本发明属于点阵金属的增材制造技术领域，具体涉及一种轻量化、耐高温kelvin结构点阵金属的选区激光增材制造方法。
背景技术：
点阵金属作为多孔材料的一种，因具有周期有序的结构而得名。点阵金属具有质量轻、比强度大、比刚度高的结构特点以及减振降噪、缓冲吸能等功能特性，受到国际学术界的广泛关注，被认为是最具潜力的新一代轻量化材料之一，广泛应用于航空航天、船舶等领域，具有广阔的应用前景。
现有技术中制备点阵金属的方法主要有熔模铸造法、冲压成型法、金属丝编织法等。其中，冲压成型法和金属丝编织法对基体材料的延展性有很高的要求，材料的可选范围较窄，且制备的点阵金属孔型结构受限。熔模铸造法可制备复杂孔型结构的点阵金属，但一方面其制备流程长，工艺复杂；另一方面，由于铸造工艺的限制，熔模铸造法制备的点阵金属孔径较粗，无法制备精细结构的点阵金属。
增材制造技术从基于工艺约束的设计向基于功能驱动的设计转变，可实现结构功能一体化的设计与制备。其中，选区激光熔化法利用逐层叠加原理来制备复杂结构，加工精度高，流程简单，尤其可以制备孔径细小、孔型结构复杂的点阵金属，在制备点阵金属方面，具有得天独厚的优势。但是，目前采用选区激光熔化法制备点阵金属的孔型结构普遍为简单立方结构、四面体结构、八面体结构、金字塔结构及kagome结构等，现有的研究结果表明，上述孔型结构拓展而成的三维点阵金属的力学性能均为各向异性，使得点阵金属适应复杂受力工况的能力不足，极大地限制了点阵金属在航空航天、船舶等领域的推广应用。
以上分析可以看出，传统制备方法在基体材料选择、孔型结构等方面具有诸多限制，熔模铸造法流程复杂、孔径较粗。同时，目前点阵金属中普遍采用的孔型结构使得点阵金属均具有各向异性的特点而限制了点阵金属的应用和推广。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于选区激光增材制造高熔点kelvin结构点阵金属的制备方法，本发明的目的之一采用选区激光熔化的方法来制备点阵金属，克服熔模铸造法流程复杂、孔棱直径较粗等方面的缺点。本发明的另一目的是解决目前点阵金属所采用的孔型结构普遍具有的各向异性的特点导致应用工况受限、适应性不足的问题，引入kelvin结构单元对点阵金属进行孔型结构设计，提出了空间各向同性kelvin结构点阵金属的激光增材制造工艺，拓宽点阵金属应用的广度和深度。本发明制备的高熔点kelvin结构点阵金属具有光滑的应力-应变曲线，且具有明显塑性屈服平台，在空间的三个方向具有各向同性的力学性能。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种基于激光增材制造高熔点kelvin结构点阵金属的制备方法，该方法基于选区激光熔化技术，具体步骤如下：
步骤一、基于选区激光熔化工艺，对kelvin结构点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立kelvin结构点阵金属的三维模型；
步骤二、对步骤一中所建立的kelvin结构点阵金属三维模型进行切片化处理，将切片的截面数据作为激光扫描路径导入选区激光熔化设备，并设置相应的打印参数；
步骤三、将金属粉末加入到选区激光熔化设备中，利用步骤二中的激光扫描路径和打印参数，在氩气保护气氛下，对kelvin结构点阵金属进行逐层选区激光打印，得到kelvin结构点阵金属；所述kelvin结构点阵金属为由基本单元拓展而成的三维立体kelvin结构，所述三维立体kelvin结构的材质为高熔点金属材料；所述基本单元为以棱柱结构为主体的kelvin结构点阵金属单元，所述kelvin结构点阵金属单元的棱柱为实体，所述kelvin结构点阵金属单元除棱柱之外的其余部分均为虚体，相邻两个kelvin结构点阵金属单元之间共用一个棱柱；
步骤四、对步骤三中所获得的kelvin结构点阵金属进行热处理得到高熔点kelvin结构点阵金属。
所述步骤二中打印参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉的单层层厚和光斑直径。
所述高熔点kelvin结构点阵金属的孔隙率为43%~93%；所述高熔点kelvin结构点阵金属的棱柱直径为0.3~3mm，长径比为1.1~3.3。
所述激光功率为50w~260w，所述扫描速度为200mm/s~1100mm/s，所述的扫描间距为0.09mm~0.12mm，所述铺粉的单层层厚为30~50um，所述的光斑直径为0.1mm。
所述步骤三中金属粉末的粒径为15~53um，金属粉末的氧含量≤400ppm。
所述高熔点金属材料为316l不锈钢，热处理具体为固溶处理，温度为1080℃。
所述高熔点金属材料为gh4169高温合金，热处理工艺为温度设置为960℃，保温时间为1h，水冷；然后温度设置为720℃，保温时间为8h，之后以50℃/h的冷却速率炉冷至620℃，保温时间为8h，空冷。
