CN114799220B - 承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法及系统，包括如下步骤：成分设计步骤：对功能梯度材料进行成分设计；结构设计步骤：对功能梯度材料进行结构设计；路径规划步骤：基于结构设计进行轨迹规划；结构成型步骤：基于成分设计和轨迹规划进行功能梯度材料的结构成型。本发明在承力‑防/隔热材料结构制造中引入一体成形的增材制造技术，解决了现阶段高承载热端部件机械连接过程自动化、轻量化程度低的问题，大幅提升制造效率。此外，增加了梯度结构过渡特性，扩大了增材制造的应用领域和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，具体地，涉及一种承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法及系统。尤其是，优选的涉及一种承力-防/隔热梯度材料与结构增材制造方法。
背景技术
由于各国军事国防战略意识逐步强化及空天技术高速发展，热端部件的使用环境愈加严苛，热防护结构是保障返回舱、探测器、高超声速飞行器免遭超高温环境烧毁破坏并承力的关键子系统。目前主流再入飞行器采用防热材料粘接或者螺接于承力结构的方式实现防热和承载功能，属于“1+1＝2”的集成。
增材制造技术是近年来发展起来的集计算机技术、数控技术和材料加工技术于一体的新型的先进制造技术。该技术采用逐层累加的方法实现实体零件的制造与异种材料的层间结合。
公开号为CN111230114A的中国发明专利文献公开了一种TC4/IN625功能梯度复合材料的激光增材制造方法，包括以下步骤：S1、准备原材料：TC4和IN625合金粉末及纯Cu粉末和Y粉末；S2、钛合金(TC4)基板预处理；S3、按照下述步骤制造激光增材制造TC4/IN625功能梯度复合材料。
针对上述中的相关技术，发明人认为目前国内对实现“1+1>2”的一体化效益问题，尚未得到充分研究，梯度结构也很难在该类产品上通过传统工艺实现，因此，亟待新型承力-防/隔热梯度结构材料的设计方法与相关制造技术；另外目前应用于功能梯度材料制造研究，但主要集中于异种金属材料的梯度变化，对于热防护结构急需的基体材料&隔热陶瓷梯度材料与梯度结构制造鲜有报道。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法及系统。
根据本发明提供的一种承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法，包括如下步骤：
成分设计步骤：对功能梯度材料进行成分设计；
结构设计步骤：对功能梯度材料进行结构设计；
路径规划步骤：基于结构设计进行轨迹规划；
结构成型步骤：基于成分设计和轨迹规划进行功能梯度材料的结构成型。
优选的，在所述成分设计步骤中，基于高通量化学成分设计对功能梯度材料进行设计，结合增材制造过程热信息参数，通过有限元仿真和热力学计算确定各梯度层宽度与化学成分的解，得到仿真结果；通过功能梯度材料制备试验、后续成分分布测试和结合性能测试校验仿真结果，获得功能梯度材料的成分设计。
优选的，在所述结构设计步骤中，采用生物结构对承力区进行仿生设计，采用仿真优化方法对蒙皮区进行设计，采用蜂窝仿生学对隔热区进行设计，根据热流仿真结果对防热区进行结构设计，得到功能梯度材料的结构设计为承力防隔热一体化热防护结构三维模型。
优选的，在所述路径规划步骤中，将承力防隔热一体化热防护结构三维模型划分为宏观的承力区模型、宏观的蒙皮区模型、微观的隔热区模型和微观的防热区模型四部分，进行分层切片与轨迹规划，得到承力防隔热梯度结构成形轨迹。
优选的，在所述结构成型步骤中，将承力防隔热梯度结构成形轨迹导入复合增减材系统，将基板装入定位销钉中，并对设备原点进行标定；
将功能梯度材料的各种成分的原材料粉末分别装入对应的送粉筒内，向增材成形腔体内通入氩气；
当增材成型腔体内部氧含量低于预定含量后，在基板上先成形宏观结构，后成形微观结构。
优选的，在所述结构成型步骤中，宏观结构采用复合增减材系统中的四束流大功率增材设备成形保证成形效率，成形尺寸至少为5mm；微观结构采用复合增减材系统中的小功率环形激光送粉设备成形保证点阵精度，成形尺寸为至少为80μm。
