一种多材料非均质零件的增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种多材料非均质零件的增材制造方法，所述多材料非均质零件的增材制造包括以下步骤：A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层，合金粉末包括至少两种元素，至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，至少两种元素的挥发程度彼此不同，在电子束或激光选区熔化过程中，对成形层的不同区域和/或不同的成形层施加不同的电子束或激光的能量，使合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在不同区域和/或不同的成形层得到元素含量不同的合金；和B)逐层将多个成形层及其中不同区域熔合堆叠，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。所述增材制造方法具有工艺简单、便于实施、实施成本低、对设备要求低等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多材料非均质零件的增材制造。
技术介绍
增材制造技术是基于“离散-堆积”的原理，通过逐层添加材料实现三维实体零件制备的工艺，该技术具有生产周期短、材料利用率高、适合个性化生产等特点。目前，增材制造技术根据材料输送方式的不同，可以分为送粉式的熔覆沉积技术和粉床式的选区熔化技术。制备材料成分或微结构呈三维变化的多材料非均质零件是增材制造技术的一个重要特征与发展方向。其中，送粉式的熔覆沉积技术基于激光或电子束熔覆沉积技术，通过同步实时送粉或送丝系统，在不同区域的熔覆过程中添加不同成分的材料，可以实现材料成分呈三维变化的多材料非均质零件的制备。而粉床式的选区熔化技术则因不易改变同层粉末的成分，难以制备出成分呈三维变化的多材料非均质零件。然而，无论是送粉式的熔覆沉积技术还是粉床式的选区熔化技术，要制备多材料非均质零件，都需要至少两种成分不同的材料(粉末或丝材)进行分区域的沉积和融合，尚无法采用单一的材料(粉末或丝材)制备出非均质的多材料零件。
技术实现思路
本申请是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识而提出的：粉床式的选区熔化技术的成形环境为真空环境或保护气氛环境，这样可以避免氧化问题，但是也会造成某些元素的含量因蒸发而降低，因此需要在原始粉末中增加易挥发元素的含量或在成形室中输入少量氩气，以便降低真空度，抑制元素的挥发。元素发挥虽然不利于保持材料成分的稳定性，但是如果元素的挥发程度是可控的，也可以成为一种制备新材料的方法。经过专利技术人深入地研究后发现，输入的能量不同，会导致元素的挥发程度不同，而且输入的能量与元素的挥发程度具有稳定的对应关系。因此，可以通过向成形层的不同区域和/或不同的成形层输入不同的能量，使不同的元素以不同程度进行挥发，降低含量，从而可以形成浓度梯度结构。本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种具有工艺简单、便于实施、实施成本低、对设备要求低的优点的多材料非均质零件的增材制造方法。根据本专利技术实施例的多材料非均质零件的增材制造方法包括以下步骤：A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层，所述合金粉末包括至少两种元素，所述至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，所述至少两种元素的挥发程度彼此不同，其中在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层的不同区域和/或不同的所述成形层施加不同的电子束或激光的能量，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述不同区域和/或不同的所述成形层得到元素含量不同的合金；和B)逐层将多个所述成形层及其中所述不同区域熔合堆叠，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。根据本专利技术实施例的多材料非均质零件的增材制造方法具有工艺简单、便于实施、实施成本低、对设备要求低的优点。另外，根据本专利技术上述实施例的多材料非均质零件的增材制造方法还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的一个实施例，在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层的不同区域采用不同的电子束扫描参数或激光扫描参数，以便施加不同的能量η，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述成形层的所述不同区域得到元素含量不同的合金，获得层内成分梯度结构。根据本专利技术的一个实施例，在多个所述成形层的选区熔化过程中，对不同的所述成形层采用不同的电子束扫描参数或激光扫描参数，以便施加不同的能量，在成形层间得到元素含量不同的合金，获得层间成分梯度结构。根据本专利技术的一个实施例，利用电子束或激光扫描施加所述能量。根据本专利技术的一个实施例，在真空环境或保护气氛环境下实施所述步骤A)和所述步骤B)中的每一个，利用电子束或激光施加所述能量。根据本专利技术的一个实施例，在10-4Pa-10-1Pa的气压或保护气氛下实施所述步骤A)和所述步骤B)中的每一个。根据本专利技术的一个实施例，所述电子束扫描参数包括电子束功率、束斑直径、扫描速度、扫描方向、扫描线间距、扫描线长度和扫描次数中的至少一种，所述激光扫描参数包括激光功率、束斑直径、扫描速度、扫描方向、扫描线间距、扫描线长度和扫描次数中的至少一种。根据本专利技术的一个实施例，所述合金粉末包括2-10种元素。