一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法与流程

本发明一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，属于3D打印增材制造技术领域。

背景技术：

功能梯度材料（FGM）是采用先进的材料复合技术，使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化的一种新型的非均质复合材料。从材料的组合方式来看，功能梯度材料可分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式，从而获得多种特殊功能的材料，能够解决高速航空航天器中材料的热应力缓和问题，应用前景广阔。

FGM的制备方法主要有等离子喷涂、气相沉积、粉末冶金、自蔓延烧结等方法。等离子喷涂法从理论上说可以做出无限大的材料，且梯度层的复合物系可选择性较大，梯度层的密度可控，适于飞机发动机及高效燃汽机的引擎部件的表面保护。气相沉积法包括化学气相沉积和物理气相沉积两类，前者是利用材料的气体间的化学反应形成沉积层，后者是利用材料的物理反应使材料蒸发，然后沉积到另一材料表面。气相沉积法速率太慢，只适合制薄膜类材料。粉末冶金法，首先计算出各梯度层的成分，然后按成分设计进行混料、布料、成形，最后进行烧结。这种方法易于操作，控制灵活，适于工业生产，可以制备大尺寸材料，不足之处是制备复杂结构零件时，需要额外定制模具，周期较长，而且成本较高。自蔓延烧结法是通过反应剂在一定条件下发生热化学反应，产生高温高压来合成。这种方法的优点是合成时间短、操作简单，但这种方法需要专用设备。成形精度难以把握，往往需要进行二次加工。综上所述，FGM应用前景广阔，但是FGM材料制备时各梯度层厚度难以把握，FGM复杂零件成形成本高、周期长，成形精度仍需进一步提高。

选择性激光熔化成形技术（SLM）可以成形任意形状的复杂零件，其基本原理是：首先用三维软件建立零件模型，利用切片软件进行切片处理，获得零件的二维轮廓信息并导入成型设备。激光束开始扫描前，铺粉装置首先把金属粉末平铺到成形缸的基板上，激光束再按当前层的填充轮廓线选区熔化成形基板上的金属粉末。加工完当前层后，铺粉装置在已加工好的当前层上铺好金属粉末，设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。SLM技术可制备形状复杂的金属零件，同时由于高激光功率可熔化成形高熔点金属。该技术可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，大大减少了加工工序，减少了加工周期。SLM成形过程中，由于是逐层激光熔化成形，成形效率仍需进一步提高。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，该成形方法将SLM技术和粉末烧结技术相结合，首先进行SLM成形，在零件不同截面铺设不同成分材料，并用激光熔化成形该零件的外形轮廓及零件内部部分结构，整个零件外形轮廓成形后，将零件进行高温烧结，使零件轮廓内部未被熔化的粉末烧结成形。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，具体按照以下步骤施行：

a.根据成形零件需要，计算功能梯度材料成分配比、梯度组分及层厚。

b.装料，制备不同组份的成形粉末，并将不同组份的粉末按顺序依次装入供料缸，并设定供粉缸落料方式。

c.用三维软件设计功能梯度材料的成形模型。

d.对成形件的使用情况进行模拟，分析温度、受力等对成形件的影响，进一步优化成形件结构模型。

e.对成形件模型进行切片处理，设定层厚度、激光功率、扫描速度等工艺参数并传输到成形机，进行SLM成形。

f.将成形零件进行高温烧结。

g.对高温烧结的零件进行热处理，表面喷砂打磨。

优选的，所述步骤b中，采用由多个供料缸组成的上供粉方式，供料缸截面为梯形，通过螺栓将多个供料缸固定在横梁上，供料缸底部安装带有轮槽的滚轮，该滚轮受电机控制，电机连接控制系统。根据成形顺序，控制系统控制每个料缸下面的电机转动，从而使该料缸中的粉末漏出，实现采阶梯式落料方式，依次下落需要成形的粉料。

优选的，所述步骤c中，零件内部结构设计成蜂窝状，外形轮廓为实心，外形轮廓壁厚为5-10mm。

优选的，所述步骤e中，在SLM成形过程中，铺完粉后进行压实，压力在10-30MPa之间。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本方法将SLM技术和粉末烧结技术相结合制备复杂结构的功能梯度零件，能够精确控制FGM梯度层厚度，制备质量优良的FGM材料。同时也可以快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，大大减少了加工工序，减少了加工周期，降低了生产成本。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明成形装置供粉缸排列组合方式示意图。

