一種梯度材料的雷射快速製備成形方法
2023-10-18 20:12:39 1
專利名稱：一種梯度材料的雷射快速製備成形方法
技術領域：
本發明是一種涉及材料科學領域中梯度材料製備成形的方法。
在通常條件下，一般材料中分散相是均勻分布的，整體材料的性能是同一的，但是在有些情況下，人們常常希望同一件材料的不同部分具有不同的性質或功能，如材料的不同使用表面，或材料的表面和內部等等，同時，還希望不同性能的部分結合得完美，從而不至於在苛刻的使用條件下因性能不匹配而發生破壞。1984年，日本科學家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新設想和新概念，並展開研究。這種全新的材料設計概念的基本思想是根據具體要求，選擇使用兩種具有不同性能的材料，通過連續地改變兩種材料的組成和結構，使其內部界面消失，從而得到功能相應於組成和結構的變化而漸變的非均質材料，以減小和克服結合部位的性能不匹配因素。
目前已開發的梯度材料製備方法主要有化學氣相沉積法、物理蒸發法、等離子噴塗法、顆粒梯度排列法、自蔓延高溫合成法、液膜直接成型法、薄膜浸滲成型法、增分熔凝凝固法以及雷射塗覆等。
但是，受其製備工藝所限，這些梯度材料製備方法大多僅能用來製備成形薄膜或小塊體材料，影響了梯度材料在工業領域的應用。如目前大多數雷射塗覆法只是用來在材料表面製備簡單的層狀梯度保護塗層，且梯度結構不能精確控制。
為了解決大塊體梯度材料的快速成形製備技術，本發明提出了一種新的梯度材料的雷射快速成形技術。
本發明的目的是利用雷射塗覆的方法實現的。
首先在計算機中生成梯度材料零件的三維CAD模型，並根據加工精度和梯度結構設計要求將該模型按一定的厚度分層「切片」，即將零件的三維數據信息轉換成一系列的二維平面數據，然後，根據每一層的平面數據確定雷射束掃描的軌跡，生成加工程序，並將之傳遞給數控工作檯，由數控工作檯實現雷射束按照加工程序確定的掃描軌跡進行掃描，同時根據梯度材料的結構設計要求，精確控制送粉器在零件二維輪廓不同位置上不同材料粉末的送給量，在雷射塗覆過程中同步向雷射熔池中送入不同材料配比的粉末，從而獲得與該平面形狀一致的塗層；在雷射掃描完一層後，雷射頭和送粉噴嘴沿Z軸上升一段距離ΔZ，ΔZ的數值大小與CAD二維切片厚度相等，在按照下一層的掃描軌跡進行掃描，當所有的平面都掃描完成後，同步送粉塗覆即完成，全部層都塗覆完成後，最終形成三維梯度材料實體零件或需進行少量加工的梯度材料毛坯。
在梯度過渡層的製備成形過程中，在不影響整體成分梯度結構的情況下，可以根據結構設計的需要，在梯度過渡區製備成形過程中加入異質組分。
本發明相比現有技術的優點在於(1)對梯度材料中所涉及的配對材料的類型基本沒有限制，可以製備成形多材料任意複合梯度材料；(2)由於雷射塗覆時具有極高的熔化和冷卻速度，所得到的相及組織細小、均勻、緻密；(3)所製備梯度材料的力學性能和耐腐蝕性能大幅度的提高；(4)柔性好(不需專用工具和夾具)、加工速度快、對零件的複雜程度基本沒有限制，能夠成形具有複雜形狀，包括複雜外形和內腔結構甚至封閉內腔的梯度材料；(5)可直接製備梯度材料零件。
附圖
一為梯度材料雷射快速成形系統的示意圖。
下面結合實施例對本發明做進一步描述。
