CN113106440A - 一种冷喷涂增材制造构件的外形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷喷涂增材制造构件的外形控制方法，涉及材料制备技术领域，所述方法包括：构建基于沉积体外形轮廓的增材制造构件预测模型；将喷枪倾斜角度、每层沉积体之间的偏移量、第二喷枪移动速度和喷涂工艺参数输入增材制造构件预测模型中获得构件外形轮廓模型；将构件外形轮廓模型中的构件尺寸与目标构件尺寸对比，通过调整喷枪倾斜角度、沉积体之间的偏移量和第二喷枪移动速度对构建外形轮廓模型进行优化，获得最佳路径参数。采用本发明方法喷涂出的直壁构件与目标构件的外形轮廓偏差可在5%以内，显著提高了冷喷涂增材制造的在喷涂金属构件的成形精度和成形效率。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，具体涉及一种冷喷涂增材制造构件的外形控制方法。
背景技术
增材制造过程通过在数字模型的指导下逐步添加薄层材料来构建三维部件，其优势在于三维结构的快速和自由制造，目前增材制造已被广泛应用于航空航天、医疗、能源、汽车和医疗等领域。
近年来，冷喷涂增材制造作为一种新型的增材制造技术引起了人们的关注。在生产过程时，金属颗粒在Laval喷管中被具有一定温度的高压气体（通常是氮气，氦气或空气）加速至超音速，在完全固态下撞击基板并在其表面沉积。不同于激光、等离子、电弧等常规的高能束金属增材制造生产过程要将金属材料熔化；在冷喷涂中，金属颗粒只发生塑性变形，固态低温的沉积特性使得金属颗粒的氧化、分解等有害影响可以最小化或消除，这些显著的优势使得冷喷涂适用于大部分金属、合金、金属-陶瓷复合材料的制备。同时，沉积体内部为残余压应力，使得沉积体的厚度几乎没有限制。目前冷喷涂的材料沉积速率可达30kg/h以上，因此冷喷涂固态增材制造技术在大尺寸金属构件的高效制备方面具有巨大优势。
随着冷喷涂装备水平的进步和研究的深入，目前冷喷涂制备的金属构件的力学性能已接近锻件，金属沉积体的性能可通过冷喷涂过程控制与后热处理等方式联合作用得到保证。构件外形精确控制困难是冷喷涂固态增材制造目前面临的最重要技术瓶颈之一。冷喷涂单道沉积体非均匀生长，冷喷涂单层沉积体厚度方向生长不均匀，呈中心部分高、两侧高度低的特点，接近高斯分布，这使得冷喷涂增材制造技术难以在制备具有规则几何结构的目标构件中应用，而且冷喷涂沉积体厚度增长速度对喷涂角度非常敏感，使得沉积体沉积到一定程度时，沉积体边缘区域的厚度增长速率非常缓慢，甚至停止增长，导致冷喷涂增材制造过程中最顶层面积随着高度的增加逐渐较小，侧边向上呈梯形过度，难以形成直壁面。为了获得目标构型，目前行业内使用的主要策略是通过显著加大基底面积保证最终成型构件的顶层尺寸，然后采用机械加工去除底层多余部分，成型效率低、粉末材料浪费严重、加工去除量大（可达70%以上）。因此亟待实现对冷喷涂固态增材制造构件外形进行精确控制的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种冷喷涂增材制造构件的外形控制方法，包括：
S1：构建增材制造构件的沉积体外形轮廓模型，所述外形轮廓模型公式如下：
其中，
表示第n层沉积体的外形轮廓，
即为接近高斯分布的第一层沉积体的外形轮廓，
为喷枪倾斜角度，d为沉积体之间的偏移量，
为第二喷枪移动速度，所述第二喷枪移动速度为除第一沉积层外的其它沉积层的喷枪移动速度，
为第一喷枪移动速度，所述第一喷枪移动速度为第一沉积层的喷枪移动速度，
表示在
处与喷枪倾斜角度对应的沉积效率，
表示在x处由于曲率半径变化造成的沉积效率；
S2：将喷涂工艺参数和成型过程参数输入所述外形轮廓模型中获得目标构件的外形轮廓模型，所述成型过程参数包括喷枪倾斜角度、每层沉积体之间的偏移量、第二喷枪移动速度和喷涂角度；
S3：将步骤S2中获得的目标构件外形轮廓模型与目标构件外形轮廓实际尺寸对比，通过调整喷枪倾斜角度、每层沉积体之间的偏移量、第二喷枪移动速度
对目标构件的外形轮廓模型进行优化，获得最佳喷枪倾斜角度、每层沉积体之间的偏移量、第二喷枪移动速度
；
S4：将喷涂工艺参数和最佳成型过程参数转化为机械手编程语言并导入机械手系统完成构件的喷涂。