优选的，在所述结构成型步骤中，所述微观结构成形之前，对宏观结构进行去应力退火处理，退火温度为200-600℃，随后通过复合增减材系统中的打磨设备进行减材打磨处理至表面粗糙度为预定值。
优选的，在所述结构成型步骤中，微观结构成形过程中通过改变送粉器双筒粉末转速实现梯度材料变化：第一到三层单筒基体送粉，粉末转速为0.4r/min到0.8r/min之间；第四到六层基体粉末转速和隔热材料粉末转速的比值为5：3；第七到八层基体粉末转速和隔热材料粉末转速的比值为2：5；第九到二十层单筒隔热材料送粉，粉末转速为0.3r/min到0.7r/min之间。
优选的，在所述路径规划步骤中，轨迹规划时采用分区切块和应力仿真。
根据本发明提供的一种承力防隔热梯度材料与结构增材制造系统，包括如下模块：
成分设计模块：对功能梯度材料进行成分设计；
结构设计模块：对功能梯度材料进行结构设计；
路径规划模块：基于结构设计进行轨迹规划；
结构成型模块：基于成分设计和轨迹规划进行功能梯度材料的结构成型。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的热防护结构设计方法，相比于现有热防护结构，摈弃了以往独立承载与独立防热的结合，实现了承力中渗透隔热，隔热中包涵承载的“1+1>2”集成，并采用复合增减材制造的方法实现了一体化结构制造，解决了现阶段机械连接过程自动化、轻量化程度低的问题，并大幅提升制造效率，具有良好的产业化前景；
2、本发明基于热防护结构功能需求，对钛合金/陶瓷材料接合进行梯度材料设计，实现结构材料向功能材料的有序转变，得到的成形件内部应力小，不易产生裂纹缺陷；
3、本发明对整体结构进行宏微观梯度过渡设计，提高整体结构轻量化程度和结构功能特性；通过采用不同精度的增材成形设备，实现宏微观结构的一体成型，最终形成承力/功能一体化热防护材料结构设计方法。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的宏观承力结构示意图；
图2为本发明实施例提供的承力-防/隔热梯度材料与结构增材制造流程图；
图3为本发明实施例提供的承力-防/隔热一体化热防护结构三维模型划分图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种承力-防/隔热梯度材料与结构增材制造方法，如图1和图2所示，采用仿真与实验相结合的方法对基体材料&隔热陶瓷梯度材料进行成分设计，对热端结构进行梯度设计。承力-防/隔热中的“-”和“/”均表示“和”。“&”表示“和”。梯度材料-梯度结构不只能应用于承力-防/隔热材料结构制造。基体材料表示初始材料，可以选用任何材料作为基体材料。隔热陶瓷材料不仅限于隔热陶瓷，只要有隔热功能的材料都可以。仿真与实验相结合的方法为后续的有限元仿真与制备试验的结合。
该方法包括如下步骤：成分设计步骤：对功能梯度材料进行成分设计。基于高通量化学成分设计对功能梯度材料进行设计，结合增材制造过程热信息参数，通过有限元仿真和热力学计算确定各梯度层宽度与化学成分的解，得到仿真结果；通过功能梯度材料制备试验、后续成分分布测试和结合性能测试校验仿真结果，获得功能梯度材料的成分设计。
具体为，仿真与实验相结合的方法包括：基于高通量化学成分设计对功能梯度材料(承力-防/隔热梯度材料或者说是基体材料-隔热陶瓷梯度材料)进行设计，结合增材制过程热信息参数，通过有限元仿真、热力学计算等方法确定各梯度层宽度与化学成分的最优解(得到功能梯度材料的成分及成分的配比)，最终通过功能梯度材料制备试验、后续成分分布测试、结合性能测试校验仿真结果的真实性(验证功能梯度材料的成分设计)。并据此制造功能梯度材料的原材料粉末。
结构设计步骤：对功能梯度材料进行结构设计。采用生物结构对承力区进行仿生设计，采用仿真优化方法对蒙皮区进行设计，采用蜂窝仿生学对隔热区进行设计，根据热流仿真结果对防热区进行结构设计，得到功能梯度材料的结构设计为承力防隔热一体化热防护结构三维模型。
具体为，所述梯度的热端结构包括：采用仿蛛网藻、龟甲、蜣螂壳体等生物结构对宏观承力骨架结构进行仿生设计，采用仿真优化方法对蒙皮区厚度进行设计，采用蜂窝仿生学对隔热区进行设计，根据热流仿真结果对防热区进行结构设计。
