一種基于選區激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法技術

本發明專利技術提出了一種基于選區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技術和粉末燒結技術相結合，首先進行SLM成形，在零件不同截面鋪設不同成分材料，并用激光熔化成形該零件的外形輪廓及零件內部部分結構，整個零件外形輪廓成形后，將零件進行高溫燒結，使零件輪廓內部未被熔化的粉末燒結成形。該方法能夠精確控制功能梯度材料厚度，制備質量優良的FGM材料，同時也可以快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，大大減少了加工工序，減少了加工周期，降低了生產成本。

Method for forming functional gradient material of powder metallurgy based on selective laser melting

The invention provides a method for powder metallurgy forming functional gradient materials of selective laser melting based on the forming method of the SLM technology and sintering technology, the first to SLM forming, laying material in different sections of different components and parts, forming part of the internal structure of the outline and the parts of the parts by laser melting, the the contour of parts after forming, part of high-temperature sintering, the contour of the part is not within the powder sintering melting forming. The method can accurately control the thickness of functionally graded materials, preparation of high quality FGM materials, but also can quickly and accurately produce arbitrarily complex shape parts, greatly reduce the processing, reduce the processing cycle, reduce the cost of production.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術一種基于選區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

技術介紹
功能梯度材料（FGM）是采用先進的材料復合技術，使材料的組成、結構沿厚度方向呈梯度變化的一種新型的非均質復合材料。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力緩和問題，應用前景廣闊。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，且梯度層的復合物系可選擇性較大，梯度層的密度可控，適于飛機發動機及高效燃汽機的引擎部件的表面保護。氣相沉積法包括化學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反應形成沉積層，后者是利用材料的物理反應使材料蒸發，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，首先計算出各梯度層的成分，然后按成分設計進行混料、布料、成形，最后進行燒結。這種方法易于操作，控制靈活，適于工業生產，可以制備大尺寸材料，不足之處是制備復雜結構零件時，需要額外定制模具，周期較長，而且成本較高。自蔓延燒結法是通過反應劑在一定條件下發生熱化學反應，產生高溫高壓來合成。這種方法的優點是合成時間短、操作簡單，但這種方法需要專用設備。成形精度難以把握，往往需要進行二次加工。綜上所述，FGM應用前景廣闊，但是FGM材料制備時各梯度層厚度難以把握，FGM復雜零件成形成本高、周期長，成形精度仍需進一步提高。選擇性激光熔化成形技術（SLM）可以成形任意形狀的復雜零件，其基本原理是：首先用三維軟件建立零件模型，利用切片軟件進行切片處理，獲得零件的二維輪廓信息并導入成型設備。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，激光束再按當前層的填充輪廓線選區熔化成形基板上的金屬粉末。加工完當前層后，鋪粉裝置在已加工好的當前層上鋪好金屬粉末，設備調入下一層輪廓的數據進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。SLM技術可制備形狀復雜的金屬零件，同時由于高激光功率可熔化成形高熔點金屬。該技術可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，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，成形效率仍需進一步提高。
技術實現思路