所述的基于选区激光熔化技术对kelvin结构点阵金属进行孔型结构的适应性设计，是将十四面体的kelvin结构，设计成以棱柱结构为主体的kelvin结构点阵金属单元，采用三维设计软件对kelvin结构点阵金属进行参数化建模，通过调整孔棱长径比，确定适用选区激光熔化工艺的孔型结构设计参数范围，实现高熔点kelvin结构点阵金属孔隙率的有效调控。
本发明的有益效果：
1.本发明采用选区激光熔化的方法制备高熔点kelvin结构点阵金属，突破了现有技术中材料可选范围窄、孔型结构单一的限制，实现了孔型结构、孔径大小、孔隙率等更大范围点阵金属的制备。尤其是突破了熔模铸造法制备复杂点阵金属时孔径范围的限制，实现更加精细孔径点阵金属的制备。
2.本发明采用选区激光熔化方法制备的高熔点kelvin结构点阵金属，克服了现有技术中点阵金属普遍具有的各向异性力学性能的缺陷，实现了具有各向同性力学性能点阵金属的制备，有效地拓宽了点阵金属在航空航天、船舶等领域应用的广度和深度。
3.本发明制备的高熔点kelvin结构点阵金属，不仅适用于受力复杂的工况，同时具有耐高温的突出特性，是一种结构功能一体化的轻量化部件，尤其适用于航空航天等领域结构功能一体化热防护部件等设备中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为kelvin结构点阵金属单元设计模型示意图。
图2为高熔点kelvin结构点阵金属三维结构设计模型示意图。
图3为基于选区激光熔化法制备的高熔点kelvin结构点阵金属样品图。
图4为316l不锈钢为基体的kelvin结构点阵金属空间三个方向的压缩应力-应变曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的制备方法进行详细描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例是设计与制备以孔隙率为43%的以316l不锈钢为基体的高熔点kelvin结构点阵金属；
如图1所示，为kelvin结构点阵金属单元设计模型，所述kelvin结构点阵金属单元是采用三维设计软件进行选区激光熔化工艺适应性设计，其棱柱直径为0.3mm，棱柱长度为0.33mm，棱柱长径比为1.1，kelvin结构点阵金属三维设计模型，如图2所示，所述高熔点kelvin结构点阵金属设计模型的外轮廓尺寸为6.5×3.7×3.7mm，孔隙率为43%。
采用选区激光熔化工艺制备316l不锈钢为基体的kelvin结构点阵金属，包括以下步骤：
步骤一、基于选区激光熔化的工艺特点，采用三维设计软件对kelvin结构点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立kelvin结构点阵金属的三维模型。
步骤二、采用切片软件对步骤一中所建立的kelvin结构点阵金属的三维模型进行切片化处理，获取kelvin结构点阵金属各层切片的截面数据，将其作为激光的扫描路径导入选区激光熔化设备，并设置相应的打印参数。所述的打印参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉的单层层厚、光斑直径等。
所述的激光功率为50w，所述的扫描速度为1100mm/s，所述的扫描间距为0.12mm，所述的单层层厚为50um，所述的光斑直径为0.1mm。
步骤三、将金属粉末加入到选区激光熔化设备中，利用步骤一中的激光扫描路径，步骤二中设定的打印参数，在氩气保护气氛下对kelvin结构点阵金属进行逐层选区激光打印，得到kelvin结构点阵金属。
所述的金属粉末为316l不锈钢金属粉末，其粒径为15~53um，氧含量≤400ppm。
步骤四、对步骤三中所获得的kelvin结构点阵金属进行固溶处理。固溶处理温度为1080℃。
本发明制备的高熔点kelvin结构点阵金属具有光滑的应力-应变曲线，且具有明显塑性屈服平台，在空间的三个方向具有各向同性的力学性能。如图4所示。
实施例2
本实施例是设计与制备孔隙率为71%的以316l不锈钢为基体的高熔点kelvin结构点阵金属；
如图1所示，为kelvin结构点阵金属单元设计模型，所述kelvin结构点阵金属单元是采用三维设计软件进行选区激光熔化工艺适应性设计，其棱柱直径为0.8mm，棱柱长度为1.2mm，棱柱长径比为1.5，kelvin结构点阵金属三维设计模型，如图2所示，所述高熔点kelvin结构点阵金属设计模型的外轮廓尺寸为23.8×13.6×13.6mm，孔隙率为71%。
采用选区激光熔化工艺制备316l不锈钢为基体的kelvin结构点阵金属，包括以下步骤：
步骤一、基于选区激光熔化的工艺特点，采用三维设计软件对kelvin结构点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立kelvin结构点阵金属的三维模型。