路径规划步骤：基于结构设计进行轨迹规划。将承力防隔热一体化热防护结构三维模型划分为宏观的承力区模型、宏观的蒙皮区模型、微观的隔热区模型和微观的防热区模型四部分，进行分层切片与轨迹规划，得到承力防隔热梯度结构成形轨迹。轨迹规划时采用分区切块和应力仿真。
具体为，将所设计的承力-防/隔热一体化热防护结构三维模型划分为宏观的承力结构模型和蒙皮模型、微观的隔热区模型和防热区模型四部分，进行分层切片与轨迹规划。采用robotmaster软件对整个承力-防/隔热一体化热防护结构进行分层切片。分层切片是增材制造过程中的必要途径：增材制造是逐层堆叠而成，因此首先要把样件切成n层，再对每一层进行路径规划，设备根据这个路径规划走就能得到目标样件。其中，轨迹规划采用分区切块+应力仿真的方法减少大尺寸结构内应力集中问题。即将承力-防/隔热梯度结构的三维模型划分为宏观的承力结构模型和蒙皮模型、微观的梯度材料过渡隔热区和防热区四部分，逐步结构梯度过渡。采用分区切块+应力仿真的方法减少大尺寸结构内应力集中问题，最后进行分层切片与轨迹规划。由于大型结构整件制造过程必然产生内应力，导致零件开裂，为了解决这个问题，采用力学模拟软件例如：Marc,Abaqus对结构增材过程中应力场进行仿真，得到结构内部应力值大小和集中区域，如果应力集中区域在结构的薄弱环节，则对该区域切块处理，将应力集中区域转移到不薄弱环节。对承力结构部分进行分区切块和应力仿真。首先应力仿真，再进行分区切块，再进行应力仿真校核，再进行分层切片，再进行轨迹规划
结构成型步骤：基于成分设计和轨迹规划进行功能梯度材料的结构成型。将承力防隔热梯度结构成形轨迹导入复合增减材系统，将基板装入定位销钉中，并对设备原点进行标定；将功能梯度材料的各种成分的原材料粉末分别装入对应的送粉筒内，向增材成形腔体内通入氩气；当增材成型腔体内部氧含量低于预定含量后，在基板上先成形宏观结构，后成形微观结构。
具体为，将规划的成形轨迹(承力-防/隔热梯度结构成形轨迹)导入复合增减材系统，将基板(自制基板)装入定位销钉中，并对设备原点进行标定。随后，将基体材料/隔热陶瓷原材料粉末分别装入送粉筒内，向增材成形腔体内通入高纯氩气。当腔体内部氧含量低于50ppm后，在基板上，先成形宏观结构，然后成形微观结构。定位销钉属于工装，针对不同样件的工装不一致，是根据加工产品而定制化的定位结构。设备原点用于建立实际模型与机床模型关联的一个点。试验前，首先要建立现实与虚拟机床模型的关系。高纯氩气是根据现有材料决定的，不同的材料所用的保护气是不一样的。宏观结构是指的承力区和蒙皮区，微观结构是指隔热区和防热区。
宏观结构采用复合增减材系统中的四束流大功率增材设备成形保证成形效率，成形尺寸至少为5mm；微观结构采用复合增减材系统中的小功率环形激光送粉设备成形保证点阵精度，成形尺寸为至少为80μm。
具体为，复合增减材系统包括四束流大功率增材设备、小功率环形激光送粉设备和打磨设备。宏观结构采用四束流大功率增材设备成形保证成形效率，最小成形尺寸为5mm；微观结构采用小功率环形激光送粉设备成形保证点阵精度，最小成形尺寸为80μm。先构建承力区，在承力区上构建蒙皮区，在蒙皮区背离承力区的一侧构建隔热区，在隔热区背离蒙皮区的一侧构建防热区，然后在防热区内填充耐烧蚀橡胶。
四束流大功率增材设备将送粉器输送的粉末熔化凝固得到承力区和蒙皮区，承力区粉末转速是1.5～2.0r/min，蒙皮区转速0.9～1.4r/min，通过调节程序中的送粉转速实现参数变化。小功率环形激光送粉设备将输送的粉末融化凝固得到隔热区和防热区，隔热区和防热区转速在0.3～0.8r/min。“～”表示“到”或者“至”。
所述微观结构成形之前，对宏观结构进行去应力退火处理，退火温度为200～600℃，随后通过复合增减材系统中的打磨设备进行减材打磨处理至表面粗糙度为预定值。具体为，微观结构成形之前，对宏观结构进行去应力退火处理，退火温度为200～600℃，随后进行减材打磨处理至表面粗糙度为3.2。
微观结构成形过程中通过改变送粉器双筒粉末转速实现梯度材料变化：第一到三层单筒基体送粉，粉末转速为0.4r/min到0.8r/min之间；第四到六层基体粉末转速和隔热材料粉末转速的比值为5：3；第七到八层基体粉末转速和隔热材料粉末转速的比值为2：5；第九到二十层单筒隔热材料送粉，粉末转速为0.3r/min到0.7r/min之间。
