一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法技术

本发明专利技术提出了一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，该成形方法将SLM技术和粉末烧结技术相结合，首先进行SLM成形，在零件不同截面铺设不同成分材料，并用激光熔化成形该零件的外形轮廓及零件内部部分结构，整个零件外形轮廓成形后，将零件进行高温烧结，使零件轮廓内部未被熔化的粉末烧结成形。该方法能够精确控制功能梯度材料厚度，制备质量优良的FGM材料，同时也可以快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，大大减少了加工工序，减少了加工周期，降低了生产成本。

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.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，属于3D打印增材制造

技术介绍
功能梯度材料（FGM）是采用先进的材料复合技术，使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化的一种新型的非均质复合材料。从材料的组合方式来看，功能梯度材料可分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式，从而获得多种特殊功能的材料，能够解决高速航空航天器中材料的热应力缓和问题，应用前景广阔。FGM的制备方法主要有等离子喷涂、气相沉积、粉末冶金、自蔓延烧结等方法。等离子喷涂法从理论上说可以做出无限大的材料，且梯度层的复合物系可选择性较大，梯度层的密度可控，适于飞机发动机及高效燃汽机的引擎部件的表面保护。气相沉积法包括化学气相沉积和物理气相沉积两类，前者是利用材料的气体间的化学反应形成沉积层，后者是利用材料的物理反应使材料蒸发，然后沉积到另一材料表面。气相沉积法速率太慢，只适合制薄膜类材料。粉末冶金法，首先计算出各梯度层的成分，然后按成分设计进行混料、布料、成形，最后进行烧结。这种方法易于操作，控制灵活，适于工业生产，可以制备大尺寸材料，不足之处是制备复杂结构零件时，需要额外定制模具，周期较长，而且成本较高。自蔓延烧结法是通过反应剂在一定条件下发生热化学反应，产生高温高压来合成。这种方法的优点是合成时间短、操作简单，但这种方法需要专用设备。成形精度难以把握，往往需要进行二次加工。综上所述，FGM应用前景广阔，但是FGM材料制备时各梯度层厚度难以把握，FGM复杂零件成形成本高、周期长，成形精度仍需进一步提高。选择性激光熔化成形技术（SLM）可以成形任意形状的复杂零件，其基本原理是：首先用三维软件建立零件模型，利用切片软件进行切片处理，获得零件的二维轮廓信息并导入成型设备。激光束开始扫描前，铺粉装置首先把金属粉末平铺到成形缸的基板上，激光束再按当前层的填充轮廓线选区熔化成形基板上的金属粉末。加工完当前层后，铺粉装置在已加工好的当前层上铺好金属粉末，设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。SLM技术可制备形状复杂的金属零件，同时由于高激光功率可熔化成形高熔点金属。该技术可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，大大减少了加工工序，减少了加工周期。SLM成形过程中，由于是逐层激光熔化成形，成形效率仍需进一步提高。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术存在的不足，提供了一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，该成形方法将SLM技术和粉末烧结技术相结合，首先进行SLM成形，在零件不同截面铺设不同成分材料，并用激光熔化成形该零件的外形轮廓及零件内部部分结构，整个零件外形轮廓成形后，将零件进行高温烧结，使零件轮廓内部未被熔化的粉末烧结成形。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法，具体按照以下步骤施行：a.根据成形零件需要，计算功能梯度材料成分配比、梯度组分及层厚。b.装料，制备不同组份的成形粉末，并将不同组份的粉末按顺序依次装入供料缸，并设定供粉缸落料方式。c.用三维软件设计功能梯度材料的成形模型。d.对成形件的使用情况进行模拟，分析温度、受力等对成形件的影响，进一步优化成形件结构模型。e.对成形件模型进行切片处理，设定层厚度、激光功率、扫描速度等工艺参数并传输到成形机，进行SLM成形。f.将成形零件进行高温烧结。g.对高温烧结的零件进行热处理，表面喷砂打磨。优选的，所述步骤b中，采用由多个供料缸组成的上供粉方式，供料缸截面为梯形，通过螺栓将多个供料缸固定在横梁上，供料缸底部安装带有轮槽的滚轮，该滚轮受电机控制，电机连接控制系统。根据成形顺序，控制系统控制每个料缸下面的电机转动，从而使该料缸中的粉末漏出，实现采阶梯式落料方式，依次下落需要成形的粉料。优选的，所述步骤c中，零件内部结构设计成蜂窝状，外形轮廓为实心，外形轮廓壁厚为5-10mm。优选的，所述步骤e中，在SLM成形过程中，铺完粉后进行压实，压力在10-30MPa之间。本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是：本方法将SLM技术和粉末烧结技术相结合制备复杂结构的功能梯度零件，能够精确控制FGM梯度层厚度，制备质量优良的FGM材料。