CN113894290A - 构件失效可控设计的制备方法及构件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种构件失效可控设计的制备方法及构件，包括以下步骤：设计构件的结构，其中，构件包括主体和失效可控部位，失效可控部位与主体连接；通过选择性激光熔化技术成型构件，其中，失效可控部位留下一部分未被激光熔化的粉末；对构件进行热处理，使留下的粉末烧结成固体，其中，烧结成的固体的密度小于主体的密度。本发明的构件失效可控设计的制备方法能够较为经济、简单地制备出符合要求的构件。

Description

构件失效可控设计的制备方法及构件
技术领域
本发明涉及失效可控设计技术领域，尤其涉及一种构件失效可控设计的制备方法及构件。
背景技术
增材制造出现后，工程人员可以设计和制造很多以往无法制造的复杂结构，同时，增材制造也为设计可控失效形式及部位提供了可能性。
过去，人们往往希望构件的性能不断提高，构件在全部极端环境下都能正常运作；但事实上，所有构件都可能在一定条件和工况下发生失效。因此，在追求提高构件性能的同时，使构件的失效变得可控，是提高产品安全性能的有效手段。也就是说，设计构件时，可在满足服役要求的前提下，同时设计构件的失效形式和部位，由此，当构件运作超过其性能许用范围并发生失效，则可以在预先设计好的部位、向既定的方向、以可控的程度和方式发生失效，这就是“失效可控设计”的概念。
相关技术中，失效可控部位的制备方法较为复杂，如在相应的部位采用不同的材料，从而获得失效可控部位，这导致构件的制备不够经济，制备效率不高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种构件失效可控设计的制备方法，能够较为经济、简单地制备出符合要求的构件。
本发明还提出一种由上述构件失效可控设计的制备方法制得的构件。
根据本发明的第一方面实施例的构件失效可控设计的制备方法，包括以下步骤：
设计构件的结构，其中，所述构件包括主体和失效可控部位，所述失效可控部位与所述主体连接；
通过选择性激光熔化技术成型所述构件，其中，所述失效可控部位留下一部分未被激光熔化的粉末；
对所述构件进行热处理，使留下的所述粉末烧结成固体，其中，烧结成的所述固体的密度小于所述主体的密度。
根据本发明实施例的构件失效可控设计的制备方法，至少具有如下有益效果：首先完成构件的结构设计(包括失效部位、失效方向和失效形式的设计)，之后，在选择性激光熔化技术成型构件时，在失效可控部位留下部分未被激光熔化的粉末，该部分粉末在热处理时会烧结，由于热处理主要是用于消除构件的残余应力，构件不会完全熔化，相比于激光熔化的粉末，烧结的粉末的密度更低，强度也更低，也更容易失效；失效可控部位的设计融合在选择性激光熔化成型和热处理中，无需进行额外的操作，制备过程简单、经济，制备效率高。
根据本发明的一些实施例，在完成所述构件的结构设计后，还包括以下步骤：
对所述构件进行有限元分析，检查所述构件是否满足失效要求和力学性能要求，如果所述失效要求和所述力学性能要求均能满足，则进行下一步的操作，如果所述失效要求和所述力学性能要求中的任意一个不能满足，则返回上一步改进设计。
根据本发明的一些实施例，在完成所述构件的热处理后，还包括以下步骤：
对所述构件进行实际试验，以验证所述构件是否满足失效要求和力学性能要求，如果所述失效要求和所述力学性能要求均能满足，则构件完成制备，如果所述失效要求和所述力学性能要求中的任意一个不能满足，则返回重新设计所述构件的结构。
根据本发明的一些实施例，设计所述构件的结构包括以下步骤：根据失效破坏部位和失效破坏方向反推失效可控部位的结构。
根据本发明的一些实施例，设计所述构件的结构包括以下步骤：在所述失效可控部位中配置多孔结构，所述多孔结构用于容纳待烧结的所述粉末。
根据本发明的一些实施例，所述多孔结构配置为包含多个并列排布的容置腔的框架。
根据本发明的一些实施例，所述力学性能要求包括抗拉强度、抗压强度、疲劳强度和抗扭强度中的一种或多种。
根据本发明的一些实施例，设计所述构件的结构包括以下步骤：将所述构件的材料配置为Ti-6Al-4V。
根据本发明的一些实施例，所述热处理包括以下步骤：在真空环境或保护气氛中，升温至750～850℃并保温设定的一段时间，之后随炉冷却至450～550℃，最后通过气淬冷却至室温。
