一种叠层结构固相增材制造方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，具体地说是一种叠层结构固相增材制造方法。

背景技术：

增材制造的设计与制造理念越来越向重量轻、寿命高、成本低的趋势发展。传统的零部件生产制造，主要依赖于传统的铸造、锻造、焊接的方法来完成，现有增材制造主要以熔化丝材或粉材的堆焊为主，而固相增材以采用薄带为主，单道“墙”体堆叠为主，无法实现块体及较复杂构件的一体化增材制造。

现有熔化增材制造技术主要依靠热源熔化金属并直接制造，其制件组织一般都为铸态柱状晶或枝晶与等轴晶混合组织，呈现明显的方向性和各向异性。从晶粒度上说，这些问题是由缺乏晶粒细化环节，以及移动传热传质条件下无约束自由微铸造熔积成形所固特有的热力学、动力学、几何学特点所决定的。

目前针对金属材料进行的熔化增材制造技术，不仅成本相对较高、成形效率和性能方面也很难保证，尤其是在熔化过程中大量低熔点元素烧损，需要针对使用性能对金属丝材或薄带进行二次熔化，其中微铸造和焊接的不足点在熔化增材中不断被累积，其中存在着与传统工业制造产品(板材、丝材、棒材)性能上的差异，其工艺不仅增加了工艺程序，而且增加了制造成本，同时性能上的短板更使得其制造的产品难以跟上现代工业进步的需求。

而固相增材采用的方法基本上是采用薄带并利用塑形成形/扩散连接的方法逐层叠加的方法得以实现的，其一，如何消除、改善两条薄带之间的搭接性是成形的关键，成形过程中易于出现贯穿性孔洞、折叠等无法通过成形后续处理方式弥补的问题因此成形过程中成形方式、路径处理、搭接方式极为关键。

其二，薄带成本较丝材高出许多，这也是限制其推广应用的主要制约因素。

技术实现要素：

本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，突破国内外现有熔化增材直接成形高性能航空航天零部件技术的成形性难以控制与性能可靠性不足的实用化瓶颈，并为此提供一种叠层结构固相增材制造搭接方法。

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种叠层结构固相增材制造方法，该方法是，将丝材加热至软化状态下，借助外力采用等腰梯形、正方形以及平面形状的相应的轧辊模具，在原材料成形过程中交替填空插补，使原材料成型依次逐层形成梯形、正方形、倒立梯形、梯形，依次循环往复进行增材，所述原材料为柱状丝材；

其中，成形过程中所成正方形的四边长均保持不变，边长为c；梯形是等腰梯形，上底为a，下底为b，腰长为d，梯形的高为h；并满足截面等腰梯形和正方形的面积相等，倒立梯形与梯形形状大小相同，倒立梯形是梯形处于倒立位置的形态。

作为优选，所述模具包括平板模具、梯形模具、及直角模具，所述梯形模具的截面形状包括至少一个梯形单元，每个梯形单元为成型所成梯形的上底及两侧相邻的斜边，所述直角模具截面形状包括至少一个直角单元，每个直角单元包括成型所成正方形的相邻两条边，所述平板模具的截面形状至少包含一条线段。

作为优选，所述平板模具、梯形模具、及直角模具的棱角处采用了倒角处理。

作为优选，所述柱状丝材半径r与成型所成的正方形、梯形的关系满足

本发明继承了固相增材的优势，同时也有优化固相增材过程，亦可消除、改善两条薄带之间的搭接性是成形易于出现贯穿性孔洞的问题，此发明通过改善成形方式，改变成形叠合方法和装置，突破固相成形搭接的关键技术，是一种无相变、稳定搭接、挤压/锻造式、组织致密、成形精密及低成本的固相增材成形方法。本发明技术方案可在大中型航空结构件的短流程、优质、高效、整体制造中广泛应用，突破国内外现有熔化增材直接成形高性能航空航天零部件技术的成形性难以控制与性能可靠性不足的实用化瓶颈，为此类大中型、高性能复杂零件的优质高效直接整体制造开辟实用化新途径，为新一代高性能航空航天快速开发提供技术储备。