實施例一製備AlSn6Cu-92Pb8Sb類軸瓦梯度材料，內表面為92Pb8Sb合金，由內向外沿徑向以AlSn6Cu體積比從0％到100％進行變化，最外層為AlSn6Cu合金材料。
本實施例的實施過程為1.首先通過計算機[1]對AlSn6Cu-92Pb8Sb類軸瓦梯度材料零件模型進行設計和分層處理在計算機中生成梯度材料零件的三維CAD模型，並根據加工精度和梯度結構設計要求將該模型按一定的厚度分層「切片」，即將零件的三維數據信息轉換成一系列的二維平面數據，形成一系列平行於X-Y平面的雷射束掃描軌跡，並傳送至數控工作檯[8]的數控系統；2.採用用5kW連續CO2雷射器[2]，雷射輸出功率2.5～3.5kW，保護氣[6]為氮氣。
3.雷射束經反射鏡和聚焦鏡[3]後，在基板[8]上形成一定尺寸的雷射熔池，並在數控工作檯[9]的帶動下，按照計算機[1]所生成的掃描軌跡在基材[8]表面進行掃描；4.在雷射束掃描的同時，計算機[1]根據梯度材料的結構設計要求控制送粉器[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，冷凝後得到一層材料[7]。
5.掃描完一層後，雷射束和送粉器噴嘴[4]按程序設定沿Z軸上升一段距離ΔZ，在按照下一層的掃描軌跡線塗覆下一層材料。
全部層都塗覆完後，就得到了AlSn6Cu-92Pb8Sb類軸瓦梯度材料。
實施例二SS316-In690層狀梯度體材料的製備，由於如果在梯度過渡層中僅簡單地以不同材料的體積比從0％到100％進行變化，過渡層中將出現殘餘骨骼狀鐵素體或殘餘共晶鐵素體而造成硬度軟化區，使過渡層的局部性能有所減弱。因此在梯度過渡層的製備成形過程中，在不影響整體成分梯度結構的情況下，適當添加微量其他組分，以消除梯度過渡層中的硬度軟化區，所添加的微量組元X可通過相圖計算和組織模擬確定。
1.首先通過計算機[1]對SS316-In690層狀梯度體材料零件模型進行設計和分層處理在計算機中生成梯度材料零件的三維CAD模型，並根據加工精度和梯度結構設計要求將該模型按一定的厚度分層「切片」，即將零件的三維數據信息轉換成一系列的二維平面數據，形成一系列平行於X-Y平面的雷射束掃描軌跡，並傳送至數控工作檯[8]的數控系統；2.採用用5kW連續CO2雷射器[2]，雷射輸出功率2.5～3.5kW，保護氣[6]為氬氣。
3.雷射束經反射鏡和聚焦鏡[3]後，在基板[8]上形成一定尺寸的雷射熔池，並在數控工作檯[9]的帶動下，按照計算機[1]所生成的掃描軌跡在基材[8]表面進行掃描；
4.在雷射束掃描的同時，計算機[1]根據梯度材料的結構設計要求控制送粉器[5]SS316合金和In690合金以及組分X粉末的配比，同步向熔池中送入混合粉末，冷凝後得到一層材料[7]。
5.掃描完一層後，雷射束和送粉器噴嘴[4]按程序設定沿Z軸上升一段距離ΔZ，再按照下一層的掃描軌跡線塗覆下一層材料。全部層都塗覆完後，就得到了SS316-In690層狀梯度體材料。
實施例三SS316-In690-AlNi3複合梯度體材料的製備，該材料具有複雜的外形和內腔，內腔表層採用IN690-SS316雙體梯度材料，外層為AlNi3材料，該零件存在SS316-In690梯度過渡層，SS316-AlNi3梯度過渡層，In690-AlNi3梯度過渡層以及SS316-In690-AlNi3梯度過渡區。為使不同材料之間成分和性能的平穩過渡，因此在梯度過渡層的製備成形過程中，在不影響整體成分梯度結構的情況下，適當添加微量其他組分，以消除梯度過渡層中的性能弱化區，不同區域所添加的微量組元X1，X2，X3，...，可通過相圖計算和組織模擬確定。
