一种功能梯度材料的成形方法及装置与流程

本发明涉及材料加工的技术领域，尤其涉及一种功能梯度材料的成形方法及装置。

背景技术：

功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，FGMs)的概念最先由日本学者新野正之等人于1987年提出，其通过特殊的设计和构造，实现材料的成分和性能缓慢变化，使其满足特定的功能需求。梯度材料不仅保留了普通复合材料的优点，而且还引入了成分和功能梯度化的设计思想，从而克服了传统层状复合材料宏观界面的不利影响，以连续变化的成分梯度代替了突变界面，从而消除了界面物理性能的突变，使热应力降至最低。功能梯度材料的应用已经渗透到国民经济发展的各个领域，尤其是在极端复杂条件下有着广泛的应用前景，如航空航天、能源工程、生物医学、电磁、核工程和光学等高新技术领域表现出梯度结构优越的性能。

由于功能梯度材料中两种(或多种)材料自身的物理化学性能差异较大，因而导致制备时存在困难。目前，制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、电沉积法和气相沉积法等。其中，粉末冶金法是最常用的功能梯度材料的制备方法。它较其他方法更为简单且可操作性更强。该方法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形，然后进行烧结，通过调节和控制原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性来获得热应力缓和的功能梯度材料。

然而，上述方法不仅只能用来成形一些结构较简单的功能梯度材料，而无法实现复杂结构件的成形。而且成形过程比较复杂。随着应用需求的拓展，必须寻求一种新型的成形方法以快速成形出复杂结构的功能梯度材料。

技术实现要素：

本发明通过提供一种功能梯度材料的成形方法及装置，实现了简单地成形出复杂结构的功能梯度材料的技术效果。

本发明提供了一种功能梯度材料的成形方法，至少包括：

步骤1：根据预设的每层成分配比，对原料进行混合；

步骤2：对混合后的混合料进行3D打印；

重复所述步骤1和所述步骤2，得到功能梯度材料。

进一步地，在所述得到功能梯度材料之后，还至少包括：

清除所述功能梯度材料表面的浮粉。

进一步地，在所述清除所述功能梯度材料表面的浮粉之后，还至少包括：

采用线切割工艺对所述功能梯度材料进行切割，并对切割后的功能梯度材料进行退火处理。

进一步地，在所述步骤1之前，通过有限元分析方法设计梯度层厚、层数和每层的成分配比；

所述对混合后的混合料进行3D打印，具体包括：基于所述梯度层厚和层数确定3D打印成形参数，对所述混合后的混合料进行3D打印。

本发明提供的功能梯度材料的成形装置，至少包括：处理器、混合设备及3D打印成形设备；所述混合设备的混合料输出端与所述3D打印成形设备的物料输入端贯通连接；所述处理器的信号输出端与所述混合设备、所述3D打印成形设备的信号输入端通讯连接。

进一步地，所述混合设备至少包括：第一下料机构、第二下料机构和混合机构；所述第一下料机构和所述第二下料机构的物料输出端对向所述混合机构的物料输入端；所述混合机构的混合料输出端与所述3D打印成形设备的物料输入端贯通连接；所述处理器的信号输出端与所述第一下料机构、所述第二下料机构、所述混合机构的信号输入端通讯连接。

进一步地，所述3D打印成形设备至少包括：成形室、铺粉机构及激光输出机构；所述铺粉机构设置在所述成形室中；所述混合机构的混合料输出端与所述成形室的物料输入端贯通连接；所述激光输出机构的激光输出端通入所述成形室；所述激光输出机构的信号输入端与所述处理器的信号输出端通讯连接。

进一步地，所述激光输出机构至少包括：激光发射装置、扩束装置、扫描振镜及聚束装置；所述激光发射装置的激光发射端对向所述扫描振镜；所述扩束装置设置在所述激光发射装置与所述扫描振镜之间的光路上；所述扫描振镜的激光输出端通入所述成形室；所述聚束装置设置在所述扫描振镜与所述成形室之间的光路上；所述处理器的信号输出端与所述激光发射装置的信号输入端通讯连接。

进一步地，所述激光输出机构还至少包括：光束隔离装置；所述光束隔离装置设置在所述激光发射装置与所述扩束装置之间的光路上。

进一步地，在所述成形室中有防止物料被氧化的保护气体。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

先对原料进行混合，再对混合后的混合料进行3D打印,从而将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，大大降低了复杂零件的成形难度，从而实现了简单地成形出复杂结构的功能梯度材料的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的功能梯度材料的成形方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的功能梯度材料的成形装置中3D打印成形设备的结构示意图；

