本發(fā)明一種基于選區(qū)激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，屬于3D打印增材制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

功能梯度材料（FGM）是采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，使材料的組成、結(jié)構(gòu)沿厚度方向呈梯度變化的一種新型的非均質(zhì)復(fù)合材料。從材料的組合方式來看，功能梯度材料可分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式，從而獲得多種特殊功能的材料，能夠解決高速航空航天器中材料的熱應(yīng)力緩和問題，應(yīng)用前景廣闊。

FGM的制備方法主要有等離子噴涂、氣相沉積、粉末冶金、自蔓延燒結(jié)等方法。等離子噴涂法從理論上說可以做出無限大的材料，且梯度層的復(fù)合物系可選擇性較大，梯度層的密度可控，適于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及高效燃汽機(jī)的引擎部件的表面保護(hù)。氣相沉積法包括化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積兩類，前者是利用材料的氣體間的化學(xué)反應(yīng)形成沉積層，后者是利用材料的物理反應(yīng)使材料蒸發(fā)，然后沉積到另一材料表面。氣相沉積法速率太慢，只適合制薄膜類材料。粉末冶金法，首先計(jì)算出各梯度層的成分，然后按成分設(shè)計(jì)進(jìn)行混料、布料、成形，最后進(jìn)行燒結(jié)。這種方法易于操作，控制靈活，適于工業(yè)生產(chǎn)，可以制備大尺寸材料，不足之處是制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件時(shí)，需要額外定制模具，周期較長(zhǎng)，而且成本較高。自蔓延燒結(jié)法是通過反應(yīng)劑在一定條件下發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高壓來合成。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是合成時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單，但這種方法需要專用設(shè)備。成形精度難以把握，往往需要進(jìn)行二次加工。綜上所述，F(xiàn)GM應(yīng)用前景廣闊，但是FGM材料制備時(shí)各梯度層厚度難以把握，F(xiàn)GM復(fù)雜零件成形成本高、周期長(zhǎng)，成形精度仍需進(jìn)一步提高。

選擇性激光熔化成形技術(shù)（SLM）可以成形任意形狀的復(fù)雜零件，其基本原理是：首先用三維軟件建立零件模型，利用切片軟件進(jìn)行切片處理，獲得零件的二維輪廓信息并導(dǎo)入成型設(shè)備。激光束開始掃描前，鋪粉裝置首先把金屬粉末平鋪到成形缸的基板上，激光束再按當(dāng)前層的填充輪廓線選區(qū)熔化成形基板上的金屬粉末。加工完當(dāng)前層后，鋪粉裝置在已加工好的當(dāng)前層上鋪好金屬粉末，設(shè)備調(diào)入下一層輪廓的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。SLM技術(shù)可制備形狀復(fù)雜的金屬零件，同時(shí)由于高激光功率可熔化成形高熔點(diǎn)金屬。該技術(shù)可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，大大減少了加工工序，減少了加工周期。SLM成形過程中，由于是逐層激光熔化成形，成形效率仍需進(jìn)一步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種基于選區(qū)激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，該成形方法將SLM技術(shù)和粉末燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合，首先進(jìn)行SLM成形，在零件不同截面鋪設(shè)不同成分材料，并用激光熔化成形該零件的外形輪廓及零件內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)，整個(gè)零件外形輪廓成形后，將零件進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，使零件輪廓內(nèi)部未被熔化的粉末燒結(jié)成形。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于選區(qū)激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，具體按照以下步驟施行：

a.根據(jù)成形零件需要，計(jì)算功能梯度材料成分配比、梯度組分及層厚。

b.裝料，制備不同組份的成形粉末，并將不同組份的粉末按順序依次裝入供料缸，并設(shè)定供粉缸落料方式。

c.用三維軟件設(shè)計(jì)功能梯度材料的成形模型。

d.對(duì)成形件的使用情況進(jìn)行模擬，分析溫度、受力等對(duì)成形件的影響，進(jìn)一步優(yōu)化成形件結(jié)構(gòu)模型。

e.對(duì)成形件模型進(jìn)行切片處理，設(shè)定層厚度、激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)并傳輸?shù)匠尚螜C(jī)，進(jìn)行SLM成形。

f.將成形零件進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。

g.對(duì)高溫?zé)Y(jié)的零件進(jìn)行熱處理，表面噴砂打磨。

優(yōu)選的，所述步驟b中，采用由多個(gè)供料缸組成的上供粉方式，供料缸截面為梯形，通過螺栓將多個(gè)供料缸固定在橫梁上，供料缸底部安裝帶有輪槽的滾輪，該滾輪受電機(jī)控制，電機(jī)連接控制系統(tǒng)。根據(jù)成形順序，控制系統(tǒng)控制每個(gè)料缸下面的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使該料缸中的粉末漏出，實(shí)現(xiàn)采階梯式落料方式，依次下落需要成形的粉料。

優(yōu)選的，所述步驟c中，零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成蜂窩狀，外形輪廓為實(shí)心，外形輪廓壁厚為5-10mm。

優(yōu)選的，所述步驟e中，在SLM成形過程中，鋪完粉后進(jìn)行壓實(shí)，壓力在10-30MPa之間。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是：本方法將SLM技術(shù)和粉末燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能梯度零件，能夠精確控制FGM梯度層厚度，制備質(zhì)量?jī)?yōu)良的FGM材料。同時(shí)也可以快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，大大減少了加工工序，減少了加工周期，降低了生產(chǎn)成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

圖1為本發(fā)明成形裝置供粉缸排列組合方式示意圖。

圖中：1為供料缸、2為橫梁、3為螺栓、4為滾輪、5為電機(jī)、6為電纜、7為控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