本專利技術克服了現有技術存在的不足，提供了一種基于選區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技術和粉末燒結技術相結合，首先進行SLM成形，在零件不同截面鋪設不同成分材料，并用激光熔化成形該零件的外形輪廓及零件內部部分結構，整個零件外形輪廓成形后，將零件進行高溫燒結，使零件輪廓內部未被熔化的粉末燒結成形。為了解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案為：一種基于選區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.根據成形零件需要，計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，并設定供粉缸落料方式。c.用三維軟件設計功能梯度材料的成形模型。d.對成形件的使用情況進行模擬，分析溫度、受力等對成形件的影響，進一步優化成形件結構模型。e.對成形件模型進行切片處理，設定層厚度、激光功率、掃描速度等工藝參數并傳輸到成形機，進行SLM成形。f.將成形零件進行高溫燒結。g.對高溫燒結的零件進行熱處理，表面噴砂打磨。優選的，所述步驟b中，采用由多個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，該滾輪受電機控制，電機連接控制系統。根據成形順序，控制系統控制每個料缸下面的電機轉動，從而使該料缸中的粉末漏出，實現采階梯式落料方式，依次下落需要成形的粉料。優選的，所述步驟c中，零件內部結構設計成蜂窩狀，外形輪廓為實心，外形輪廓壁厚為5-10mm。優選的，所述步驟e中，在SLM成形過程中，鋪完粉后進行壓實，壓力在10-30MPa之間。本專利技術與現有技術相比具有的有益效果是：本方法將SLM技術和粉末燒結技術相結合制備復雜結構的功能梯度零件，能夠精確控制FGM梯度層厚度，制備質量優良的FGM材料。同時也可以快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，大大減少了加工工序，減少了加工周期，降低了生產成本。附圖說明下面結合附圖對本專利技術做進一步的說明。圖1為本專利技術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、6為電纜、7為控制系統。具體實施方式實施例一一種鎢銅功能梯度材料小型發動機噴管的制備。a.根據該小型發動機噴管的使用特點，該成形件材料為鎢銅功能梯度材料，外徑為100mm，內徑為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，供料缸結構為：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5控制，電機5通過電纜6連接控制系統7。根據成形順序，控制系統控7制每個料缸1下面的電機2轉動，從而使該料缸中的粉末漏出，實現采階梯式落料方式，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，零件內部結構設計成六邊形蜂窩狀，六邊形每個邊長為10mm，每個邊厚度為5mm。外形輪廓為實心結構，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狀態下，該模型零件的應力應變分析，并根據模擬結果進一步優化模型結構，設計出最佳的成形零件結構。e.對成形件模型進行切片處理，層片厚度為0.015mm。設定激光功率掃描速度等參數：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，鋪粉裝置壓實輥對每層鋪好的粉末進行壓實，壓力為15MPa。f.將成型的零件在1300℃的氮氣氣氛中燒結5h。g.對高溫燒結的零件進行熱處理，將燒結的鎢銅功能梯度材料在350-400℃退火6h左右，隨爐冷卻至室溫。隨后對成形件表面進行噴砂打磨處理，制備出表面質量和內部組織優良的制品。實施案例二一種鋁基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個供料缸，供料缸結構為：螺栓3將供料缸1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于選區激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，其特征在于：將SLM技術和粉末燒結技術相結合，首先進行SLM成形，在零件不同截面鋪設不同成分材料，并用激光熔化成形該零件的外形輪廓及零件內部部分結構，整個零件外形輪廓成形后，將零件進行高溫燒結，使零件輪廓內部未被熔化的粉末燒結成形，具體按照以下步驟施行：第一步、根據成形零件需要，計算功能梯度材料成分配比、梯度組分及層厚；第二步、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，并設定供粉缸落料方式；第三步、用三維軟件設計功能梯度材料的成形模型；第四步、對成形件的使用情況進行模擬，分析溫度、受力對成形件的影響，進一步優化成形件結構模型；第五步、對成形件模型進行切片處理，設定層厚度、激光功率、掃描速度的工藝參數并傳輸到成形機，進行SLM成形，第六步：將成形零件進行高溫燒結；第七步：對高溫燒結的零件進行熱處理，表面噴砂打磨。

【技術特征摘要】
1.一種基于選區激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，其特征在于：將SLM技術和粉末燒結技術相結合，首先進行SLM成形，在零件不同截面鋪設不同成分材料，并用激光熔化成形該零件的外形輪廓及零件內部部分結構，整個零件外形輪廓成形后，將零件進行高溫燒結，使零件輪廓內部未被熔化的粉末燒結成形，具體按照以下步驟施行：第一步、根據成形零件需要，計算功能梯度材料成分配比、梯度組分及層厚；第二步、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，并設定供粉缸落料方式；第三步、用三維軟件設計功能梯度材料的成形模型；第四步、對成形件的使用情況進行模擬，分析溫度、受力對成形件的影響，進一步優化成形件結構模型；第五步、對成形件模型進行切片處理，設定層厚度、激光功率、掃描速度的工藝參數并傳輸到成形機，進行SLM成形，第六步：將成形零件進行高溫燒結；第七步：...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙占勇，白培康，李寶強，李玉新，劉斌，王建宏，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：山西;14