其中，1-处理器，2-成形室，3-铺粉机构，4-激光发射装置，5-扩束装置，6-聚束装置，7-光束隔离装置，8-净化装置，9-保护气体，12-扫描振镜。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种功能梯度材料的成形方法及装置，实现了简单地成形出复杂结构的功能梯度材料的技术效果。

本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

先对原料进行混合，再对混合后的混合料进行3D打印,从而将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，大大降低了复杂零件的成形难度，从而实现了简单地成形出复杂结构的功能梯度材料的技术效果。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图1，本发明实施例提供的功能梯度材料的成形方法，至少包括：

步骤1：根据预设的每层成分配比，对原料进行混合；

步骤2：对混合后的混合料进行3D打印；

重复步骤1和步骤2，得到功能梯度材料。

对本发明实施例进行具体说明，在得到功能梯度材料之后，还至少包括：

清除功能梯度材料表面的浮粉。

对本发明实施例进行进一步说明，在清除功能梯度材料表面的浮粉之后，还至少包括：

采用线切割工艺对功能梯度材料进行切割，并对切割后的功能梯度材料进行退火处理。

在本实施例中，退火的温度为300-450℃，时间为5-8小时。

对本发明实施例进行更进一步说明，在步骤1之前，通过有限元分析方法设计梯度层厚、层数和每层的成分配比；

在本实施例中,有限元分析方法可以是但不限于ANSYS、ABAQUS和MARC软件。

在这种情况下，对混合后的混合料进行3D打印，具体包括：

基于梯度层厚和层数确定3D打印成形参数，对混合后的混合料进行3D打印。

在本实施例中，原料为球形或近球形，且平均粒径在20-45μm之间，并且氧含量低于1000ppm。

此外，本发明实施例还提供了一种功能梯度材料的成形装置，至少包括：处理器、混合设备及3D打印成形设备；混合设备的混合料输出端与3D打印成形设备的物料输入端贯通连接；处理器的信号输出端与混合设备、3D打印成形设备的信号输入端通讯连接。

在本实施例中，由处理器计算得到梯度层厚、层数和每层的成分配比。

对混合设备的结构进行说明，混合设备至少包括：第一下料机构、第二下料机构和混合机构；第一下料机构和第二下料机构的物料输出端对向混合机构的物料输入端；混合机构的混合料输出端与3D打印成形设备的物料输入端贯通连接；处理器的信号输出端与第一下料机构、第二下料机构、混合机构的信号输入端通讯连接。

处理器根据每层的成分配比，控制每次第一下料机构和第二下料机构往混合机构下落的物料的量。

在本实施例中，第一下料机构和第二下料机构均为粉缸，混合机构为混合缸。

参见图2，对3D打印成形设备的结构进行说明，3D打印成形设备至少包括：成形室2、铺粉机构3及激光输出机构；铺粉机构3设置在成形室2中；混合机构的混合料输出端与成形室2的物料输入端贯通连接；激光输出机构的激光输出端通入成形室2；激光输出机构的信号输入端与处理器1的信号输出端通讯连接。

对激光输出机构的结构进行说明，激光输出机构至少包括：激光发射装置4、扩束装置5、扫描振镜12及聚束装置6；激光发射装置4的激光发射端对向扫描振镜12；扩束装置5设置在激光发射装置4与扫描振镜12之间的光路上；扫描振镜12的激光输出端通入成形室2；聚束装置6设置在扫描振镜12与成形室2之间的光路上；处理器1的信号输出端与激光发射装置4的信号输入端通讯连接。

对激光输出机构的结构进行进一步说明，激光输出机构还至少包括：光束隔离装置7；光束隔离装置7设置在激光发射装置4与扩束装置5之间的光路上。

为了防止成形室2被污染，从而影响激光光路的传输效率和功率，本发明实施例还至少包括：净化装置8；净化装置8设置在成形室2中。

需要说明的是，在成形室2中有防止物料被氧化的保护气体9。

在本实施例中，保护气体9为氩气或氮气等惰性气体。

对本发明实施例的结构进行具体说明，还至少包括：

用于对从成形室2输出的功能梯度材料进行线切割的切割机构。

对本发明实施例的结构进行进一步说明，还至少包括：

用于对线切割之后的功能梯度材料进行退火的退火机构。

在本实施例中，退火的温度为200-450℃，时间为5-8小时。

具体地，铺粉机构3为铺粉刷，激光发射装置4为光纤激光器，扩束装置5为扩束镜，聚束装置6为F-θ镜，光束隔离装置7为光束隔离器，净化装置8为粉尘净化器；激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，扫描速率最大为1000mm/s，光斑直径为0.1-0.15mm；物料为球形或近球形，且平均粒径在20-45μm之间，并且氧含量低于1000ppm。

