CN114260468A - 一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法，涉及激光增材制造领域。包括计算机控制系统、激光增材制造系统、保护系统。计算机控制系统用于发出指令开展结构件增材制造，控制激光头沿规定扫描路径行走，判断制造过程是否结束；激光增材制造系统通过激光热源“自下而上”实现结构件成形；保护系统通过形成高纯惰性气体氛围，对激光增材制造过程进行保护，确保结构件的成形质量。本发明有机结合了高熵合金材料、激光增材制造技术与仿生技术，实现了“材料+工艺+结构”的多要素耦合，保证了激光增材制造过程的成形效率与成形质量。
Description
技术领域：
本发明属于激光增材制造领域，特别涉及一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法。
背景技术
激光增材制造技术(Laser Additive Manufacturing Technology，LAMT)是利用激光束作为热源、“自下而上”通过逐层累加材料实现零件制造的一种新型制造技术。与传统制造工艺相比，制造精度高，柔性化程度高，可高效实现数字化、智能化和并行化制造，同时可避免模具的使用，节约材料且降低成本；与减材制造工艺相比，LAMT具有不需要使用刀具和夹具、无多道加工工序、加工周期短、可快速精密实现复杂零件成形等优点，尤其适用于制造航空航天领域中的复杂、难成形或薄壁零件，而且零件结构越复杂，其制造优势越显著。
高熵合金是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金，打破了传统的合金设计理论，一般为简单的体心立方或面心立方晶体结构，有时甚至会形成非晶质。由于在强度、硬度、耐磨耐腐蚀性等方面具有的突出优势，高熵合金被认为是改善基体特定性能的重要选择材料之一。自然界生物在优胜劣汰的生存环境下，实现了以最小材料和能源消耗获得最优结构。如潮间带贝壳微观结构具有多尺度、多层级结构，使得贝壳出现裂纹扩展时会出现裂纹偏转的现象，减小裂纹扩展速率，另外其软硬相间梯度材料的微观结构，也使得贝壳具有超强耐磨性。依据相似性原理，利用激光增材制造技术模仿形成这样的结构也可以得到优良的耐磨抗裂性能。
本发明从仿生角度出发，通过对贝壳生物原型的研究，利用激光增材制造技术，将其耐磨损、抗疲劳结构加以“复制”，从而形成耐磨损、抗疲劳的仿生结构，延长零件使用寿命。
发明内容
针对现有材料加工存在的问题，本发明提供一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法，有机地将具备优良性能的高熵合金与激光增材制造工艺结合，并基于贝壳结构设计仿生结构体，在“材料+工艺+结构”三者耦合的理念下实现耐磨耐蚀结构件的制造，有效提高成形件质量。
本发明通过下述技术方案实现：
所述计算机控制系统连接激光增材制造系统；
激光增材制造系统包括：激光增材制造工作台、送粉装置、激光头、操作机器人；
保护系统包括：保护腔体、保护气。
一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法，包括如下步骤：
步骤一：将设计的仿生结构三维实体模型离散成具有一定厚度及顺序的分层切片；
步骤二：扫描路径导入计算机控制系统；
步骤三：将惰性气体气通入保护腔体，所述惰性气体为纯度≥99.999％的氩气，制造过程始终在含氧量小于100ppm的氩气环境中进行；
步骤四：基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造
在工作台上方，操作机器人控制激光头沿规定路径方向运动，且垂直于工作台平面，粉末流与激光束同轴耦合输出。
待增材制造过程结束，关闭基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置、激光器及保护气通入。
本发明对于现有技术，至少具备如下优点及效果：
本发明与传统制造工艺相比，周期短，效率高，成本低，成形尺寸基本不受限制，材料适用性高；与减材制造工艺相比，LAMT具有不需要使用刀具和夹具、材料利用率高、响应能力快速、可快速精密实现复杂零件成形等优点，尤其适用于制造航空航天领域中的复杂、难成形或薄壁零件，而且零件结构越复杂，其制造优势越显著。
本发明提高了LAMT成形件的综合力学性能，可形成晶粒细小、成分均匀、组织致密的快速凝固非平衡组织。
本发明采用FeCoCrNi高熵合金粉末进行激光增材制造，多主元的设计理念，使其与传统单一主元合金相比，在强度、硬度、耐磨和耐高温软化性能等方面有着更突出的优势；
本发明结构简单，可行性高，相对于现有技术具有突出的实质性进步。
附图说明
图1是本发明基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置示意图；
图1中编号表示：1-激光束；2-保护腔体；3-增材制造用粉末；4-基板；5-计算机控制系统；6-长条状仿生单元体；7-凸点状仿生单元体。
图2是本发明基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造结构件示意图。
