CN1415451A - 一种梯度材料的激光快速制备成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种梯度材料制备成形的方法。为解决大块体梯度材料的快速成形制备技术，本发明采用激光涂覆的方法，通过精确控制送粉器在零件各个二维平面上的不同位置、不同材料粉末的送给量，在激光涂覆过程中同步向激光熔池中送入不同材料配比的粉末，从而可制备成形多材料任意复合梯度材料。材料相及组织细小、材料致密，力学性能和耐腐蚀性能大幅度的提高，能直接制备具有复杂结构和形状的梯度材料及零件。
Description
本发明是一种涉及材料科学领域中梯度材料制备成形的方法。
在通常条件下，一般材料中分散相是均匀分布的，整体材料的性能是同一的，但是在有些情况下，人们常常希望同一件材料的不同部分具有不同的性质或功能，如材料的不同使用表面，或材料的表面和内部等等，同时，还希望不同性能的部分结合得完美，从而不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏。1984年，日本科学家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新设想和新概念，并展开研究。这种全新的材料设计概念的基本思想是：根据具体要求，选择使用两种具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料，以减小和克服结合部位的性能不匹配因素。
目前已开发的梯度材料制备方法主要有：化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、颗粒梯度排列法、自蔓延高温合成法、液膜直接成型法、薄膜浸渗成型法、增分熔凝凝固法以及激光涂覆等。
但是，受其制备工艺所限，这些梯度材料制备方法大多仅能用来制备成形薄膜或小块体材料，影响了梯度材料在工业领域的应用。如目前大多数激光涂覆法只是用来在材料表面制备简单的层状梯度保护涂层，且梯度结构不能精确控制。
为了解决大块体梯度材料的快速成形制备技术，本发明提出了一种新的梯度材料的激光快速成形技术。
本发明的目的是利用激光涂覆的方法实现的。
首先在计算机中生成梯度材料零件的三维CAD模型，并根据加工精度和梯度结构设计要求将该模型按一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，然后，根据每一层的平面数据确定激光束扫描的轨迹，生成加工程序，并将之传递给数控工作台，由数控工作台实现激光束按照加工程序确定的扫描轨迹进行扫描，同时根据梯度材料的结构设计要求，精确控制送粉器在零件二维轮廓不同位置上不同材料粉末的送给量，在激光涂覆过程中同步向激光熔池中送入不同材料配比的粉末，从而获得与该平面形状一致的涂层；在激光扫描完一层后，激光头和送粉喷嘴沿Z轴上升一段距离ΔZ，ΔZ的数值大小与CAD二维切片厚度相等，在按照下一层的扫描轨迹进行扫描，当所有的平面都扫描完成后，同步送粉涂覆即完成，全部层都涂覆完成后，最终形成三维梯度材料实体零件或需进行少量加工的梯度材料毛坯。
在梯度过渡层的制备成形过程中，在不影响整体成分梯度结构的情况下，可以根据结构设计的需要，在梯度过渡区制备成形过程中加入异质组分。
本发明相比现有技术的优点在于：(1)对梯度材料中所涉及的配对材料的类型基本没有限制，可以制备成形多材料任意复合梯度材料；(2)由于激光涂覆时具有极高的熔化和冷却速度，所得到的相及组织细小、均匀、致密；(3)所制备梯度材料的力学性能和耐腐蚀性能大幅度的提高；(4)柔性好(不需专用工具和夹具)、加工速度快、对零件的复杂程度基本没有限制，能够成形具有复杂形状，包括复杂外形和内腔结构甚至封闭内腔的梯度材料；(5)可直接制备梯度材料零件。
附图一为梯度材料激光快速成形系统的示意图。
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例一
制备AlSn6Cu-92Pb8Sb类轴瓦梯度材料，内表面为92Pb8Sb合金，由内向外沿径向以AlSn6Cu体积比从0％到100％进行变化，最外层为AlSn6Cu合金材料。
本实施例的实施过程为：
1.首先通过计算机[1]对AlSn6Cu-92Pb8Sb类轴瓦梯度材料零件模型进行设计和分层处理：在计算机中生成梯度材料零件的三维CAD模型，并根据加工精度和梯度结构设计要求将该模型按一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，形成一系列平行于X-Y平面的激光束扫描轨迹，并传送至数控工作台[8]的数控系统；
2.采用用5kW连续CO2激光器[2]，激光输出功率2.5～3.5kW，保护气[6]为氮气。
3.激光束经反射镜和聚焦镜[3]后，在基板[8]上形成一定尺寸的激光熔池，并在数控工作台[9]的带动下，按照计算机[1]所生成的扫描轨迹在基材[8]表面进行扫描；
4.在激光束扫描的同时，计算机[1]根据梯度材料的结构设计要求控制送粉器[5]AlSn6Cu合金和92Pb8Sb合金粉末的配比，同步向熔池中送入混合粉末，冷凝后得到一层材料[7]。