同时也可以快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，大大减少了加工工序，减少了加工周期，降低了生产成本。附图说明下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。图1为本专利技术成形装置供粉缸排列组合方式示意图。图中：1为供料缸、2为横梁、3为螺栓、4为滚轮、5为电机、6为电缆、7为控制系统。具体实施方式实施例一一种钨铜功能梯度材料小型发动机喷管的制备。a.根据该小型发动机喷管的使用特点，该成形件材料为钨铜功能梯度材料，外径为100mm，内径为80mm，高度为100mm。其中铜的含量变化梯度为15%，20%，25%，30%，梯度层厚均为25mm，分别称之为第一梯度层，第二梯度层，第三梯度层，第四梯度层。b.装料，将铜的含量为15%，20%，25%，30%的钨铜合金粉分别装入不同供料缸，供料缸结构为：螺栓3将供料缸1固定在横梁2上，供料缸底部安装带有轮槽的滚轮4，该滚轮受电机5控制，电机5通过电缆6连接控制系统7。根据成形顺序，控制系统控7制每个料缸1下面的电机2转动，从而使该料缸中的粉末漏出，实现采阶梯式落料方式，依次下落需要成形的粉料。该供料缸中：铜的含量为15%，20%，25%，30%的钨铜合金粉，采用阶梯式分别落料（如图1所示）。c.用SolidWorks成形软件建立该材料的三维模型，零件内部结构设计成六边形蜂窝状，六边形每个边长为10mm，每个边厚度为5mm。外形轮廓为实心结构，外形轮廓壁厚为8mm。d.利用ANSYS模拟软件，该零件在700℃，气体流量为100kg/s，喷管压力为60000Pa状态下，该模型零件的应力应变分析，并根据模拟结果进一步优化模型结构，设计出最佳的成形零件结构。e.对成形件模型进行切片处理，层片厚度为0.015mm。设定激光功率扫描速度等参数：第一梯度层的激光功率为300W，扫描速度6000mm/s；第二梯度层的激光功率为330W，扫描速度6000mm/s；第三梯度层的激光功率为370W，扫描速度6500mm/s；第四梯度层的激光功率为400W，扫描速度7000mm/s。成形时，铺粉装置压实辊对每层铺好的粉末进行压实，压力为15MPa。f.将成型的零件在1300℃的氮气气氛中烧结5h。g.对高温烧结的零件进行热处理，将烧结的钨铜功能梯度材料在350-400℃退火6h左右，随炉冷却至室温。随后对成形件表面进行喷砂打磨处理，制备出表面质量和内部组织优良的制品。实施案例二一种铝基SiC功能梯度材料耐热板的制备。a.该耐热板材料为铝基SiC功能梯度材料，尺寸为100×80×15mm（长宽高）。铝基体为ZL101，高度方向SiC的含量变化为：0.6%，0.8%，1.0%，0.8%，0.6%，梯度层厚均为3mm，分别称之为第一梯度层，第二梯度层，第三梯度层，第四梯度层，第五梯度层。b.装料，将SiC的含量变化为：0.6%，0.8%，1.0%，0.8%，0.6%分别装入图1中的5个供料缸，供料缸结构为：螺栓3将供料缸1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于选区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：将SLM技术和粉末烧结技术相结合，首先进行SLM成形，在零件不同截面铺设不同成分材料，并用激光熔化成形该零件的外形轮廓及零件内部部分结构，整个零件外形轮廓成形后，将零件进行高温烧结，使零件轮廓内部未被熔化的粉末烧结成形，具体按照以下步骤施行：第一步、根据成形零件需要，计算功能梯度材料成分配比、梯度组分及层厚；第二步、装料，制备不同组份的成形粉末，并将不同组份的粉末按顺序依次装入供料缸，并设定供粉缸落料方式；第三步、用三维软件设计功能梯度材料的成形模型；第四步、对成形件的使用情况进行模拟，分析温度、受力对成形件的影响，进一步优化成形件结构模型；第五步、对成形件模型进行切片处理，设定层厚度、激光功率、扫描速度的工艺参数并传输到成形机，进行SLM成形，第六步：将成形零件进行高温烧结；第七步：对高温烧结的零件进行热处理，表面喷砂打磨。

【技术特征摘要】
1.一种基于选区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：将SLM技术和粉末烧结技术相结合，首先进行SLM成形，在零件不同截面铺设不同成分材料，并用激光熔化成形该零件的外形轮廓及零件内部部分结构，整个零件外形轮廓成形后，将零件进行高温烧结，使零件轮廓内部未被熔化的粉末烧结成形，具体按照以下步骤施行：第一步、根据成形零件需要，计算功能梯度材料成分配比、梯度组分及层厚；第二步、装料，制备不同组份的成形粉末，并将不同组份的粉末按顺序依次装入供料缸，并设定供粉缸落料方式；第三步、用三维软件设计功能梯度材料的成形模型；第四步、对成形件的使用情况进行模拟，分析温度、受力对成形件的影响，进一步优化成形件结构模型；第五步、对成形件模型进行切片处理，设定层厚度、激光功率、扫描速度的工艺参数并传输到成形机，进行SLM成形，第六步：将成形零件进行高温烧结；第七步：...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵占勇，白培康，李宝强，李玉新，刘斌，王建宏，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14