具体实施方法：
下面结合具体实施例对本发明进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示。本发明公开了一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法，包括计算机控制系统(5)、激光增材制造系统、保护系统；
所述计算机控制系统(5)连接激光增材制造系统；
激光增材制造系统包括：激光增材制造工作台、激光束(1)、增材制造用粉末(3)；所述激光头用于按照规划路径通过激光热源在工作台上“自下而上”进行制造成型，进而得到基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造结构件；所述增材制造用粉末(3)具体为FeCoCrNi高熵合金；
保护系统包括：保护腔体(2)、保护气；所述保护气为惰性气体氩气，纯度≥99.999％，使得制造过程始终在含氧量小于100ppm的氩气环境中进行。
基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法，可通过如下步骤实现：
步骤一：建立三维实体模型后，将基于贝壳结构的仿生三维实体模型离散成具有一定厚度及顺序的分层切片；
步骤二：扫描路径导入计算机控制系统(5)；
步骤三：将惰性气体气通入保护腔体(2)，所述惰性气体为纯度≥99.999％的氩气，制造过程始终在含氧量小于100ppm的氩气环境中进行；
步骤四：基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造
在工作台上方，操作机器人控制激光头沿规定路径方向运动，且垂直于工作台平面，增材制造用粉末(3)与激光束(1)同轴耦合输出。采用的粉末是FeCoCrNi高熵合金球形粉末，粒径在50μm～100μm之间，制造的工艺参数为：
激光功率为1800W，扫描速度为6mm/s，送粉速率为4g/min，分层厚度为800μm。一层成形后，激光头运动轨迹顺时针旋转90°，与上一层的扫描方向垂直。循环往复，逐层堆积制造出基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造结构件。
制造过程结束后，关闭基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置。
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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法，其特征在于：所述仿生结构依据贝壳外表面结构设计，由长条状仿生单元体(6)和凸点状仿生单元体(7)耦合而成，长条状仿生单元体(6)均匀排布于基板(4)上表面，凸点状仿生单元体(7)则均匀排布于长条状仿生单元体(6)上表面。
2.根据权利要求1所述一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法，其特征在于：包括计算机控制系统(5)、激光增材制造系统、保护系统；
所述计算机控制系统连接激光增材制造系统；
激光增材制造系统包括：激光增材制造工作台、送粉装置、激光头、操作机器人；
保护系统包括：保护腔体(2)、保护气。
3.根据权利要求1所述一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法，其特征在于具体包括如下步骤：
步骤一：将设计的仿生结构三维实体模型离散成具有一定厚度及顺序的分层切片；
步骤二：扫描路径导入计算机控制系统(5)；
步骤三：将惰性气体气通入保护腔体(2)，所述惰性气体为纯度≥99.999％的氩气，制造过程始终在含氧量小于100ppm的氩气环境中进行；
步骤四：基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造
在工作台上方，激光头与操作机器人相连沿规定路径方向运动，且垂直于工作台平面，增材制造用粉末(3)与激光束(1)同轴耦合输出；
步骤五：计算机控制系统(5)判断激光增材制造过程是否结束，若未结束，则继续进行步骤四；若结束，则停止送粉，关闭激光器；
最后，待增材制造过程结束，关闭基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置、激光器及保护气通入。
4.根据权利要求2所述一种基于贝壳结构的高熵合金仿生增材制造装置及方法，其特征在于：所述激光头用于按照规划路径“自下而上”进行增材制造，得到仿生增材制造结构件。且每一层增材制造加工结束后，激光头运动轨迹顺时针旋转90°，与上一层扫描方向垂直。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114713846A (zh) * | 2022-06-10 | 2022-07-08 | 吉林大学 | 一种异质仿生结构设计及其定向能量沉积增材制造方法 |
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