多功能梯度零件的電磁柔性複合熔積直接製備成形方法
2023-08-01 07:12:31
專利名稱：多功能梯度零件的電磁柔性複合熔積直接製備成形方法
技術領域：
本發明屬於先進快速成形技術，具體涉及多功能梯度零件的電磁柔性複合熔積直接製備成形方法，本發明用於抗氧化性、抗蠕變、抗疲勞等多功能的高性能零件的快速成形與製造。
背景技術：
FGM零件的常規製造方法大致可分為粉末冶金法(如固相燒結法、液相燒結法、熔滲法、控制氣氛燒結法、溫度梯度法)和塗層法(如鍍層法、電鑄法、氣相沉積法、溶膠-凝膠法、等離子熔射法)。前一類方法的工藝流程涉及預成形、燒結、調質處理和深加工過程，成形過程與梯度材料製備的燒結過程相分離，製造流程和周期長，影響成品質量的因素較多，保證質量可靠性的技術難度大，能耗大，且需要成形用模具，成本高，很難滿足複雜和大型零部件的梯度材料成形要求。後一類方法一定程度上滿足複雜製件的加工要求，但基體 大都需用模具或機加工成形，梯度層限於表面薄層，不易與基體冶金結合，成形過程與梯度層的製備過程相分離，且其中的化學方法存在製備效率低與廢液汙染問題。這些方法無論哪一種都存在以下主要問題(I)零件成形過程與梯度功能材料的製備過程相分離，製造工藝複雜、流程長，成本高；(2)局限於製造簡單梯度源或表面梯度源的FGM零件，對於增強相與基體材料的物理化學性質差異大的製件，難以按設計來控制材料成分與組織呈梯度分布，以致無法製造面向服役條件的三維複雜梯度材料的高性能零件。所以，迫切需要開發三維複雜梯度零件製備_成形一體化的智能化短流程製造技術。此類高性能零件的成形技術與裝備的綠色化、數位化、智能化是高端製造的重要標誌和發展趨勢。研究開發多功能梯度零件製備成形一體化的智能設計與短流程製造新方法，已成為尖端材料先進成形科學與技術的國際前沿熱點課題和當今世界先進位造科技實力競爭的制高點。
發明內容
本發明的目的在於提供一種多功能梯度零件的電磁柔性複合熔積直接製備成形方法，該方法能夠顆粒增強金屬基多功能梯度零件的熔積成形形狀和成分組織空間分布的自由柔性調控。本發明提供的一種多功能梯度零件的直接製備成形方法，其步驟包括(I)建模及分層處理步驟首先運用三維造型軟體對零件進行建模，然後對所建模型進行分層切片處理，得到分層切片數據；(2)生成數控代碼步驟根據零件的模型分層切片數據和各層尺寸和形狀的特點進行成形路徑規劃，生成成形加工所需的各層數控代碼，保存在一個STL文件中；(3)熔積成形步驟採用氣體保護焊束或雷射束作為基本熱源，控制系統控制熱源按照STL文件中的數控代碼指定的軌跡運行，在基板上將原料粉末或絲材逐層熔積成形，同時對熔池施加磁場作用，直到製作完成零件。本發明以高效、低成本的氣體保護焊束或雷射束等為基本熱源，在電弧三維熔積成形過程中引入靜態磁場或交變磁場或者同時引入二者，在CAD/CAM軟體的支持下，計算機控制熔積槍或工件按設定空間軌跡運動，利用作用於熔池及附近微小區域的電磁複合能量場來加熱熔化理想梯度配比的材料，實現多功能梯度零件的熔積成形形狀和成分組織空間分布的自由柔性調控，使之用於航空、艦船、汽車發動機或能源等領域具有抗氧化性、抗蠕變、抗疲勞等多功能的高性能零部件的開發與生產。具體而言，本發明具有以下顯著的特點和進步(I)以高效、低成本的氣體保護焊束或雷射束作為材料製備與成形一體化的基本 熱源，在熔積成形過程中引入高頻交變磁場或靜態磁場或者同時引入二者，高頻交變磁場在熔積過程中起細化晶粒，鬆弛熱應力，大幅度降低殘餘應力，防止熱裂和翹曲變形，減少或消除熔融材料流淌、坍塌、表面階梯效應；或者使用永磁鐵產生靜態磁場來控制液體金屬的流動、控制液體金屬的形核與生長等凝固過程、減輕體積質量偏析、控制結晶取向等；或者二者複合，產生複合電磁場，綜合影響作用。(2)利用電_磁-熱力複合能量場，誘導晶粒生長方向，控制結晶形態、晶粒度，使晶粒大小、組織形態與成分分布最大限度接近理想梯度設計值，實現新型多功能梯度高溫零件理想組織的自由柔性創製。(3)電磁場僅作用於熔池及附近的局部區域，遠小於現有電磁約束熔體自由成形技術電磁場作用的體積，既能按設計自由調控FGM零件的組織特徵和成分的空間分布、改善成形性，又可避免設備體積和成本的顯著增加，汙染小，是高質量、短流程、低成本的難加工FGM零件的無模直接成形技術。
