CN117340275A - 一种点阵填充材料及其增材制造方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种点阵填充材料及其增材制造方法和应用，涉及增材制造技术领域。本申请通过对点阵填充材料进行结构、成分设计，实现对点阵填充材料的性能设计，通过选择合适的点阵单胞结构按照一定空间排列方式规则排列形成用于乏燃料运输容器减震器的点阵填充材料。本申请通过对点阵填充材料的个性化设计实现对点阵填充材料的结构、性能、成分的精准调控，达到真正意义上的设计制造一体化，同时由于点阵填充材料具有更好的热稳定性、较低的各向异性、内部结构均匀、设计‑制造一致性高等优势，有助于开发更多满足各种工况性能要求的乏燃料运输容器减震器。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）增材制造领域，具体涉及一种点阵填充材料及其增材制造方法和应用。
背景技术
随着核能源的逐渐发展，核燃料被大量使用，其相应的乏燃料也会不断增加。由于乏燃料中含有大量的放射性元素，具有很强的放射性，因此必须将其妥善处理。
乏燃料放射性活度大、衰变热大，含有相当量的可裂变材料，且乏燃料的运输距离长，当运输不当发生碰撞时，会造成泄露，进而产生极大危害。为保证在起吊、运输过程中乏燃料运输容器的安全性，须在乏燃料运输容器的上下两端安置减震器。减震器作为乏燃料运输容器的关键部件，起着吸收能量、控制过载和保证结构完整性的重要作用，主要由内部的填充材料与外部的钢板组成，内部填充材料是关键组成部分，主要性能为缓冲吸能，原理是在受到外部载荷冲击作用时，填充材料发生变形吸收能量，外部的钢板起到包覆内部填充材料的作用，保证减震器结构的完整性。减震器的设计要合理，尺寸要适当。通常而言，填充材料的强度虽要弱于需保护物体的强度，但也要保证在一定的范围内，既不能太高以防止起不到减震的作用，也不能太低，避免减震效果太差。填充材料必须要有一定的强度与塑性，满足静止时的支撑防护作用以及承受外载时的减震吸能效果。
到目前为止，应用最广的乏燃料运输容器减震器填充材料为木材、泡沫铝和聚氨酯泡沫。对于木制填充材料而言，虽然木材有很好的吸能性能，但其吸能性能强烈地依附于其纹理方向，且木材对湿热条件的耐受力不强，同时木材的砍伐对环境也会造成很大的危害。此外，对于聚氨酯泡沫而言，体积大小决定了其吸能能力，若要吸收大量能量需要较大体积的聚氨酯泡沫。泡沫铝则由于成形工艺特点决定了内部孔隙结构不均，成形质量难以控制，性能特性具有随机性，内部孔隙结构不均，成形质量不均匀，性能特性一致性较差。由于这三种材料自身具有缺陷，导致乏燃料运输容器的寿命与使用性能受到了很大限制。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明所要解决的第一技术问题是提供一种点阵填充材料；本发明所要解决的第二技术问题是提供点阵填充材料的增材制造方法；本发明所要解决的第三技术问题是提供点阵填充材料在制备乏燃料运输容器减震器中的应用。
第一方面，本申请提供一种点阵填充材料，包括以下步骤：
S1、设计不同点阵单胞结构，有限元分析点阵单胞结构性能，并建立不同点阵单胞结构与有限元分析力学、隔热、减震吸能要求的映射关系，构建结构-性能库；
S2、获取乏燃料运输容器减震器的工况载荷参数，有限元分析乏燃料运输容器减震器所需填充材料的实际性能需求，从结构-性能库中选择适合的点阵单胞结构，导入构件实体模型，生成点阵填充材料的实体模型；
S3、对点阵填充材料的实体模型进行性能仿真分析，判断所选点阵单胞结构是否满足乏燃料运输容器减震器所需填充材料的实际性能需求；若满足，则进行SLM增材制造；若不满足，则重新选择点阵单胞结构直至满足乏燃料运输容器减震器所需填充材料的实际性能需求；
S4、将点阵填充材料的实体模型生成三维数字模型；
S5、将三维数字模型进行切片分层，生成每层的二维图像轮廓，根据每层的二维图像轮廓生成特定的激光扫描路径，按照特定的激光扫描路径进行逐层加工；
S6、激光器发射激光束，依次通过扫描振镜、聚焦透镜、激光窗口，落在金属基板上的铺粉层上，按照激光扫描路径对金属基板上的铺粉层的金属粉末进行激光选区熔化成形，逐层加工点阵结构构件，形成用于乏燃料运输容器减震器的点阵填充材料。
在本申请的一种实施方式中，所述点阵单胞结构排列组阵形成一种周期性空间结构，即点阵结构。