具体为，微观结构成形过程中通过改变送粉器双筒粉末转速实现梯度材料变化：第1～3层单筒基体送粉，粉末转速为0.4～0.8r/min；第4～6层基体粉末转速：隔热陶瓷粉末转速＝5：3；第7～8层基体粉末转速：隔热陶瓷粉末转速＝2：5；第9～20层单筒隔热陶瓷送粉，粉末转速为0.3～0.7r/min。层数指的是材料梯度过渡区域的层数。第1层是指的材料梯度过渡区域的第1层，也就是蒙皮向隔热结构过渡的第一层。第4～6层中基体粉末0.25～0.5r/min，陶瓷粉末0.11～0.26r/min，第7～8层基体粉末0.11-0.23r/min，陶瓷粉末0.21-0.5r/min。
本发明实施例一还公开了一种承力防隔热梯度材料与结构增材制造系统，包括如下模块：成分设计模块：对功能梯度材料进行成分设计。结构设计模块：对功能梯度材料进行结构设计。路径规划模块：基于结构设计进行轨迹规划；结构成型模块：基于成分设计和轨迹规划进行功能梯度材料的结构成型。
本实施例二公开一种用于一种返回舱防热大底梯度材料与结构增材制造方法，包括以下步骤：承力-防/隔热梯度材料与结构设计：采用实验与模拟相结合的方法对TC4/陶瓷梯度转变过程进行成分设计，采用梯度过渡方法对返回舱防热大底承力结构进行结构设计。钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(α+β)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能。
具体的，上述实验与模拟相结合的方法包括：基于TC4基因组数据库，通过计算机模拟的方法进行高通量材料集成计算，基于单元构建与高通量筛选进行陶瓷材料化学成分设计，得到理想陶瓷材料Al2O3。在此基础上，结合增材制造过程TC4/Al2O3热信息参数，通过MSC、Ansys、Abaqus等有限元仿真方法确定TC4向陶瓷材料过渡梯层宽度与成分的最优解指导后续增材实验，最终通过TC4/陶瓷材料功能梯度材料制备实验、成分分布测试、结合强度测试等校验仿真结果的真实性。氧化铝(Al2O3，aluminium oxide)是一种无机物。
具体的，上述梯度过渡设计包括：采用仿生原理对宏观承力骨架结构进行仿生设计，体结构包括放射状径向脊、周向环形脊、边缘区次生脊，如图1所示。其中放射状径向脊作为主承力结构，筋板尺寸大，周向环形脊和边缘次生脊作为次承力结构，筋板尺寸小，同时周向环形脊由中心向边缘逐渐稀疏。采用Abaqus力学仿真计算方法对蒙皮区厚度进行设计，采用蜂窝仿生学对隔热区进行设计，根据fluent热流仿真结果对防热区进行结构设计。
承力-防/隔热梯度材料与结构增材制造，具体流程如图2所示：将所设计的承力-防/隔热一体化热防护结构三维模型划分为宏观承力模型、蒙皮模型、微观隔热区、防热区四部分，如图3所示，并采用分区切块+应力仿真的方法减少大尺寸结构内应力集中问题，最后进行分层切片与轨迹规划。
将生成的承力-防/隔热一体化热防护结构成形轨迹导入由四束流大功率增材设备、小功率环形激光送粉设备和打磨设备构成的复合增减材系统，将钛合金基板装入定位销钉中，并对设备原点进行标定。随后，将钛合金/隔热陶瓷原材料粉末分别装入送粉筒内，向增材成形腔体内通入高纯氩气。
当腔体内部氧含量低于50ppm后，在钛合金基板上，先采用四束流大功率增材设备成形钛合金放射状径向脊+周向环形脊结构、次生脊、蒙皮结构成形。然后对承力结构(承力区和蒙皮区)进行去应力退火处理，退火温度为200-600℃，随后进行减材打磨处理至表面粗糙度为3.2。最终采用小功率环形激光送粉设备成形微观梯度结构。其中，通过改变送粉器双筒粉末转速实现梯度材料变化：第1-3层单筒钛合金送粉，粉末转速为0.4-0.8r/min；第4-6层钛合金粉末转速：陶瓷粉末转速＝5：3；第7-8层钛合金粉末转速：陶瓷粉末转速＝2：5；第9-20层单筒陶瓷送粉，粉末转速为0.3-0.7r/min。通过浸置、加压填充、整体烧结等工艺，用耐烧蚀橡胶填充防热区，得到承力-防/隔热一体化热防护结构。