附图说明图1是用于实施根据本专利技术实施例的多材料非均质零件的增材制造方法的装置的结构示意图；图2是图1的局部示意图；图3是图2的三维等轴视图；图4是根据本专利技术第一可选实施例的非均质梯度零件增材制造方法示意图；图5是根据本专利技术第二可选实施例的非均质梯度零件增材制造方法示意图；图6是根据本专利技术第三可选实施例的非均质梯度零件增材制造方法示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参考附图描述根据本专利技术实施例的多材料非均质零件的增材制造方法。如图1所示，根据本专利技术实施例的多材料非均质零件的增材制造方法包括以下步骤：A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层4，所述合金粉末包括至少两种元素，所述至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，所述至少两种元素的挥发程度彼此不同，其中在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层4的不同区域(5、6和7)和/或不同的成形层4施加不同的电子束或激光的能量，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述不同区域和/或不同的成形层4得到元素含量不同的合金；和B)逐层将多个所述成形层4及其中所述不同区域(5、6和7)熔合堆叠，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。也就是说，根据本专利技术实施例的多材料非均质零件的增材制造方法包括以下步骤：A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层4，所述合金粉末包括至少两种元素，所述至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，所述至少两种元素的挥发程度彼此不同；和B)重复该步骤A)并形成多个所述成形层4，其中在所述步骤A)和所述步骤B)中的至少一个中，即在所述电子束或激光选区熔化过程中，对零件的不同部分施加不同的电子束或激光的能量，使所述合金粉末所含的所述至少两种元素发生不同程度的挥发，以便在所述零件的不同部分得到元素含量不同的合金，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。根据本专利技术实施例的多材料非均质零件的增材制造方法是基于元素差异性的挥发的方法，实现层内成分梯度结构和/或层间成分梯度结构的制备。由于不同的金属元素具有不同
的饱和蒸汽压，因此不同的元素具有不同的挥发程度，即挥发的差异性。本申请根据液态合金的热力学和动力学过程，建立增材制造中输入的能量与合金液态熔池中元素的挥发程度的关系，为梯度材料的制备提供依据。其中，输入的能量与元素的挥发程度具有稳定的对应关系。根据本专利技术实施例的多材料非均质零件的增材制造方法通过对成形层4的不同区域和/或不同的成形层4施加不同的电子束或激光的能量，从而可以使不同的元素以不同的程度进行挥发，由此可以得到层内成分梯度结构和/或层间成分梯度结构。在现有的送粉式的熔覆沉积技术中，为了获得层间成分梯度结构，需要使用多种合金粉末。具体而言，当部件具有N个浓度梯度时，需要准备N种合金粉末，并利用N个喷嘴分别供给N种合金粉末。由此不仅极大地增加了制造设备的复杂程度和制造成本，而且增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层，所述合金粉末包括至少两种元素，所述至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，所述至少两种元素的挥发程度彼此不同，其中在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层的不同区域和/或不同的所述成形层施加不同的电子束或激光的能量，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述不同区域和/或不同的所述成形层得到元素含量不同的合金；和B)逐层将多个所述成形层及其中所述不同区域熔合堆叠，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。

【技术特征摘要】
1.一种多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：A)利用合金粉末通过电子束或激光选区熔化形成成形层，所述合金粉末包括至少两种元素，所述至少两种元素的饱和蒸汽压彼此不同，所述至少两种元素的挥发程度彼此不同，其中在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层的不同区域和/或不同的所述成形层施加不同的电子束或激光的能量，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述不同区域和/或不同的所述成形层得到元素含量不同的合金；和B)逐层将多个所述成形层及其中所述不同区域熔合堆叠，最终获得元素成分呈三维变化的非均质梯度零件。2.根据权利要求1所述的多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于：在所述电子束或激光选区熔化过程中，对所述成形层的不同区域采用不同的电子束扫描参数或激光扫描参数，以便施加不同的能量η，使所述合金粉末所含的元素发生不同程度的挥发，以便在所述成形层的所述不同区域得到元素含量不同的合金，获得层内成分梯度结构。3.根据权利要求1所述的多材料非均质零件的增材制造方法，其特征在于，在多个所述成形层的选区熔化过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：林峰，闫文韬，葛文君，郭超，张磊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11