进一步地，所述方法还包括在构建增材制造构件预测模型前通过冷喷涂获得第一层沉积体的外形轮廓。
进一步地，所述喷涂工艺参数包括喷涂压力、喷涂温度、送粉速率、第一喷枪移动速度和喷距。
更进一步地，所述喷涂压力为1-7 MPa，气体温度为200-1100℃，送粉速率为25-300 g/min，第一喷枪移动速度为10-500 mm/s，喷距为15-50 mm。
更进一步地，所述冷喷涂的材料为金属或金属复合材料粉末，所述金属或金属复合材料粉末的粒径为5-80
，且氧含量不高于0.4 wt.%。
更进一步地，所述喷枪倾斜角度是指喷枪与基体之间的角度。
本发明的有益效果：
采用本发明的模型和方法解决了冷喷涂直壁构件外形难以直接获得，制备出的金属构件与目标构件尺寸偏差大、后续加工量大、效率低的问题，通过本发明的模型对喷枪倾斜角度、每层沉积体之间的偏移量和第二喷枪移动速度进行优化，使制备出的直壁构件与目标构件的外形轮廓偏差控制在5%以内，显著提高了冷喷涂增材制造在喷涂金属构件的成型精度和成型效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。
附图说明：
图1是本发明实施例的冷喷涂增材制造构件的外形控制方法流程图；
图2是本申请实施例2的采用本发明冷喷涂增材制造方法制备的构件图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参考图1，步骤一：以粒径分布为15-50
的类球形水雾化铜粉为冷喷涂原料，以2219铝合金板为基板，在喷涂前，采用24目刚玉砂对基板进行喷砂处理，压力为0.8 MPa，使基板表面粗糙。喷涂时，以氮气为加速气体，喷涂压力为3 MPa、喷涂温度为800℃、送粉速率为180 g/min、第一喷枪移动速度
为100mm/s、喷距为20-50 mm等喷涂工艺参数进行第一层沉积体的喷涂，喷涂后采集第一层沉积体的外形轮廓，第一层沉积体的外形轮廓接近高斯分布；
步骤二：建立冷喷涂增材制造构件外形轮廓模型如下：
其中，
表示第n层沉积体的外形轮廓，
即为接近高斯分布的第一层沉积体的外形轮廓，
为喷枪倾斜角度，
为沉积体之间的偏移量，
为第二喷枪移动速度，所述第二喷枪移动速度为除第一沉积层外的其它沉积层的喷枪移动速度，
为第一喷枪移动速度，所述第一喷枪移动速度为第一沉积层的喷枪移动速度，
表示在
处与喷枪倾斜角度对应的沉积效率，
表示在x处由于曲率半径变化造成的沉积效率；
步骤三：将喷涂过程参数：喷枪倾斜角度为30-90°，每道沉积体之间的偏移量为1-3mm，第二喷枪移动速度
为100-300m/s以及步骤一中的喷涂压力、气体温度、送粉速率、第一喷枪移动速度
等喷涂工艺参数及构件表面曲率半径输入构件预测模型中，其中构件表面曲率半径为在0.8-20的区间内选取合适值，获得构件外形轮廓模型，将构件外形轮廓模型与目标构件尺寸进行对比，调整出最佳的喷涂过程参数为：倾斜角度为40-50°，每道沉积体之间的偏移量为1.8-2.2mm，第二喷枪移动速度为150-220m/s。
步骤三:将步骤二获得的最佳喷涂过程参数以及步骤一中的喷涂工艺参数转化为机械手编程语言并导入机械手系统，完成构件喷涂，如图2所示，左侧为传统方式冷喷涂所得构件，右侧为本实施例方法冷喷涂所得构件，本申请所得构件与目标构件的外形偏差约为3.5%。
实施例2
步骤一:以粒径分布为10-70
的球形纯铝粉为冷喷涂原料，以铜板为基板。在喷涂前，采用24目刚玉砂对基板进行喷砂处理，压力为0.8 MPa，使基板表面粗糙。喷涂时，以氮气为加速气体，气体压力为2MPa、喷涂温度为450℃、送粉速率为23g/min、第一喷枪移动速度
为10mm/s、喷距为20-50 mm等喷涂工艺参数进行第一层沉积体的喷涂，喷涂后采集第一层沉积体的外形轮廓，第一层沉积体的外形轮廓接近高斯分布；
步骤二：建立冷喷涂增材制造构件外形轮廓模型如下：
步骤三：将喷涂过程参数：喷枪倾斜角度为30-90°，每道沉积体之间的偏移量为1-3mm，第二喷枪移动速度为100-300m/s以及步骤一中的喷涂压力、气体温度、送粉速率、第一喷枪移动速度