本发明的承力-防/隔热梯度材料与宏微观结构增材制造方法，满足基体材料与隔热陶瓷材料梯度成形的同时，解决宏观结构/微观结构过渡的成形难题，实现热防护承力结构“1+1>2”的一体化成形。本发明的承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法，属于增材制造技术领域，主要应用于承载热端部件制造，实现承力-防/隔热梯度材料与结构一体化。本发明包括的步骤是：基体材料&隔热陶瓷梯度材料成分设计、宏观承力结构-微观功能梯度结构设计及仿生建模、增材路径规划、结构成形四个步骤。本发明在承力-防/隔热材料结构制造中引入一体成形的增材制造技术，解决了现阶段高承载热端部件机械连接过程自动化、轻量化程度低的问题，大幅提升制造效率。此外，增加了梯度结构过渡特性，扩大了增材制造的应用领域和应用前景。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
成分设计步骤：对功能梯度材料进行成分设计；
结构设计步骤：对功能梯度材料进行结构设计；
路径规划步骤：基于结构设计进行轨迹规划；
结构成型步骤：基于成分设计和轨迹规划进行功能梯度材料的结构成型；
在所述成分设计步骤中，基于高通量化学成分设计对功能梯度材料进行设计，结合增材制造过程热信息参数，通过有限元仿真和热力学计算确定各梯度层宽度与化学成分的解，得到仿真结果；通过功能梯度材料制备试验、后续成分分布测试和结合性能测试校验仿真结果，获得功能梯度材料的成分设计；
在所述结构设计步骤中，采用生物结构对承力区进行仿生设计，采用仿真优化方法对蒙皮区进行设计，采用蜂窝仿生学对隔热区进行设计，根据热流仿真结果对防热区进行结构设计，得到功能梯度材料的结构设计为承力防隔热一体化热防护结构三维模型；
在所述路径规划步骤中，将承力防隔热一体化热防护结构三维模型划分为宏观的承力区模型、宏观的蒙皮区模型、微观的隔热区模型和微观的防热区模型四部分，进行分层切片与轨迹规划，得到承力防隔热梯度结构成形轨迹；
在所述结构成型步骤中，将承力防隔热梯度结构成形轨迹导入复合增减材系统，将基板装入定位销钉中，并对设备原点进行标定；
将功能梯度材料的各种成分的原材料粉末分别装入对应的送粉筒内，向增材成形腔体内通入氩气；
当增材成型腔体内部氧含量低于预定含量后，在基板上先成形宏观结构，后成形微观结构。
2.根据权利要求1所述承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法，其特征在于，在所述结构成型步骤中，宏观结构采用复合增减材系统中的四束流大功率增材设备成形保证成形效率，成形尺寸至少为5mm；微观结构采用复合增减材系统中的小功率环形激光送粉设备成形保证点阵精度，成形尺寸为至少为80μm。
3.根据权利要求1所述承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法，其特征在于，在所述结构成型步骤中，所述微观结构成形之前，对宏观结构进行去应力退火处理，退火温度为200-600℃，随后通过复合增减材系统中的打磨设备进行减材打磨处理至表面粗糙度为预定值。
4.根据权利要求1所述承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法，其特征在于，在所述结构成型步骤中，微观结构成形过程中通过改变送粉器双筒粉末转速实现梯度材料变化：第一到三层单筒基体送粉，粉末转速为0.4r/min到0.8r/min之间；第四到六层基体粉末转速和隔热材料粉末转速的比值为5：3；第七到八层基体粉末转速和隔热材料粉末转速的比值为2：5；第九到二十层单筒隔热材料送粉，粉末转速为0.3r/min到0.7r/min之间。
5.根据权利要求1所述承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法，其特征在于，在所述路径规划步骤中，轨迹规划时采用分区切块和应力仿真。
6.一种承力防隔热梯度材料与结构增材制造系统，其特征在于，应用权利要求1-5任一所述的承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法，包括如下模块：
成分设计模块：对功能梯度材料进行成分设计；
结构设计模块：对功能梯度材料进行结构设计；
路径规划模块：基于结构设计进行轨迹规划；
结构成型模块：基于成分设计和轨迹规划进行功能梯度材料的结构成型。
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