在本申请的一种实施方式中，所述点阵单胞结构可包括三周期最小面结构、面心立方结构、体心立方结构。
在本申请的一种实施方式中，所述点阵结构可包括体心立方结构、面心立方结构、密排立方结构。
在本申请的一种实施方式中，所述点阵结构可选自面心立方结构，大孔径为4.4mm，小孔径为1.6mm，单胞尺寸为5.7mm×5.7mm×5.7mm，点阵结构孔隙率为92%。
在本申请的一种实施方式中，所述点阵结构可选自体心立方结构，孔径为5.02mm，单胞尺寸为5mm×5mm×5mm，点阵结构孔隙率为92%。
在本申请的一种实施方式中，点阵填充材料是由激光粉末床融合技术制造成形。
在本申请的一种实施方式中，激光粉末床融合技术包括激光选区熔化和激光选区烧结。
在本申请的一种实施方式中，点阵填充材料是通过金属粉末进行激光选区熔化成形，是一种金属结构材料。
在本申请的一种实施方式中，金属粉末可包括铁合金粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、铜合金粉末、不锈钢粉末和高熵合金粉末。
在本申请的一种实施方式中，将三维数字模型按照20～120μm层厚切片分层。
在本申请的一种实施方式中，金属基板上涂抹有除锈除油剂对金属基板表面除锈除油。
在本申请的一种实施方式中，对金属基板表面除锈除油后，装夹定位，用刮刀将金属粉末均匀铺设在金属基板上形成铺粉层。
在本申请的一种实施方式中，所述铺粉层的厚度不大于切片分层的厚度。
在本申请的一种实施方式中，激光选区熔化成形的工艺参数为：激光器采用300～600w光纤激光器；激光功率范围为20%～80%w；光斑直径为0.1～0.6mm；扫描速度为600～1200mm/s；搭接率为10%～50%；金属基板的厚度为10～30mm。
在本申请的一种实施方式中，激光选区熔化成形过程是在惰性保护气氛中进行。
在本申请的一种实施方式中，激光选区熔化成形过程是在氩气保护气氛中进行。
在本申请的一种实施方式中，氩气保护气氛为99 .99%的高纯氩气。
在本申请的一种实施方式中，点阵结构构件形成后，还包括后处理（例如热处理、清洗等），提高点阵结构构件质量。
第二方面，本申请提供一种由上述增材制造方法制备得到的点阵填充材料。
第三方面，本申请提供上述制得的点阵填充材料在制备乏燃料运输容器减震器中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本申请通过对点阵填充材料进行结构、成分设计，进而实现对点阵填充材料的性能设计，选择合适的点阵单胞结构并按照一定空间排列方式规则排列形成用于乏燃料运输容器减震器的点阵填充材料，本申请通过对点阵填充材料的个性化设计实现对点阵填充材料的结构、性能、成分的精准调控，达到真正意义上的设计制造一体化，同时由于点阵填充材料具有更好的热稳定性、较低的各向异性、内部结构均匀、设计-制造一致性高等优势，解决了填充材料在成分、性能和结构控制上存在较大难度，无法按照要求进行精准设计的问题，有助于开发更多满足各种工况性能要求的乏燃料运输容器减震器。
附图说明
图1是本发明点阵填充材料的增材制造流程图；
图2是本发明点阵填充材料填充乏燃料运输容器减震器示意图；图中，A为圆柱体虚线区域；
图3是图2中的A的局部放大图；
图4是本发明点阵填充材料的单胞结构示意图；
图5是本发明点阵填充材料的圆块砖示意图；
图6是本发明点阵填充材料的圆块砖实物图；
图7是本发明实施例1面心立方排列点阵填充材料的应力-应变和吸能效率曲线图；
图8是本发明实施例2体心立方排列点阵填充材料的应力-应变和吸能效率曲线图；
图9是本发明点阵填充材料增材制造的过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定，给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的，选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的，并且可以进行任意地组合，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。
实施例1
一种用于制造乏燃料运输容器减震器的点阵填充材料，是由金属点阵结构单元构成，采用激光选区熔化成形方法制得，其实施流程如图1所示，具体如下：