一種鎢銅功能梯度材料小型發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的制備。

a.根據(jù)該小型發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的使用特點(diǎn)，該成形件材料為鎢銅功能梯度材料，外徑為100mm，內(nèi)徑為80mm，高度為100mm。其中銅的含量變化梯度為15%，20%，25%，30%，梯度層厚均為25mm，分別稱之為第一梯度層，第二梯度層，第三梯度層，第四梯度層。

b.裝料，將銅的含量為15%，20%，25%，30%的鎢銅合金粉分別裝入不同供料缸，供料缸結(jié)構(gòu)為：螺栓3將供料缸1固定在橫梁2上，供料缸底部安裝帶有輪槽的滾輪4，該滾輪受電機(jī)5控制，電機(jī)5通過電纜6連接控制系統(tǒng)7。根據(jù)成形順序，控制系統(tǒng)控7制每個(gè)料缸1下面的電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使該料缸中的粉末漏出，實(shí)現(xiàn)采階梯式落料方式，依次下落需要成形的粉料。該供料缸中：銅的含量為15%，20%，25%，30%的鎢銅合金粉，采用階梯式分別落料（如圖1所示）。

c.用SolidWorks成形軟件建立該材料的三維模型，零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成六邊形蜂窩狀，六邊形每個(gè)邊長(zhǎng)為10mm，每個(gè)邊厚度為5mm。外形輪廓為實(shí)心結(jié)構(gòu)，外形輪廓壁厚為8mm。

d.利用ANSYS模擬軟件，該零件在700℃，氣體流量為100kg/s，噴管壓力為60000Pa狀態(tài)下，該模型零件的應(yīng)力應(yīng)變分析，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出最佳的成形零件結(jié)構(gòu)。

e.對(duì)成形件模型進(jìn)行切片處理，層片厚度為0.015mm。設(shè)定激光功率掃描速度等參數(shù)：第一梯度層的激光功率為300W，掃描速度6000mm/s；第二梯度層的激光功率為330W，掃描速度6000mm/s；第三梯度層的激光功率為370W，掃描速度6500mm/s；第四梯度層的激光功率為400W，掃描速度7000mm/s。成形時(shí)，鋪粉裝置壓實(shí)輥對(duì)每層鋪好的粉末進(jìn)行壓實(shí)，壓力為15MPa。

f.將成型的零件在1300℃的氮?dú)鈿夥罩袩Y(jié)5h。

g.對(duì)高溫?zé)Y(jié)的零件進(jìn)行熱處理，將燒結(jié)的鎢銅功能梯度材料在350-400℃退火6h左右，隨爐冷卻至室溫。隨后對(duì)成形件表面進(jìn)行噴砂打磨處理，制備出表面質(zhì)量和內(nèi)部組織優(yōu)良的制品。

實(shí)施案例二

一種鋁基SiC功能梯度材料耐熱板的制備。

a.該耐熱板材料為鋁基SiC功能梯度材料，尺寸為100×80×15mm（長(zhǎng)寬高）。鋁基體為ZL101，高度方向SiC的含量變化為：0.6%，0.8%，1.0%，0.8%，0.6%，梯度層厚均為3mm，分別稱之為第一梯度層，第二梯度層，第三梯度層，第四梯度層，第五梯度層。

b.裝料，將SiC的含量變化為：0.6%，0.8%，1.0%，0.8%，0.6%分別裝入圖1中的5個(gè)供料缸，供料缸結(jié)構(gòu)為：螺栓3將供料缸1固定在橫梁2上，供料缸底部安裝帶有輪槽的滾輪4，該滾輪受電機(jī)5控制，電機(jī)5通過電纜6連接控制系統(tǒng)7。根據(jù)成形順序，控制系統(tǒng)控7制每個(gè)料缸1下面的電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使該料缸中的粉末漏出，實(shí)現(xiàn)采階梯式落料方式。通過控制系統(tǒng)設(shè)定供料缸開啟順序依次為：SiC含量分別為0.6%，0.8%，1.0%，0.8%，0.6%的鋁合金粉，采用階梯式分別落料。

c.用SolidWorks成形軟件建立該材料的三維模型，零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成網(wǎng)格狀，每個(gè)網(wǎng)格為正方形，邊長(zhǎng)為5mm，每個(gè)邊厚度為2mm。外形輪廓為實(shí)心結(jié)構(gòu)，外形輪廓壁厚為5mm。

d.利用ANSYS模擬軟件，該零件一側(cè)為800℃，另一側(cè)為室溫，該零件傳熱及應(yīng)變情況，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化模型內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出最佳的成形零件結(jié)構(gòu)。

e.對(duì)成形件模型進(jìn)行切片處理，層片厚度為0.015mm。設(shè)定激光功率掃描速度等參數(shù)：第一梯度層的激光功率為300W，掃描速度6500mm/s；第二梯度層的激光功率為330W，掃描速度7000mm/s；第三梯度層的激光功率為350W，掃描速度7500mm/s；第四梯度層的激光功率為330W，掃描速度7000mm/s；第五梯度層的激光功率為300W，掃描速度6500mm/s。成形時(shí)，鋪粉裝置壓實(shí)輥對(duì)每層鋪好的粉末進(jìn)行壓實(shí)，壓力為10MPa。

f.將成型的零件高溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)工藝為：將成形件裝入爐中隨爐加熱，升溫至250℃保溫30min，再升溫至450℃保溫30min，最后加熱至500℃保溫1h，隨爐冷卻。

g.將燒結(jié)成形的鋁基SiC功能梯度材料在180℃退火5-6h，空冷。

上面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。