实施例1

本发明实施例包括以下步骤：

(1)采用ANASYS有限元分析方法设计梯度材料最佳的成分分布及结构，即梯度层厚、层数和每层的成分配比；

(2)将Inconel718粉末放置于粉缸1中，将316L粉末放置于粉缸2中。根据步骤(1)中最优的每层成分配比，确定每次粉缸1和粉缸2往混粉缸下落粉末的量。其中，Inconel718粉末和316L粉末均为球形或近球形，二者平均粒径均在20-45μm，并且氧含量均低于1000ppm。

(3)将落在混粉缸中的粉末进行快速混粉，混合均匀的粉末下落在3D打印成形设备的成形室2中。

(4)启动3D打印成形设备，该设备激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，扫描速率最大为1000mm/s，光斑直径为0.1-0.15mm。在氩气保护下，根据步骤(1)中最优的层厚及单层成分的配比，确定单层最优的3D打印成形参数并成形。

(5)下一层重复步骤(2)和(3)铺设成分最优的粉末，再重复步骤(4)的最优成形参数进行成形，然后待所有层成形的制件冷却后，清除表面浮粉，即得到成分和结构连续变化的功能梯度材料；

(6)采用线切割工艺将功能梯度零件从成形室2的基板上分离，然后进行温度为200℃、时间为8小时的退火处理，得到成品。

实施例2

本发明实施例包括以下步骤：

(1)采用ABAQUS有限元分析方法设计梯度材料最佳的成分分布及结构，即梯度层厚、层数和每层的成分配比；

(2)将Ti粉末放置于粉缸1中，将TiAl粉末放置于粉缸2中。根据步骤(1)中最优的每层成分配比，确定每次粉缸1和粉缸2往混粉缸下落粉末的量。其中，Ti粉末和TiAl粉末均为球形或近球形，二者平均粒径均在20-45μm，并且氧含量均低于1000ppm。

(3)将落在混粉缸中的粉末进行快速混粉，混合均匀的粉末下落在3D打印成形设备的成形室2中。

(4)启动3D打印成形设备，该设备激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，扫描速率最大为1000mm/s，光斑直径为0.1-0.15mm。在氩气保护下，根据步骤(1)中最优的层厚及单层成分的配比，确定单层最优的3D打印成形参数并成形。

(5)下一层重复步骤(2)和(3)铺设成分最优的粉末，再重复步骤(4)的最优成形参数进行成形，然后待所有层成形的制件冷却后，清除表面浮粉，即得到成分和结构连续变化的功能梯度材料；

(6)采用线切割工艺将功能梯度零件从成形室2的基板上分离，然后进行温度为325℃、时间为6.5小时的退火处理，得到成品。

实施例3

本发明实施例包括以下步骤：

(1)采用MARC有限元分析方法设计梯度材料最佳的成分分布及结构，即梯度层厚、层数和每层的成分配比；

(2)将Ti6Al4V粉末放置于粉缸1中，将TiC粉末放置于粉缸2中。根据步骤(1)中最优的每层成分配比，确定每次粉缸1和粉缸2往混粉缸下落粉末的量。其中，Ti6Al4V粉末和TiC粉末均为球形或近球形，二者平均粒径均在20-45μm，并且氧含量均低于1000ppm。

(3)将落在混粉缸中的粉末进行快速混粉，混合均匀的粉末下落在3D打印成形设备的成形室2中。

(4)启动3D打印成形设备，该设备激光源采用Yb光纤激光，波长为1070±10nm，最大功率为400W，扫描速率最大为1000mm/s，光斑直径为0.1-0.15mm。在氮气保护下，根据步骤(1)中最优的层厚及单层成分的配比，确定单层最优的3D打印成形参数并成形。

(5)下一层重复步骤(2)和(3)铺设成分最优的粉末，再重复步骤(4)的最优成形参数进行成形，然后待所有层成形的制件冷却后，清除表面浮粉，即得到成分和结构连续变化的功能梯度材料；

(6)采用线切割工艺将功能梯度零件从成形室2的基板上分离，然后进行温度为450℃、时间为5小时的退火处理，得到成品。

【技术效果】

1、先对原料进行混合，再对混合后的混合料进行3D打印,从而将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，大大降低了复杂零件的成形难度，从而实现了简单地成形出复杂结构的功能梯度材料的技术效果。

2、在得到功能梯度材料之后，清除功能梯度材料表面的浮粉，从而使成形零件表面的粗糙度更小，便于后续热处理。

3、通过有限元分析方法设计梯度层厚、层数和每层的成分配比，确定出每层的最佳3D打印成形工艺参数，从而实现每一层的高质量成形。

4、在本发明实施例提供的装置中，在成形室2中有防止物料被氧化的保护气体9，提高了本发明实施例的成形精度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。