ | 8g/cm<sup>3</sup> | 575Mpa | 234Mpa | 40％ | |
| Inconel625 | 1290-1350℃ | 8.4g/cm<sup>3</sup> | 760Mpa | 345Mpa | 30％ |
表3成形参数设定
| 焊接电流 | 焊接速度 | 焊枪保护气流速 | 保护气室气流速 | 送丝速度v1 | 送丝速度v2 | |
| 130A | 1mm/s | 15L/min | 20L/min | 0.4m/min | 0.8m/min |
在起弧时，丝材A的起始送丝速度为0.4m/min，随着电弧的移动开始加速至息弧时的送丝速度0.8m/min；丝材B的起始送丝速度为0.8m/min，随着电弧的移动开始减速至息弧时的送丝速度0.4m/min。计算求得：t＝80s，a＝8.33×10-5m/s2，同时计算出送丝长度L＝800mm，从而对构件的平均密度进行粗略计算。V1＝L×πr2＝904.77mm3，m1＝7.24g，V2＝L×πr2＝816.56mm3，m2＝6.86g，则单层m＝m1+m2＝14.099g，层数11层，假设在成形过程中材料的损耗不计，根据质量守恒定律，构件总质量M＝140.99g。宏观形貌如附图4所示，尺寸高度20.5mm，长度81mm，宽度10.5mm，总体积V＝17435.25mm3，可求得构件平均密度ρ＝8.086g/cm3。
堆积完成后，使用线切割机将构件沿长度方向切割，在构件宽度的中部位置竖直方向取样，为避免起弧与收弧对结果的影响，在距离起弧点与息弧点距离15mm的中间位置，即15mm-65mm的试样，如附图4中所示。为了分析试样成分浓度梯度的过渡平稳性，使用配有能谱分析仪的扫描电镜(D8-ADVANCE)对构件中部连续位置进行能谱分析，以获得元素成分质量分数变化曲线。
对试样同一高度位置，每隔5mm进行面扫描，得到元素质量分数比，如附图5所示。结果显示，随着丝材A即ER308L焊丝送丝速度的增加，Fe元素含量趋向于线性增加；随着丝材B即Inconel625焊丝送丝速度的减少，Ni元素含量趋向于线性减少。同时由于Mn元素大部分存在于ER308L焊丝成分中，因此含量呈现增加趋势；而Mo、Nb元素属于Inconel625焊丝成分，所以含量呈现减少趋势。另外Cr元素的含量在两种焊丝中成分含量相差不大，因此整体含量变化趋于平稳。由附图5可以看出，成分含量无明显阶梯变化，元素质量比变化均匀，成分浓度梯度变化平稳。
通过本实施方案的实验，本发明应用在双丝电弧增材过程制造过程中，通过精确控制送丝机的电机转速，使加速度a到达一稳定值，做到精确控制送丝，便可实现单层内的成分浓度梯度平稳过渡，并且通过改变加速度a可以改变构件过渡层的尺寸，同时保证浓度梯度变化均匀性，可以大大提高层间的界面结合能力，进而提高构件的组织性能。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，其特征在于，在堆积每一层时，任一时刻的不同材料添加速度之和恒定，以使单位时间内添加的材料体积恒定。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，其特征在于，选择对原材料的添加加速度进行精确控制，以到达一稳定值，做到精确控制添加速度变化，便可实现单层内的成分浓度梯度变化。
3.根据权利要求1或者2所述的一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，其特征在于，在热源移动起点，第一材料A的起始添加速度为v1，具有加速度为a，热源开始移动后，第一材料A的添加速度开始不断均匀加速，直至热源移动终点，加速至v2；第二材料B的起始添加速度为v2，具有加速度为-a，热源开始移动后，第二材料B的添加速度开始不断均匀减速，直至热源移动终点，减速至v1，以保证在任一时刻的两种材料添加速度之和恒定，单位时间内添加的材料体积恒定。
4.根据权利要求1或者2所述的一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，其特征在于，通过控制堆敷层数，进而控制纵向高度。
5.根据权利要求3所述的一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，其特征在于，通过控制堆敷层数，进而控制纵向高度。
6.根据权利要求1或者2所述的一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，其特征在于，当构件尺寸受限制时，通过控制加速度a的大小来改变速度变化，进而控制横向宽度。
7.根据权利要求1或者2所述的一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，其特征在于，当构件尺寸受限制时，通过控制加速度a的大小来改变速度变化，进而控制横向宽度。
8.根据权利要求1或者2所述的一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，其特征在于，材料两侧起始与终止位置的材料成分比例，通过控制材料初始添加速度，以满足构件两端处实际工程需要的材料成分比例。
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Effective date of registration: 20231114 Address after: No. 2010-6, Bohai Twelve South Road, Lingang Economic Zone, Binhai New Area, Tianjin 300452 (Tianjin Jiahe Commercial Secretary Co., Ltd. Trusteeship No. 198) Patentee after: Tianjin Yi Pu science and Technology Development Co.,Ltd. Address before: No. 2010-6, Bohai 12th South Road, Lingang Economic Zone, Binhai New Area, Tianjin 300452 Patentee before: Tianjin Puying Enterprise Management Partnership (L.P.) |
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