根据本发明的第二方面实施例的构件，由上述的构件失效可控设计的制备方法制得。
根据本发明实施例的构件，至少具有如下有益效果：通过使用上述的构件失效可控设计的制备方法，可简单快速地制备出构件，构件的制备成本低。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明一个实施例的构件失效可控设计的制备方法的流程图；
图2为本发明另一个实施例的构件失效可控设计的制备方法的流程图；
图3为本发明又一个实施例的构件失效可控设计的制备方法的流程图；
图4为本发明再一个实施例的构件失效可控设计的制备方法的流程图；
图5为图1中构件失效可控设计的制备方法中构件的示意图；
图6为图5中构件沿A-A截面的剖视图。
附图标记：构件100、主体110、失效可控部位120、多孔结构121、容置腔122。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
参照图1、图5和图6，根据本发明的第一方面实施例的构件失效可控设计的制备方法，包括以下步骤：
S100、设计构件100的结构，其中，构件100包括主体110和失效可控部位120，失效可控部位120与主体110连接；
S300、通过选择性激光熔化技术成型构件100，其中，失效可控部位120留下一部分未被激光熔化的粉末；
S400、对构件100进行热处理，使留下的粉末烧结成固体，其中，烧结成的固体的密度小于主体110的密度。
结合上述，首先完成构件100的结构设计，之后，在选择性激光熔化技术成型构件100时，在失效可控部位120留下一部分未被激光熔化的粉末，该部分粉末在热处理时会烧结，由于热处理主要是用于消除构件100的残余应力，构件100不会完全熔化，相比于激光熔化的粉末，烧结的粉末的密度更低，强度也更低，也更容易失效。失效可控部位120的设计融合在选择性激光熔化成型和热处理中，无需进行额外的操作，制备过程简单、经济，制备效率高。
参照图2、图5和图6，根据本发明的第二方面实施例的构件失效可控设计的制备方法，包括以下步骤：
S100、设计构件100的结构，其中，构件100包括主体110和失效可控部位120，失效可控部位120与主体110连接；
S200、对构件100进行有限元分析，检查构件100是否满足失效要求和力学性能要求，如果失效要求和力学性能要求均能满足，则进行下一步的操作，如果失效要求和力学性能要求中的任意一个不能满足，则返回上一步改进设计；
S300、通过选择性激光熔化技术成型构件100，其中，失效可控部位120留下一部分未被激光熔化的粉末；
S400、对构件100进行热处理，使留下的粉末烧结成固体，其中，烧结成的固体的密度小于主体110的密度。
结合上述，在构件100的结构设计完成后，进行有限元分析，确定构件100满足失效要求和力学性能要求；通过有限元分析，能够在制备之前判断构件100是否满足要求，进而改进设计，提高构件100的制备合格率，降低制备成本。
具体的，失效要求一般是指失效部位、失效方向和失效形式等方面的要求，失效形式一般包括拉伸破坏、挤压破坏、弯曲破坏和扭转破坏等。对构件100进行有限元分析的软件为Hypermesh或Ansys。
参照图3、图5和图6，根据本发明的第三方面实施例的构件失效可控设计的制备方法，包括以下步骤：
S100、设计构件100的结构，其中，构件100包括主体110和失效可控部位120，失效可控部位120与主体110连接；
S300、通过选择性激光熔化技术成型构件100，其中，失效可控部位120留下一部分未被激光熔化的粉末；
S400、对构件100进行热处理，使留下的粉末烧结成固体，其中，烧结成的固体的密度小于主体110的密度；
S500、完成构件100的热处理后，对构件100进行实际试验，以验证构件100是否满足失效要求和力学性能要求，如果失效要求和力学性能要求均能满足，则构件100完成制备，如果失效要求和力学性能要求中的任意一个不能满足，则返回重新设计构件100的结构。
结合上述，相比于本发明第二方面的实施例的构件失效可控设计的制备方法，通过实际试验对构件100进行验证，能够更为准确地判断出构件100是否满足要求，从而为构件100的结构设计提供更为有效的反馈。
具体的，实际试验是指拉伸试验、压缩试验、扭转试验和疲劳试验中的一种或多种。