5.扫描完一层后，激光束和送粉器喷嘴[4]按程序设定沿Z轴上升一段距离ΔZ，在按照下一层的扫描轨迹线涂覆下一层材料。
全部层都涂覆完后，就得到了AlSn6Cu-92Pb8Sb类轴瓦梯度材料。
实施例二
SS316-In690层状梯度体材料的制备，由于如果在梯度过渡层中仅简单地以不同材料的体积比从0％到100％进行变化，过渡层中将出现残余骨骼状铁素体或残余共晶铁素体而造成硬度软化区，使过渡层的局部性能有所减弱。因此在梯度过渡层的制备成形过程中，在不影响整体成分梯度结构的情况下，适当添加微量其他组分，以消除梯度过渡层中的硬度软化区，所添加的微量组元X可通过相图计算和组织模拟确定。
1.首先通过计算机[1]对SS316-In690层状梯度体材料零件模型进行设计和分层处理：在计算机中生成梯度材料零件的三维CAD模型，并根据加工精度和梯度结构设计要求将该模型按一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，形成一系列平行于X-Y平面的激光束扫描轨迹，并传送至数控工作台[8]的数控系统；
2.采用用5kW连续CO2激光器[2]，激光输出功率2.5～3.5kW，保护气[6]为氩气。
3.激光束经反射镜和聚焦镜[3]后，在基板[8]上形成一定尺寸的激光熔池，并在数控工作台[9]的带动下，按照计算机[1]所生成的扫描轨迹在基材[8]表面进行扫描；
4.在激光束扫描的同时，计算机[1]根据梯度材料的结构设计要求控制送粉器[5]SS316合金和In690合金以及组分X粉末的配比，同步向熔池中送入混合粉末，冷凝后得到一层材料[7]。
5.扫描完一层后，激光束和送粉器喷嘴[4]按程序设定沿Z轴上升一段距离ΔZ，再按照下一层的扫描轨迹线涂覆下一层材料。全部层都涂覆完后，就得到了SS316-In690层状梯度体材料。
实施例三
SS316-In690-AlNi3复合梯度体材料的制备，该材料具有复杂的外形和内腔，内腔表层采用IN690-SS316双体梯度材料，外层为AlNi3材料，该零件存在SS316-In690梯度过渡层，SS316-AlNi3梯度过渡层，In690-AlNi3梯度过渡层以及SS316-In690-AlNi3梯度过渡区。为使不同材料之间成分和性能的平稳过渡，因此在梯度过渡层的制备成形过程中，在不影响整体成分梯度结构的情况下，适当添加微量其他组分，以消除梯度过渡层中的性能弱化区，不同区域所添加的微量组元X1，X2，X3，...，可通过相图计算和组织模拟确定。
1.对SS316-In690-AlNi3复合梯度体材料零件模型进行设计和分层处理：在计算机[1]中生成梯度材料零件的三维CAD模型，并根据加工精度和梯度结构设计要求将该模型按一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，形成一系列平行于X-Y平面的激光束扫描轨迹，并传送至数控工作台[8]的数控系统；
2.采用用5kW连续CO2激光器[2]，激光输出功率2.5～3.5kW，保护气[6]为氩气。
3.激光束经反射镜和聚焦镜[3]后，在基板[8]上形成一定尺寸的激光熔池，并在数控工作台[9]的带动下，按照计算机[1]所生成的扫描轨迹在基材[8]表面进行扫描；
4.在激光束扫描的同时，计算机[1]根据梯度材料的结构设计要求控制送粉器[5]SS316合金、In690合金以及AlNi3以及组分X1，X2，X3，...粉末的配比，同步向熔池中送入混合粉末，冷凝后得到一层材料[7]。
5.扫描完一层后，激光束和送粉器喷嘴[4]按程序设定沿Z轴上升一段距离ΔZ，在按照下一层的扫描轨迹线涂覆下一层材料。全部层都涂覆完后，就得到了SS316-In690-AlNi3复合梯度体材料。
Claims (4)
1.一种梯度材料的激光快速制备成形方法，
a.通过对梯度材料的三维CAD模型进行分层切片处理，将材料的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据；
b.沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹进行激光扫描，生成加工程序，并将之传递给数控工作台，由数控工作台实现激光束按照加工程序确定的扫描轨迹进行扫描；
c.根据梯度材料的结构设计要求，控制送粉器向激光熔池中送入粉末，进行激光多层涂覆；
d.在激光扫描完一层后，激光头和送粉喷嘴沿Z轴上升一段距离ΔZ，ΔZ的数值大小与CAD二维切片厚度相等，在按照下一层的扫描轨迹进行扫描，
其特征是：可根据梯度材料的结构设计要求，调整不同材料粉末的体积比，并控制送粉器在各个二维平面上的不同位置上向激光熔池同步送入相同或不同配比的粉末，进而在零件的任意部位实现任意的材料和性能、不同材料之间以任意复杂复合梯度过渡。
2.如权利要求1所述的梯度材料，其特征是：可以根据结构设计的需要，在梯度过渡区制备成形过程中加入异质组分。
3.如权利要求1所述的梯度材料的激光快速制备成形方法的扫描轨迹，其特征是：采用CAD/CAM精确控制扫描轨迹。
4.如权利要求2所述的加入异质组分，其特征是：在激光涂覆过程中同步控制异质粉末与梯度匹配材料粉末之间的体积和送给量配比。
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