等喷涂工艺参数及构件表面曲率半径输入构件预测模型中，其中构件表面曲率半径为在0.8-20的区间内选取合适值，获得构件外形轮廓模型，将构件外形轮廓模型与目标构件尺寸进行对比，调整出最佳的喷涂过程参数为：倾斜角度为45-55°，每道沉积体之间的偏移量为2.0-2.4mm，第二喷枪移动速度为100-200m/s。
步骤四：将步骤二获得的最佳喷涂过程参数以及步骤一中的喷涂工艺参数转化为机械手编程语言并导入机械手系统，完成构件喷涂，如图2所示。冷喷涂所得构件与目标构件的外形偏差在4.8%以内。
实施例3
步骤一：以粒径分布为10-45
的WC-10Co为冷喷涂原料，以碳钢板材板作为基板。在喷涂前，采用24目刚玉砂对基板进行喷砂处理，压力为0.8 MPa，使基板表面粗糙。喷涂时，以氮气为加速气体，喷涂压力为6.5 MPa、喷涂温度为1000℃、送粉速率为250 g/min、第一喷枪移动速度
为50mm/s、喷距为20-50 mm等喷涂工艺参数进行第一层沉积体的喷涂，喷涂后采集第一层沉积体的外形轮廓，第一层沉积体的外形轮廓接近高斯分布；
步骤二：建立冷喷涂增材制造构件外形轮廓模型如下：
步骤三，将喷涂过程参数：喷枪倾斜角度为30-90°，每道沉积体之间的偏移量为1-3mm，第二喷枪移动速度为100-300m/s以及步骤一中的喷涂压力、气体温度、送粉速率、第二喷枪移动速度
等喷涂工艺参数及构件表面曲率半径输入构件预测模型中，其中构件表面曲率半径为在0.8-20的区间内选取合适值，获得构件外形轮廓模型，将构件外形轮廓模型与目标构件尺寸进行对比，调整出最佳的喷涂过程参数为：倾斜角度为30-40°，每道沉积体之间的偏移量为1.7-2.5mm，第二喷枪移动速度为200-300m/s。
步骤三，将步骤二获得的最佳喷涂过程参数以及步骤一中的喷涂工艺参数转化为机械手编程语言并导入机械手系统，完成构件喷涂，如图2所示。冷喷涂所得构件与目标构件的外形偏差在4.6%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种冷喷涂增材制造构件的外形控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：构建增材制造构件的沉积体外形轮廓模型，所述外形轮廓模型公式如下：
其中，
表示第n层沉积体的外形轮廓，
即为接近高斯分布的第一层沉积体的外形轮廓，
为喷枪倾斜角度，d为沉积体之间的偏移量，
为第二喷枪移动速度，所述第二喷枪移动速度为除第一沉积层外的其它沉积层的喷枪移动速度，
为第一喷枪移动速度，所述第一喷枪移动速度为第一沉积层的喷枪移动速度，
表示在
处与喷枪倾斜角度对应的沉积效率，
表示在x处由于曲率半径变化造成的沉积效率；
S2：将喷涂工艺参数和喷涂过程参数输入所述外形轮廓模型中获得目标构件的外形轮廓模型，所述喷涂过程参数包括喷枪倾斜角度、每层沉积体之间的偏移量、第二喷枪移动速度和喷涂角度；
S3：将步骤S2中获得的目标构件外形轮廓模型与目标构件外形轮廓实际尺寸对比，通过调整喷枪倾斜角度、每层沉积体之间的偏移量、第二喷枪移动速度
对目标构件的外形轮廓模型进行优化，获得最佳喷枪倾斜角度、每层沉积体之间的偏移量和第二喷枪移动速度
；
S4：将喷涂工艺参数和最佳喷涂过程参数转化为机械手编程语言并导入机械手系统完成构件的成型。
2.根据权利要求1所述的冷喷涂增材制造构件的外形控制方法，其特征在于，所述方法还包括在构建增材制造构件预测模型前通过喷涂获得第一层沉积体的外形轮廓。
3.根据权利要求1所述的冷喷涂增材制造构件的外形控制方法，其特征在于，所述喷涂工艺参数包括喷涂压力、喷涂温度、送粉速率、第一喷枪移动速度和喷距。
4.根据权利要求3所述的冷喷涂增材制造构件的外形控制方法，其特征在于，所述喷涂压力为1-7 MPa，喷涂温度为200-1100℃，送粉速率为25-300 g/min，第一喷枪移动速度为10-500 mm/s，喷距为20-50 mm。
5.根据权利要求1所述的冷喷涂增材制造构件的外形控制方法，其特征在于，所述冷喷涂的材料为金属粉末，所述金属粉末的粒径为5-80 
，且氧含量不高于0.4 wt.%。
6.根据权利要求1所述的冷喷涂增材制造构件的外形控制方法，其特征在于，喷枪倾斜角度是指喷枪与基体之间的角度。
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