1.對SS316-In690-AlNi3複合梯度體材料零件模型進行設計和分層處理在計算機[1]中生成梯度材料零件的三維CAD模型，並根據加工精度和梯度結構設計要求將該模型按一定的厚度分層「切片」，即將零件的三維數據信息轉換成一系列的二維平面數據，形成一系列平行於X-Y平面的雷射束掃描軌跡，並傳送至數控工作檯[8]的數控系統；2.採用用5kW連續CO2雷射器[2]，雷射輸出功率2.5～3.5kW，保護氣[6]為氬氣。
3.雷射束經反射鏡和聚焦鏡[3]後，在基板[8]上形成一定尺寸的雷射熔池，並在數控工作檯[9]的帶動下，按照計算機[1]所生成的掃描軌跡在基材[8]表面進行掃描；4.在雷射束掃描的同時，計算機[1]根據梯度材料的結構設計要求控制送粉器[5]SS316合金、In690合金以及AlNi3以及組分X1，X2，X3，...粉末的配比，同步向熔池中送入混合粉末，冷凝後得到一層材料[7]。
5.掃描完一層後，雷射束和送粉器噴嘴[4]按程序設定沿Z軸上升一段距離ΔZ，在按照下一層的掃描軌跡線塗覆下一層材料。全部層都塗覆完後，就得到了SS316-In690-AlNi3複合梯度體材料。
權利要求
1.一種梯度材料的雷射快速製備成形方法，a.通過對梯度材料的三維CAD模型進行分層切片處理，將材料的三維數據信息轉換成一系列的二維平面數據；b.沿由二維平面數據所確定的掃描軌跡進行雷射掃描，生成加工程序，並將之傳遞給數控工作檯，由數控工作檯實現雷射束按照加工程序確定的掃描軌跡進行掃描；c.根據梯度材料的結構設計要求，控制送粉器向雷射熔池中送入粉末，進行雷射多層塗覆；d.在雷射掃描完一層後，雷射頭和送粉噴嘴沿Z軸上升一段距離ΔZ，ΔZ的數值大小與CAD二維切片厚度相等，在按照下一層的掃描軌跡進行掃描，其特徵是可根據梯度材料的結構設計要求，調整不同材料粉末的體積比，並控制送粉器在各個二維平面上的不同位置上向雷射熔池同步送入相同或不同配比的粉末，進而在零件的任意部位實現任意的材料和性能、不同材料之間以任意複雜複合梯度過渡。
2.如權利要求1所述的梯度材料，其特徵是可以根據結構設計的需要，在梯度過渡區製備成形過程中加入異質組分。
3.如權利要求1所述的梯度材料的雷射快速製備成形方法的掃描軌跡，其特徵是採用CAD/CAM精確控制掃描軌跡。
4.如權利要求2所述的加入異質組分，其特徵是在雷射塗覆過程中同步控制異質粉末與梯度匹配材料粉末之間的體積和送給量配比。
全文摘要
本發明是一種梯度材料製備成形的方法。為解決大塊體梯度材料的快速成形製備技術，本發明採用雷射塗覆的方法，通過精確控制送粉器在零件各個二維平面上的不同位置、不同材料粉末的送給量，在雷射塗覆過程中同步向雷射熔池中送入不同材料配比的粉末，從而可製備成形多材料任意複合梯度材料。材料相及組織細小、材料緻密，力學性能和耐腐蝕性能大幅度的提高，能直接製備具有複雜結構和形狀的梯度材料及零件。
文檔編號B23K26/08GK1415451SQ0113177
公開日2003年5月7日 申請日期2001年11月2日 優先權日2001年11月2日
發明者黃衛東, 林鑫, 陳靜 申請人:西北工業大學