（1）性能-结构设计：
S1：根据有限元分析力学、隔热、减震吸能要求，设计不同乏燃料运输容器减震器点阵填充材料单胞结构；
S2：建立不同单胞结构与力学、隔热、减震吸能要求的映射关系，构建结构-性能库；
S3：分析实际工况下，乏燃料运输容器减震器的性能需求；
S4：根据减震器各部分性能需求（如图2-图3所示分别为点阵填充材料填充乏燃料运输容器减震器的示意图与图2中的A的局部放大图，乏燃料运输容器两端的减震器内部均为点阵填充材料），从结构-性能库中选用如图4所示面心立方排布，大孔径为4.4mm，小孔径为1.6mm，单胞尺寸为5.7mm×5.7mm×5.7mm的点阵单胞结构，点阵结构孔隙率为92%，导入构件实体模型，生成点阵填充材料的实体模型；
S5：从厚度方向，将单胞结构阵列排布，生成一个连续的几何构件模型即点阵填充材料的实体模型，如图5所示是一个圆块砖模型；
S6：对点阵填充材料实体模型进行性能仿真分析，判断所选点阵单胞结构是否满足设计要求，若满足，则进行SLM成形制造，若不满足，则重复步骤S4、S5和S6进行点阵单胞结构优化，直到满足设计要求。
（2）设计-成形制造：
1）将圆块砖模型生成三维数字模型导入切片软件中，按30μm层厚切片分层，生成每层的二维图像轮廓，然后根据二维图像轮廓生成特定的激光扫描路径，从而按照每层的点阵结构进行逐层加工；
2）对金属基板表面除锈除油，装夹定位，设定成形仓加工工艺参数；
3）如图9所示，金属粉末放入送粉仓内（金属粉末可包括铁合金粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、铜合金粉末、不锈钢粉末和高熵合金粉末，本实施例选择钛合金粉末）；通过刮刀将金属粉末均匀地铺设在10mm厚的金属基板上，金属基板放在成形仓内，金属粉末的铺设厚度限定在步骤1）中切片分层的厚度要求内；
4）激光器发射激光束，通过扫描振镜、聚焦透镜、激光窗口，最终落在铺粉层上，按照激光扫描路径对金属粉末进行激光选区熔化；其中采用的激光功率为200W、光斑直径为0.1mm、扫描速度为1200mm/s，完成一层点阵结构加工；成形仓按照设定下降一个层厚的距离，送粉仓按照设定上升一个层厚的距离，通过刮刀在形成的一层点阵结构上再次铺设金属粉末，金属粉末铺设厚度符合步骤1）中切片分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对金属粉末层进行选择性熔化，相邻点阵结构加工时，激光束扫描方向相反，减小层间的应力集中，其中采用的激光功率为200W、光斑直径为0.1mm、扫描速度为1200mm/s，完成另一层点阵结构加工；
5）按照步骤4）的方法进行反复操作，完成点阵填充材料圆块砖制造，得到如图6所示的点阵填充材料圆块砖实物；
6）对步骤5）制得的点阵填充材料圆块砖进行相关性能检测，得到如图7的点阵填充材料的应力-应变和吸能效率曲线，并进行性能最终检测评估。
实施例2
一种用于制造乏燃料运输容器减震器的点阵填充材料，是由金属点阵结构单元构成，采用激光选区熔化成形方法制得，其具体实施步骤如下：
（1）性能-结构设计：
S1：根据有限元分析力学、隔热、减震吸能要求，设计乏燃料运输容器减震器点阵填充材料单胞结构；
S2、建立不同单胞结构与力学、隔热、减震吸能要求的映射关系，构建结构-性能库；
S3、分析实际工况下，乏燃料运输容器减震器的性能需求；
S4、根据减震器各部分性能需求，从结构-性能库中选用体心立方排布，孔径为5.02mm，单胞尺寸为5mm×5mm×5mm的点阵单胞结构，点阵结构孔隙率为92%，导入构建实体模型；
S5、以厚度方向，将单胞结构阵列排布，生成一个连续的几何构件模型即点阵填充材料的实体模型；
S6、对点阵填充材料实体模型进行性能仿真分析，判断所选点阵单胞结构是否满足设计要求，若满足，则进行SLM成形制造，若不满足，则重复步骤S4、S5和S6进行点阵单胞结构优化，直到设计满足设计要求。
（2）设计-成形制造：
1）将点阵填充材料的实体模型生成三维数字模型导入切片软件中，按30μm层厚切片分层，生成每层的二维图像轮廓，然后根据二维图像轮廓生成特定的激光扫描路径，从而按照每层的点阵结构进行逐层加工；
2）对金属基板表面除锈除油，装夹定位，设定成形仓加工工艺参数；