圖I為簡單薄壁件三維模型圖，圖中，I表示焊道，2表示基板；圖2為簡單曲面三維模型圖，圖中，I表示焊道，2表示基板。
具體實施例方式以高效、低成本的氣體保護焊束或雷射束為基本熱源，在採用這些基本熱源的三維熔積成形過程中引入靜態磁場和交變磁場，在FGM-CAD/CAM軟體的支持下，計算機控制送料單元工作，並按成分空間分布，使熔積槍或工件按設定空間軌跡運動；同時調控電-磁場的複合方式、空間配置與電磁參數使其隨時間變化，利用作用於熔池及附近微小區域的電磁複合能量場來加熱熔化理想梯度配比的材料，並控制其凝固過程的相變、結晶形核和長大，以及再結晶過程的晶粒形核與溶質/增強顆粒的分布，從而實現顆粒增強金屬基多功能梯度零件的熔積成形形狀和成分組織空間分布的自由柔性調控。本發明提供的一種多功能梯度零件的電磁柔性複合熔積直接製備成形方法，其步驟包括(I)建模及分層處理步驟首先運用UG或者PROE三維造型軟體對零件進行建模，模型包括三維坐標尺寸及材料隨空間的分布，然後對所建模型進行分層切片處理，得到分層切片數據；(2)生成數控代碼步驟根據零件的模型分層切片數據和各層尺寸和形狀的特點進行成形路徑規劃，生成成形加工所需的各層數控代碼，保存在一個STL文件中；(3)熔積成形步驟將上述模型的STL文件傳至數控工具機或機器人控制系統中，在數控工具機或機器人懸臂上固定焊槍或雷射頭，同樣固定的還有用來產生交變電磁場的電磁線圈或者用來產生靜態磁場的永磁鐵；採用氣體保護焊束或雷射束作為基本熱源，控制系統控制數控工具機或機器人懸臂帶動焊槍按照STL文件中的數控代碼指定的軌跡運行，在基板上將金屬、金屬間化合物、陶瓷及複合梯度功能材料的粉末或絲材逐層熔積成形，同時對熔池施加磁場作用(高頻交變磁場、靜態磁場或者二者的複合磁場)，交變磁場能對熔池產生攪拌作用，使焊態 下組織碎片化，這些碎片成為再次結晶的晶核，從而起到細化晶粒的作用，而且攪拌作用能減小溫度梯度和化學成分梯度，這樣能起到鬆弛熱應力的作用；而靜態磁場則能使焊態下柱狀晶沿著磁場力方向定向生長，靜態磁場能夠控制液體金屬的流動、控制液體金屬的形核與生長等凝固過程、減輕體積質量偏析、控制結晶取向等。二者複合時則綜合影響作用。多功能梯度零件的電磁柔性複合熔積直接製備成形方法，其特徵在於用來產生交變電磁場的電磁線圈，其頻率為1-350KHZ，匝數為5-50匝，電流為1-500A。而永磁鐵則採用Y30鐵氧體永磁鐵，永磁鐵的物理特性如下表I :表I鐵氧體永磁鐵參數
材料密度 .1:作溫IaHl溫矯力剩鐵內級嬌環力敁人磁能枳 牌 9 g/cmi 度廣C 度/V /KA/m /T/KA/m/KJ/ra3
￥30 i~i iii ii m~m~1-371 Iio-Iiio ~多功能梯度零件的電磁柔性複合熔積直接製備成形方法的特徵在於所述熔積成形步驟中，若成形體達不到零件的尺寸和表面精度的要求，則在成形過程中逐層或多層分段採用銑削、研磨、拋光，對成形體進行精整加工，直至達到零件的尺寸和表面要求。下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。在此需要說明的是，對於這些實施方式的說明用於幫助理解本發明，但並不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。實施例I :基於方法的裝置有M0T0MAN機械懸臂、華中數控三軸數控銑床、FLIR攝像設備、SAF MIG焊機等。基板材料選用Q235不鏽鋼，基板表面進行機械加工並用丙酮清洗，徹底去除油汙、灰塵等，焊絲材料選用CHW-50C6低合金焊絲。固定於冷卻墊板上的基板置於工作平臺上，工作平臺保持不動，而機械懸臂可沿X、Y、Z三個方向移動並圍繞X、Y、Z軸旋轉，帶動與懸臂固定一起的焊槍也可沿著X、Y、Z三個方向移動並圍繞X、Y、Z軸旋轉。(I)建模及分層處理步驟首先運用PROE三維造型軟體對零件進行建模，如圖1，然後對所建模型進行分層切片處理，得到分層切片數據；(2)生成數控代碼步驟根據零件模型分層切片數據和各層尺寸和形狀的特點進行成形路徑規劃，生成成形加工所需的各層數控代碼，保存在一個STL文件中；(3)熔積成形步驟將上述模型的STL文件傳至M0T0MAN機器控制系統中，在機器懸臂上固定焊槍，同樣固定的還有用來產生高頻交變磁場的電磁線圈，磁場的頻率為250KHz，線圈為5匝，電流為90A。