多功能梯度零件的電磁柔性復合熔積直接制備成形方法技術

多功能梯度零件的電磁柔性復合熔積直接制備成形方法，本發(fā)明專利技術以高效、低成本的高能束或電弧等為基本熱源，在電弧三維熔積成形過程中引入靜態(tài)磁場或交變磁場或者同時引入二者，在CAD/CAM軟件的支持下，計算機控制熔積槍或工件按設定空間軌跡運動，利用作用于熔池及附近微小區(qū)域的電磁復合能量場來加熱熔化理想梯度配比的材料，實現(xiàn)多功能梯度零件的熔積成形形狀和成分組織空間分布的自由柔性調(diào)控，使之用于航空、艦船、汽車發(fā)動機或能源等領域具有抗氧化性、抗蠕變、抗疲勞等多功能的高性能零部件的開發(fā)與生產(chǎn)。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于先進快速成形技術，具體涉及，本專利技術用于抗氧化性、抗蠕變、抗疲勞等多功能的高性能零件的快速成形與制造。
技術介紹
FGM零件的常規(guī)制造方法大致可分為粉末冶金法(如固相燒結(jié)法、液相燒結(jié)法、熔滲法、控制氣氛燒結(jié)法、溫度梯度法)和涂層法(如鍍層法、電鑄法、氣相沉積法、溶膠-凝膠法、等離子熔射法)。前一類方法的工藝流程涉及預成形、燒結(jié)、調(diào)質(zhì)處理和深加工過程，成形過程與梯度材料制備的燒結(jié)過程相分離，制造流程和周期長，影響成品質(zhì)量的因素較多，保證質(zhì)量可靠性的技術難度大，能耗大，且需要成形用模具，成本高，很難滿足復雜和大型零部件的梯度材料成形要求。后一類方法一定程度上滿足復雜制件的加工要求，但基體 大都需用模具或機加工成形，梯度層限于表面薄層，不易與基體冶金結(jié)合，成形過程與梯度層的制備過程相分離，且其中的化學方法存在制備效率低與廢液污染問題。這些方法無論哪一種都存在以下主要問題(I)零件成形過程與梯度功能材料的制備過程相分離，制造工藝復雜、流程長，成本高；(2)局限于制造簡單梯度源或表面梯度源的FGM零件，對于增強相與基體材料的物理化學性質(zhì)差異大的制件，難以按設計來控制材料成分與組織呈梯度分布，以致無法制造面向服役條件的三維復雜梯度材料的高性能零件。所以，迫切需要開發(fā)三維復雜梯度零件制備_成形一體化的智能化短流程制造技術。此類高性能零件的成形技術與裝備的綠色化、數(shù)字化、智能化是高端制造的重要標志和發(fā)展趨勢。研究開發(fā)多功能梯度零件制備成形一體化的智能設計與短流程制造新方法，已成為尖端材料先進成形科學與技術的國際前沿熱點課題和當今世界先進制造科技實力競爭的制高點。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于提供一種，該方法能夠顆粒增強金屬基多功能梯度零件的熔積成形形狀和成分組織空間分布的自由柔性調(diào)控。本專利技術提供的一種多功能梯度零件的直接制備成形方法，其步驟包括(I)建模及分層處理步驟首先運用三維造型軟件對零件進行建模，然后對所建模型進行分層切片處理，得到分層切片數(shù)據(jù)；(2)生成數(shù)控代碼步驟根據(jù)零件的模型分層切片數(shù)據(jù)和各層尺寸和形狀的特點進行成形路徑規(guī)劃，生成成形加工所需的各層數(shù)控代碼，保存在一個STL文件中；(3)熔積成形步驟采用氣體保護焊束或激光束作為基本熱源，控制系統(tǒng)控制熱源按照STL文件中的數(shù)控代碼指定的軌跡運行，在基板上將原料粉末或絲材逐層熔積成形，同時對熔池施加磁場作用，直到制作完成零件。本專利技術以高效、低成本的氣體保護焊束或激光束等為基本熱源，在電弧三維熔積成形過程中引入靜態(tài)磁場或交變磁場或者同時引入二者，在CAD/CAM軟件的支持下，計算機控制熔積槍或工件按設定空間軌跡運動，利用作用于熔池及附近微小區(qū)域的電磁復合能量場來加熱熔化理想梯度配比的材料，實現(xiàn)多功能梯度零件的熔積成形形狀和成分組織空間分布的自由柔性調(diào)控，使之用于航空、艦船、汽車發(fā)動機或能源等領域具有抗氧化性、抗蠕變、抗疲勞等多功能的高性能零部件的開發(fā)與生產(chǎn)。具體而言，本專利技術具有以下顯著的特點和進步(I)以高效、低成本的氣體保護焊束或激光束作為材料制備與成形一體化的基本 熱源，在熔積成形過程中引入高頻交變磁場或靜態(tài)磁場或者同時引入二者，高頻交變磁場在熔積過程中起細化晶粒，松弛熱應力，大幅度降低殘余應力，防止熱裂和翹曲變形，減少或消除熔融材料流淌、坍塌、表面階梯效應；或者使用永磁鐵產(chǎn)生靜態(tài)磁場來控制液體金屬的流動、控制液體金屬的形核與生長等凝固過程、減輕體積質(zhì)量偏析、控制結(jié)晶取向等；或者二者復合，產(chǎn)生復合電磁場，綜合影響作用。(2)利用電_磁-熱力復合能量場，誘導晶粒生長方向，控制結(jié)晶形態(tài)、晶粒度，使晶粒大小、組織形態(tài)與成分分布最大限度接近理想梯度設計值，實現(xiàn)新型多功能梯度高溫零件理想組織的自由柔性創(chuàng)制。