图中：1为供料缸、2为横梁、3为螺栓、4为滚轮、5为电机、6为电缆、7为控制系统。

具体实施方式

实施例一

一种钨铜功能梯度材料小型发动机喷管的制备。

a.根据该小型发动机喷管的使用特点，该成形件材料为钨铜功能梯度材料，外径为100mm，内径为80mm，高度为100mm。其中铜的含量变化梯度为15%，20%，25%，30%，梯度层厚均为25mm，分别称之为第一梯度层，第二梯度层，第三梯度层，第四梯度层。

b.装料，将铜的含量为15%，20%，25%，30%的钨铜合金粉分别装入不同供料缸，供料缸结构为：螺栓3将供料缸1固定在横梁2上，供料缸底部安装带有轮槽的滚轮4，该滚轮受电机5控制，电机5通过电缆6连接控制系统7。根据成形顺序，控制系统控7制每个料缸1下面的电机2转动，从而使该料缸中的粉末漏出，实现采阶梯式落料方式，依次下落需要成形的粉料。该供料缸中：铜的含量为15%，20%，25%，30%的钨铜合金粉，采用阶梯式分别落料（如图1所示）。

c.用SolidWorks成形软件建立该材料的三维模型，零件内部结构设计成六边形蜂窝状，六边形每个边长为10mm，每个边厚度为5mm。外形轮廓为实心结构，外形轮廓壁厚为8mm。

d.利用ANSYS模拟软件，该零件在700℃，气体流量为100kg/s，喷管压力为60000Pa状态下，该模型零件的应力应变分析，并根据模拟结果进一步优化模型结构，设计出最佳的成形零件结构。

e.对成形件模型进行切片处理，层片厚度为0.015mm。设定激光功率扫描速度等参数：第一梯度层的激光功率为300W，扫描速度6000mm/s；第二梯度层的激光功率为330W，扫描速度6000mm/s；第三梯度层的激光功率为370W，扫描速度6500mm/s；第四梯度层的激光功率为400W，扫描速度7000mm/s。成形时，铺粉装置压实辊对每层铺好的粉末进行压实，压力为15MPa。

f.将成型的零件在1300℃的氮气气氛中烧结5h。

g.对高温烧结的零件进行热处理，将烧结的钨铜功能梯度材料在350-400℃退火6h左右，随炉冷却至室温。随后对成形件表面进行喷砂打磨处理，制备出表面质量和内部组织优良的制品。

实施案例二

一种铝基SiC功能梯度材料耐热板的制备。

a.该耐热板材料为铝基SiC功能梯度材料，尺寸为100×80×15mm（长宽高）。铝基体为ZL101，高度方向SiC的含量变化为：0.6%，0.8%，1.0%，0.8%，0.6%，梯度层厚均为3mm，分别称之为第一梯度层，第二梯度层，第三梯度层，第四梯度层，第五梯度层。

b.装料，将SiC的含量变化为：0.6%，0.8%，1.0%，0.8%，0.6%分别装入图1中的5个供料缸，供料缸结构为：螺栓3将供料缸1固定在横梁2上，供料缸底部安装带有轮槽的滚轮4，该滚轮受电机5控制，电机5通过电缆6连接控制系统7。根据成形顺序，控制系统控7制每个料缸1下面的电机2转动，从而使该料缸中的粉末漏出，实现采阶梯式落料方式。通过控制系统设定供料缸开启顺序依次为：SiC含量分别为0.6%，0.8%，1.0%，0.8%，0.6%的铝合金粉，采用阶梯式分别落料。

c.用SolidWorks成形软件建立该材料的三维模型，零件内部结构设计成网格状，每个网格为正方形，边长为5mm，每个边厚度为2mm。外形轮廓为实心结构，外形轮廓壁厚为5mm。

d.利用ANSYS模拟软件，该零件一侧为800℃，另一侧为室温，该零件传热及应变情况，并根据模拟结果进一步优化模型内部网格结构，设计出最佳的成形零件结构。

e.对成形件模型进行切片处理，层片厚度为0.015mm。设定激光功率扫描速度等参数：第一梯度层的激光功率为300W，扫描速度6500mm/s；第二梯度层的激光功率为330W，扫描速度7000mm/s；第三梯度层的激光功率为350W，扫描速度7500mm/s；第四梯度层的激光功率为330W，扫描速度7000mm/s；第五梯度层的激光功率为300W，扫描速度6500mm/s。成形时，铺粉装置压实辊对每层铺好的粉末进行压实，压力为10MPa。

f.将成型的零件高温烧结。烧结工艺为：将成形件装入炉中随炉加热，升温至250℃保温30min，再升温至450℃保温30min，最后加热至500℃保温1h，随炉冷却。

g.将烧结成形的铝基SiC功能梯度材料在180℃退火5-6h，空冷。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。