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與流程

本發明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打印增材制造技術領域。

背景技術：

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。

技術實現要素：

本發明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，本發明采用的技術方案為：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。

本發明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

下面結合附圖對本發明做進一步的說明。

圖1為本發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、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。通過控制系統設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，零件內部結構設計成網格狀，每個網格為正方形，邊長為5mm，每個邊厚度為2mm。外形輪廓為實心結構，外形輪廓壁厚為5mm。

d.利用ANSYS模擬軟件，該零件一側為800℃，另一側為室溫，該零件傳熱及應變情況，并根據模擬結果進一步優化模型內部網格結構，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，鋪粉裝置壓實輥對每層鋪好的粉末進行壓實，壓力為10MPa。

f.將成型的零件高溫燒結。燒結工藝為：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.將燒結成形的鋁基SiC功能梯度材料在180℃退火5-6h，空冷。

上面結合實施例對本發明作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。