3）如图9所示，金属粉末放入送粉仓内（金属粉末可包括铁合金粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、铜合金粉末、不锈钢粉末和高熵合金粉末，本实施例选择316L不锈钢粉末）；通过刮刀将金属粉末均匀地铺设在10mm厚的金属基板上，金属基板放在成形仓内，金属粉末的铺设厚度限定在步骤1）中分层的厚度要求内；
4）激光器发射激光束，通过扫描振镜、聚焦透镜、激光窗口，最终落在铺粉层上，按照扫描路径对金属粉末进行激光选区熔化；其中采用的激光功率为200W、光斑直径为0.1mm、扫描速度为1200mm/s，完成一层点阵结构加工；成形仓按照设定下降一个层厚的距离，送粉仓按照设定上升一个层厚的距离，通过刮刀在形成的一层点阵结构上再次铺设金属粉末，金属粉末铺设厚度符合步骤1）中切片分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对金属粉末层进行选择性熔化，相邻点阵结构加工时，激光束扫描方向相反，减小层间的应力集中，其中采用的激光功率为200W、光斑直径为0.1mm、扫描速度为1200mm/s，完成另一层点阵结构加工；
5）按照步骤4）的方法进行反复操作，完成点阵填充材料圆块砖制造；
6）对步骤5）制得的点阵填充材料圆块砖进行相关性能检测，得到如图8的点阵填充材料的应力-应变和吸能效率曲线，并进行性能最终检测评估。
本申请中出现的电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种点阵填充材料的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设计不同点阵单胞结构，有限元分析点阵单胞结构性能，并建立不同点阵单胞结构与力学、隔热、减震吸能的映射关系，构建结构-性能库；
S2、获取乏燃料运输容器减震器的工况载荷参数，有限元分析乏燃料运输容器减震器所需填充材料的实际性能需求，从结构-性能库中选择适合的点阵单胞结构，导入构件实体模型，生成点阵填充材料的实体模型；
S3、对点阵填充材料的实体模型进行性能仿真分析，判断所选点阵单胞结构是否满足乏燃料运输容器减震器所需填充材料的实际性能需求；若满足，则进行SLM增材制造；若不满足，则重新选择点阵单胞结构直至满足乏燃料运输容器减震器所需填充材料的实际性能需求；
S4、将点阵填充材料的实体模型生成三维数字模型；
S5、将三维数字模型进行切片分层，生成每层的二维图像轮廓，根据每层的二维图像轮廓生成特定的激光扫描路径，按照特定的激光扫描路径进行逐层加工；
S6、激光器发射激光束，依次通过扫描振镜、聚焦透镜、激光窗口，落在金属基板上的铺粉层上，按照激光扫描路径对金属基板上的铺粉层的金属粉末进行激光选区熔化成形，逐层加工点阵结构构件，形成用于乏燃料运输容器减震器的点阵填充材料。
2.根据权利要求1所述的点阵填充材料的增材制造方法，其特征在于，将三维数字模型按照20～120μm层厚切片分层。
3.根据权利要求1所述的点阵填充材料的增材制造方法，其特征在于，金属基板上涂抹有除锈除油剂对金属基板表面除锈除油。
4.根据权利要求3所述的点阵填充材料的增材制造方法，其特征在于，对金属基板表面除锈除油后，装夹定位，用刮刀将金属粉末均匀铺设在金属基板上形成铺粉层。
5.根据权利要求3所述的点阵填充材料的增材制造方法，其特征在于，所述金属粉末包括铁合金粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、铜合金粉末、不锈钢粉末和高熵合金粉末。
6.根据权利要求3所述的点阵填充材料的增材制造方法，其特征在于，所述铺粉层的厚度不大于切片分层的厚度。
7.根据权利要求1所述的点阵填充材料的增材制造方法，其特征在于，激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率范围为20%～80%w；光斑直径为0.1～0.6mm；扫描速度为600～1200mm/s；搭接率为10%～50%；金属基板的厚度为10～30mm。
8.权利要求1至7任一项权利要求所述的增材制造方法制备得到的点阵填充材料。
9.权利要求8所述的点阵填充材料在制备乏燃料运输容器减震器中的应用。
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