参照图4、图5和图6，根据本发明的第四方面实施例的构件失效可控设计的制备方法，包括以下步骤：
S100、设计构件100的结构，其中，构件100包括主体110和失效可控部位120，失效可控部位120与主体110连接；
S200、对构件100进行有限元分析，检查构件100是否满足失效要求和力学性能要求，如果失效要求和力学性能要求均能满足，则进行下一步的操作，如果失效要求和力学性能要求中的任意一个不能满足，则返回上一步改进设计；
S300、通过选择性激光熔化技术成型构件100，其中，失效可控部位120留下一部分未被激光熔化的粉末；
S400、对构件100进行热处理，使留下的粉末烧结成固体，其中，烧结成的固体的密度小于主体110的密度；
S500、完成构件100的热处理后，对构件100进行实际试验，以验证构件100是否满足失效要求和力学性能要求，如果失效要求和力学性能要求均能满足，则构件100完成制备，如果失效要求和力学性能要求中的任意一个不能满足，则返回重新设计构件100的结构。
结合上述，在构件100的结构设计完成后，进行有限元分析，确定构件100满足失效要求和力学性能要求，并在构件100制作完成后，通过实际试验对构件100进行验证，进一步确定构件100满足失效要求和力学性能要求；有限元分析和实际试验相结合，能够为构件100的结构设计提供更为全面的反馈，从而进一步提高构件100的合格率。
参照图1和图5，在本发明的一些实施例中，设计构件100的结构包括以下步骤：根据失效破坏部位和失效破坏方向反推失效可控部位120的结构。由此，设计出的失效可控部位120可在失效时，在预先设计好的部位、向既定的方向、以可控的程度和方式发生失效，从而达到失效可控的目的。
具体的，以图5中的构件100举例说明，当希望构件100以弯曲断裂的方式发生失效时，可在构件100的上侧边和下侧边同时设置失效可控部位120。失效可控部位120呈三角形状，当构件100的左端和右端向上弯曲时，由于失效可控部位120的平均密度更低，拉伸强度和压缩强度更低，构件100的上侧边的失效可控部位120容易发生挤压破坏，构件100的下侧边的失效可控部位120容易发生拉伸破坏，两个失效可控部位120共同作用，使构件100发生弯曲断裂。
适当参照图1和图5，在本发明的一些实施例中，设计构件100的结构包括以下步骤：在失效可控部位120中配置多孔结构121，多孔结构121用于容纳待烧结的粉末。多孔结构121可使留下的粉末分布更为均匀，由此在后续的热处理过程中，留下的粉末受热均匀，可充分烧结。
参照图5和图6，在本发明的进一步实施例中，多孔结构121配置为包含多个并列排布的容置腔122的框架。
包含多个并列排布的容置腔122的框架的结构简单，有利于降低制备难度，降低生产成本。例如，容置腔122沿上下方向延伸，容置腔122沿前后方向和左右方向并列排布有多个。在使用选择性激光熔化技术成型构件100时，除了最下层和最上层的粉末需要全部融化，以将容置腔122的下端开口和上端开口封闭外，对于中间层的粉末，激光的每次的行走路径相同，由此可降低制备难度，降低生产成本。
在本发明的进一步实施例中，容置腔122配置为呈棱柱状的腔体。呈棱柱状的腔体形状规则，激光熔化成型框架较为方便。
具体的，棱柱可以是三棱柱、四棱柱、五棱柱或其它棱柱。
在本发明的进一步实施例中，容置腔122配置为呈圆柱状的腔体。类似的，呈圆柱状的腔体形状规则，激光熔化成型框架较为方便。
在本发明的一些实施例中，力学性能要求包括抗拉强度、抗压强度、疲劳强度和抗扭强度中的一种或多种。通过检测力学性能，可判断构件100在特定的应力环境下是否满足正常使用要求而不会发生破坏，由此可给构件100的结构设计提供反馈，进而制备出质量合格的构件100。
在本发明的一些实施例中，设计构件100的结构包括以下步骤：将构件100的材料配置为Ti-6Al-4V。Ti-6A1-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能。通过使用Ti-6Al-4V，有利于提升构件100的综合性能。
在本发明的一些实施例中，热处理包括以下步骤：在真空环境或保护气氛中，升温至750～850℃并保温设定的一段时间，之后随炉冷却至450～550℃，最后通过气淬冷却至室温。