採用Ar氣保護MIG焊作為熱源，M0T0MAN機器懸臂帶動焊槍按照STL文件中的數控代碼指定的軌跡行走，在基板上將低合金焊絲逐層熔積成形；所述熔積成形步驟中，若成形體達不到零件的尺寸和表面精度的要求，則在成形過程中逐層或多層分段採用銑削、研磨、拋光，對成形體進行精整加工，直至達到零件的尺·寸和表面要求。熔積完成後，對零件的力學性能進行檢測，其結果如表2所示，自由熔積成形零件的力學性能也列於表2中作為對比。實施例2 採用雷射焊作為熱源，三維模型如圖2，在M0T0MAN機器懸臂上固定Y30鐵氧體永磁鐵，用來產生靜態磁場，其他同實施例1，所得到零件力學性能如表2所示。實施例3 採用Ar氣保護MIG焊作為熱源，在M0T0MAN上同時固定高頻交變線圈和Y30鐵氧體永磁鐵，交變線圈頻率為250KHz，線圈匝數為5，電流為90A。其他同實施例1，所得到的零件的力學性能如表2所示。表2
_ ~Hlil HH ―― 彈性模量
失施例 M做硬度/im/UD伸長率//rD
/Mra/MPa/GPa
^^15.22m
122241830215.325.73
221740930419.065.57
323143231926.655.83以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限於該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種多功能梯度零件的直接製備成形方法，其步驟包括 (1)建模及分層處理步驟首先運用三維造型軟體對零件進行建模，然後對所建模型進行分層切片處理，得到分層切片數據； (2)生成數控代碼步驟根據零件的模型分層切片數據和各層尺寸和形狀的特點進行成形路徑規劃，生成成形加工所需的各層數控代碼，保存在一個STL文件中； (3)熔積成形步驟採用氣體保護焊束或雷射束作為基本熱源，控制系統控制熱源按照STL文件中的數控代碼指定的軌跡運行，在基板上將原料粉末或絲材逐層熔積成形，同時對熔池施加磁場作用，直到製作完成零件。
2.根據權利要求I所述的多功能梯度零件的直接製備成形方法，其特徵在於，所述熔積成形步驟中，所述磁場為交變磁場、靜態磁場或者二者的複合磁場。
3.根據權利要求2所述的多功能梯度零件的直接製備成形方法，其特徵在於，用來產生交變電磁場的電磁線圈，其頻率為1-350KHZ，匝數為5-50匝，電流為1-500A。
4.根據權利要求2所述的多功能梯度零件的直接製備成形方法，其特徵在於，靜態磁場米用永磁鐵。
5.根據權利要求3所述的多功能梯度零件的直接製備成形方法，其特徵在於，靜態磁場米用永磁鐵。
6.根據權利要求4或5所述的多功能梯度零件的電磁柔性複合熔積直接製備成形方法，其特徵在於，永磁鐵採用Y30鐵氧體永磁鐵。
7.根據權利要求I至5中任一所述的多功能梯度零件的直接製備成形方法，其特徵在於，所述熔積成形步驟中，若得到的零件體達不到所需的尺寸和表面精度的要求，則在成形過程中逐層或多層分段採用銑削、研磨、拋光，對其進行精整加工，直至達到零件的尺寸和表面要求。
全文摘要
多功能梯度零件的電磁柔性複合熔積直接製備成形方法，本發明以高效、低成本的高能束或電弧等為基本熱源，在電弧三維熔積成形過程中引入靜態磁場或交變磁場或者同時引入二者，在CAD/CAM軟體的支持下，計算機控制熔積槍或工件按設定空間軌跡運動，利用作用於熔池及附近微小區域的電磁複合能量場來加熱熔化理想梯度配比的材料，實現多功能梯度零件的熔積成形形狀和成分組織空間分布的自由柔性調控，使之用於航空、艦船、汽車發動機或能源等領域具有抗氧化性、抗蠕變、抗疲勞等多功能的高性能零部件的開發與生產。
文檔編號B22D27/02GK102962451SQ20121040513
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月22日 優先權日2012年10月22日
發明者張海鷗, 雷磊, 王桂蘭, 柏興旺, 王湘平 申請人:華中科技大學