(3)電磁場僅作用于熔池及附近的局部區(qū)域，遠小于現(xiàn)有電磁約束熔體自由成形技術電磁場作用的體積，既能按設計自由調(diào)控FGM零件的組織特征和成分的空間分布、改善成形性，又可避免設備體積和成本的顯著增加，污染小，是高質(zhì)量、短流程、低成本的難加工FGM零件的無模直接成形技術。附圖說明圖I為簡單薄壁件三維模型圖，圖中，I表示焊道，2表示基板；圖2為簡單曲面三維模型圖，圖中，I表示焊道，2表示基板。具體實施例方式以高效、低成本的氣體保護焊束或激光束為基本熱源，在采用這些基本熱源的三維熔積成形過程中引入靜態(tài)磁場和交變磁場，在FGM-CAD/CAM軟件的支持下，計算機控制送料單元工作，并按成分空間分布，使熔積槍或工件按設定空間軌跡運動；同時調(diào)控電-磁場的復合方式、空間配置與電磁參數(shù)使其隨時間變化，利用作用于熔池及附近微小區(qū)域的電磁復合能量場來加熱熔化理想梯度配比的材料，并控制其凝固過程的相變、結(jié)晶形核和長大，以及再結(jié)晶過程的晶粒形核與溶質(zhì)/增強顆粒的分布，從而實現(xiàn)顆粒增強金屬基多功能梯度零件的熔積成形形狀和成分組織空間分布的自由柔性調(diào)控。本專利技術提供的一種，其步驟包括(I)建模及分層處理步驟首先運用UG或者PROE三維造型軟件對零件進行建模，模型包括三維坐標尺寸及材料隨空間的分布，然后對所建模型進行分層切片處理，得到分層切片數(shù)據(jù)；(2)生成數(shù)控代碼步驟根據(jù)零件的模型分層切片數(shù)據(jù)和各層尺寸和形狀的特點進行成形路徑規(guī)劃，生成成形加工所需的各層數(shù)控代碼，保存在一個STL文件中；(3)熔積成形步驟將上述模型的STL文件傳至數(shù)控機床或機器人控制系統(tǒng)中，在數(shù)控機床或機器人懸臂上固定焊槍或激光頭，同樣固定的還有用來產(chǎn)生交變電磁場的電磁線圈或者用來產(chǎn)生靜態(tài)磁場的永磁鐵；采用氣體保護焊束或激光束作為基本熱源，控制系統(tǒng)控制數(shù)控機床或機器人懸臂帶動焊槍按照STL文件中的數(shù)控代碼指定的軌跡運行，在基板上將金屬、金屬間化合物、陶瓷及復合梯度功能材料的粉末或絲材逐層熔積成形，同時對熔池施加磁場作用(高頻交變磁場、靜態(tài)磁場或者二者的復合磁場)，交變磁場能對熔池產(chǎn)生攪拌作用，使焊態(tài) 下組織碎片化，這些碎片成為再次結(jié)晶的晶核，從而起到細化晶粒的作用，而且攪拌作用能減小溫度梯度和化學成分梯度，這樣能起到松弛熱應力的作用；而靜態(tài)磁場則能使焊態(tài)下柱狀晶沿著磁場力方向定向生長，靜態(tài)磁場能夠控制液體金屬的流動、控制液體金屬的形核與生長等凝固過程、減輕體積質(zhì)量偏析、控制結(jié)晶取向等。二者復合時則綜合影響作用。，其特征在于用來產(chǎn)生交變電磁場的電磁線圈，其頻率為1-350KHZ，匝數(shù)為5-50匝，電流為1-500A。而永磁鐵則采用Y30鐵氧體永磁鐵，永磁鐵的物理特性如下表I :表I鐵氧體永磁鐵參數(shù) 材料密度 .1:作溫IaHl溫矯力剩鐵內(nèi)級嬌環(huán)力敁人磁能枳 牌 9 g/cmi 度廣C 度/V /KA/m /T/KA/m/KJ/ra3 ￥30 i~i iii ii m~m~1-371 Iio-Iiio ~的特征在于所述熔積成形步驟中，若成形體達不到零件的尺寸和表面精度的要求，則在成形過程中逐層或多層分段采用銑削、研磨、拋光，對成形體進行精整加工，直至達到零件的尺寸和表面要求。下面結(jié)合附圖對本專利技術的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本專利技術，但并不構(gòu)成對本專利技術的限定。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。實施例I :基于方本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種多功能梯度零件的直接制備成形方法，其步驟包括：(1)建模及分層處理步驟：首先運用三維造型軟件對零件進行建模，然后對所建模型進行分層切片處理，得到分層切片數(shù)據(jù)；(2)生成數(shù)控代碼步驟：根據(jù)零件的模型分層切片數(shù)據(jù)和各層尺寸和形狀的特點進行成形路徑規(guī)劃，生成成形加工所需的各層數(shù)控代碼，保存在一個STL文件中；(3)熔積成形步驟：采用氣體保護焊束或激光束作為基本熱源，控制系統(tǒng)控制熱源按照STL文件中的數(shù)控代碼指定的軌跡運行，在基板上將原料粉末或絲材逐層熔積成形，同時對熔池施加磁場作用，直到制作完成零件。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張海鷗，雷磊，王桂蘭，柏興旺，王湘平，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：