步骤二、采用切片软件对步骤一中所建立的kelvin结构点阵金属的三维模型进行切片化处理，获取kelvin结构点阵金属各层切片的截面数据，将其作为激光的扫描路径导入选区激光熔化设备，并设置相应的打印参数。所述的打印参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉的单层层厚、光斑直径等。
所述的激光功率为80w，所述的扫描速度为900mm/s，所述的扫描间距为0.10mm，所述的单层层厚为40um，所述的光斑直径为0.1mm。
步骤三、将金属粉末加入到选区激光熔化设备中，利用步骤一中的激光扫描路径，步骤二中设定的打印参数，在氩气保护气氛下对kelvin结构点阵金属进行逐层选区激光打印，得到kelvin结构点阵金属。
所述的金属粉末为316l不锈钢金属粉末，其粒径为15~53um，氧含量≤400ppm。
步骤四、对步骤三中所获得的kelvin结构点阵金属进行热处理，固溶处理温度为1080℃。
实施例3
本实施例是设计与制备以孔隙率为82%的gh4169高温合金为基体的高熔点kelvin结构点阵金属；
如图1所示，为kelvin结构点阵金属单元设计模型，所述kelvin结构点阵金属单元是采用三维设计软件进行选区激光熔化工艺适应性设计，其棱柱直径为1.2mm，棱柱长度为2.4mm，棱柱长径比为2.0，kelvin结构点阵金属三维设计模型，如图2所示，所述高熔点kelvin结构点阵金属设计模型的外轮廓尺寸为47.5×27.1×27.1mm，孔隙率为82%。
采用选区激光熔化工艺制备gh4169高温合金为基体的kelvin结构点阵金属，包括以下步骤：
步骤一、基于选区激光熔化的工艺特点，采用三维设计软件对kelvin结构点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立kelvin结构点阵金属的三维模型。
步骤二、采用切片软件对步骤一中所建立的kelvin结构点阵金属的三维模型进行切片化处理，获取kelvin结构点阵金属各层切片的截面数据，将其作为激光的扫描路径导入选区激光熔化设备，并设置相应的打印参数。所述的打印参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉的单层层厚、光斑直径等。
所述的激光功率为260w，所述的扫描速度为200mm/s，所述的扫描间距为0.09mm，所述的单层层厚为30um，所述的光斑直径为0.1mm。
步骤三、将金属粉末加入到选区激光熔化设备中，利用步骤一中的激光扫描路径，步骤二中设定的打印参数，在氩气保护气氛下对kelvin结构点阵金属进行逐层选区激光打印，得到kelvin结构点阵金属。
所述的金属粉末为gh4169高温合金金属粉末，其粒径为15~53um，氧含量≤400ppm。
步骤四、对步骤三中所获得的gh4169高温合金kelvin结构点阵金属进行热处理，其热处理工艺为温度设置为960℃，保温时间为1h，水冷；之后温度设置为720℃，保温时间为8h，以50℃/h的冷却速率炉冷至620℃，保温时间为8h，空冷。
实施例4
本实施例是设计与制备以孔隙率为93%的gh4169高温合金为基体的高熔点kelvin结构点阵金属；
如图1所示，为kelvin结构点阵金属单元设计模型，所述kelvin结构点阵金属单元是采用三维设计软件进行选区激光熔化工艺适应性设计，其棱柱直径为3mm，棱柱长度为9.9mm，棱柱长径比为3.3，kelvin结构点阵金属三维设计模型，如图2所示，所述高熔点kelvin结构点阵金属设计模型的外轮廓尺寸为196.0×112.0×112.0mm，孔隙率为93%。
采用选区激光熔化工艺制备gh4169高温合金为基体的kelvin结构点阵金属，包括以下步骤：
步骤一、基于选区激光熔化的工艺特点，采用三维设计软件对kelvin结构点阵金属进行孔型结构的工艺适应性设计，建立kelvin结构点阵金属的三维模型。
步骤二、采用切片软件对步骤一中所建立的kelvin结构点阵金属的三维模型进行切片化处理，获取kelvin结构点阵金属各层切片的截面数据，将其作为激光的扫描路径导入选区激光熔化设备，并设置相应的打印参数。所述的打印参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉的单层层厚、光斑直径等。
所述的激光功率为150w，所述的扫描速度为350mm/s，所述的扫描间距为0.10mm，所述的单层层厚为40um，所述的光斑直径为0.1mm。
步骤三、将金属粉末加入到选区激光熔化设备中，利用步骤一中的激光扫描路径，步骤二中设定的打印参数，在氩气保护气氛下对kelvin结构点阵金属进行逐层选区激光打印，得到kelvin结构点阵金属。
所述的金属粉末为gh4169高温合金金属粉末，其粒径为15~53um，含氧量≤400ppm。
步骤四、对步骤三中所获得的gh4169高温合金kelvin结构点阵金属进行热处理，其热处理工艺为温度设置为960℃，保温时间为1h，水冷；之后温度设置为720℃，保温时间为8h，以50℃/h的冷却速率炉冷至620℃，保温时间为8h，空冷。