Ti-6A1-4V的再结晶温度为750℃，通过将Ti-6A1-4V升温至750～850℃并保温设定的一段时间，能够使退火后的Ti-6A1-4V的组织为等轴α相+β相，综合性能良好。气淬能够降低残留应力，减少变形，通过改变气压和流速，能够调整气淬的冷却速度。
具体的，真空环境要求真空度达到-0.1Mpa，由此可将水汽、氮气和氧气等有害成分去除。保护气氛可以是氦气或氩气，氦气或氩气的纯度需达到99.99％以上。
具体的，Ti-6Al-4V可升温至750℃、800℃、850℃或其它数值，保温所用的设定的一段时间一般为3～40h，优选为4～6h，例如，保温所用的设定的一段时间可以是3h、3.5h、4h、4.5h、6h、10h、20h、30h、40h或其它数值。对于不同的材料，保温所用的时间不同，可根据实际使用的材料来确定保温时间。气淬所使用的气体可选择氦气或氩气，气压可选择1.8bar、2bar、2.2bar或其它数值。
根据本发明的第五方面实施例的构件100，由上述的构件失效可控设计的制备方法制得。通过使用上述的构件失效可控设计的制备方法，可简单快速地制备出构件100，构件100的制备成本低。
具体的，通过上述的构件失效可控设计的制备方法制备出的构件100，失效可控部位120的平均密度小于主体110的密度，失效可控部位120的强度(抗拉强度、抗压强度等)也小于主体110的强度。构件100在使用过程中，可以满足服役要求，而且，当构件100运作超过其性能许用范围，则可以在预先设计好的部位、向既定的方向、以可控的程度和方式发生失效，从而减少损失，以及降低失效产生的伤害。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.构件失效可控设计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
设计构件的结构，其中，所述构件包括主体和失效可控部位，所述失效可控部位与所述主体连接；
通过选择性激光熔化技术成型所述构件，其中，所述失效可控部位留下一部分未被激光熔化的粉末；
对所述构件进行热处理，使留下的所述粉末烧结成固体，其中，烧结成的所述固体的密度小于所述主体的密度。
2.根据权利要求1所述的构件失效可控设计的制备方法，其特征在于，在完成所述构件的结构设计后，还包括以下步骤：
对所述构件进行有限元分析，检查所述构件是否满足失效要求和力学性能要求，如果所述失效要求和所述力学性能要求均能满足，则进行下一步的操作，如果所述失效要求和所述力学性能要求中的任意一个不能满足，则返回上一步改进设计。
3.根据权利要求1或2所述的构件失效可控设计的制备方法，其特征在于，在完成所述构件的热处理后，还包括以下步骤：
对所述构件进行实际试验，以验证所述构件是否满足失效要求和力学性能要求，如果所述失效要求和所述力学性能要求均能满足，则构件完成制备，如果所述失效要求和所述力学性能要求中的任意一个不能满足，则返回重新设计所述构件的结构。
4.根据权利要求1所述的构件失效可控设计的制备方法，其特征在于，设计所述构件的结构包括以下步骤：根据失效破坏部位和失效破坏方向反推失效可控部位的结构。
5.根据权利要求1所述的构件失效可控设计的制备方法，其特征在于，设计所述构件的结构包括以下步骤：在所述失效可控部位中配置多孔结构，所述多孔结构用于容纳待烧结的所述粉末。
6.根据权利要求5所述的构件失效可控设计的制备方法，其特征在于，所述多孔结构配置为包含多个并列排布的容置腔的框架。
7.根据权利要求1所述的构件失效可控设计的制备方法，其特征在于，所述力学性能要求包括抗拉强度、抗压强度、疲劳强度和抗扭强度中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的构件失效可控设计的制备方法，其特征在于，设计所述构件的结构包括以下步骤：将所述构件的材料配置为Ti-6Al-4V。
9.根据权利要求8所述的构件失效可控设计的制备方法，其特征在于，所述热处理包括以下步骤：在真空环境或保护气氛中，升温至750～850℃并保温设定的一段时间，之后随炉冷却至450～550℃，最后通过气淬冷却至室温。
10.构件，其特征在于，由权利要求1至9中任一项所述的构件失效可控设计的制备方法制得。
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