附图说明

图1是本发明一种叠层结构固相增材制造方法原理示意图；

图2是本发明中成形过程涉及的叠层顺序及相关模具形状示意图；

图3是图2中所示叠层顺序及相关模具形状的拆分结构示意图；

图4是本发明中梯形模具轧辊结构示意图；

图5是图4中梯形模具轧辊的立体结构图；

图6是本发明中直角模具轧辊结构示意图；

图7是图6中直角模具轧辊的立体结构图；

图8是本发明中平板模具轧辊结构示意图。

图9是图8中等平板模具轧辊的立体结构图。

具体实施方式

为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作以详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，本发明一种叠层结构固相增材制造方法，采用与正方形和等腰梯形形状相应的模具，在原材料成型过程中交替填空插补，使原材料成型依次逐层形成梯形、正方形、倒立梯形、梯形，依次循环往复进行增材，所述原材料为柱状丝材；图1中示出了本发明一种叠层结构固相增材制造搭接方法原理示意图，其中根据成型顺序，第一层为横向排列的梯形a1，第二层为横向排列的正方形b1，第三层为横向排列的倒立梯形a2，第四层为横向排列的梯形a3，第五层为横向排列的正方形b2，以a1-b1-a2-a3-b2为顺序循环往复进行增材。

其中，成形过程中正方形的四边长均保持不变，边长为c；梯形是等腰梯形，上底为a，下底为b，腰长为d，梯形的高为h；并满足截面等腰梯形和正方形的面积相等，倒立梯形与梯形形状大小相同，倒立梯形是梯形处于倒立位置的形态(梯形旋转180度)；

如图2、图3所示，成型所用模具包括平板模具1、梯形模具2、及直角模具3，所述梯形模具的截面形状包括至少一个梯形单元，每个梯形单元为成型所成梯形的上底及两侧相邻的斜边，所述直角模具截面形状包括至少一个直角单元，每个直角单元包括成型所成正方形的相邻两条边，所述平板模具的截面形状至少包含一条线段。成型过程是原料的逐层叠加，上述模具中的平板模具1、梯形模具2构成梯形(例如图1中的a1层)，梯形成型后a1层相邻两个梯形的斜边已经构成第二层正方形的下面两条边(例如图1中的b1层)，所以只需直角模具3来约束形成正方形上部的另外两条边。第一层a1层梯形顶边和第二层b1层的正方形斜边构成了第三层a2层每个倒立梯形中的三条边，第三层成型结束后用平板模具1将第三层a2层每个倒立梯形顶部的边压实即可，第四层(图1的a3层)成型与第一层a1层成型形状相同，采用梯形模具2即可。

应当指出的是，图1、图2、图3中涉及的模具形状，是各个模具与所成形材料接触面的截面形状，及由此叠加的材料的表面形状，并没有包含各个模具的整体形状，平板模具1、梯形模具2、及直角模具3的截面形状只要各自包含上面所述形状要素即可，而各模具整体形状则无明确限定，例如，图4、图5、图6、图7、图8、图9分别给出了平板模具1、梯形模具2、及直角模具3的整体形状的一种可行方案。在图中，平板模具、梯形模具、及直角模具均采用可旋转的轧辊结构，其中图4、图5中的梯形模具的轧辊截面包含梯形单元，图6、图7中的直角模具的轧辊截面包含直角单元，图8、图9中的平板模具的轧辊截面至少包含一条线段。平板模具本身形状并不是平板状，而是利用平板模具对材料进行成形后形成平板状，作为优选，所述平板模具、梯形模具、及直角模具的棱角处采用了倒角处理。

梯形模具2可以只包含一个梯形单元，每层采用多个梯形模具2，梯形模具2也可以本身包含多个梯形单元横向排列。同理，直角模具3、平板模具1也可采用上述分开式或整体式两种方案。

作为优选，柱状丝材半径r可以与正方形、梯形的关系满足

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。