[发明专利]基于三维异质铺粉的功能梯度零件增材制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其是涉及一种基于三维异质铺粉的功能梯度零件增材制造方法。

背景技术

现代水电、宇航、电子、海洋、生物医疗等技术的迅猛发展，对零件的性能提出了更高的要求，例如零件的不同部位需要呈现不同的特性，如力学性能、耐高温、腐蚀性能、抗氧化性能、外观性能等。一般的单质零件很难满足这些条件，传统的复合材料零件虽然可以综合利用单一材料的性能，但是零件内部往往存在着大量基体和增强材料不同相之间的界面，这些界面是应力分布发生突变或应力集中的区域，对于零件的整体性能产生负面影响，另外，传统复合材料往往很难制成复杂的三维零件。

1984年，日本国立宇航实验室从层状平滑连续变化的贝壳壳体断面组织中得到启发，提出了功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，简称FGM)的设想。这种“组分、结构和性能连续变化”的材料，最早被用于宇航器材的热防护。功能梯度材料制成的功能梯度零件，有着广泛的应用前景。如生物组织工程中应用的支架，需要匹配被替代部位的力学性能，以骨替代为例，支架由内部向外需分别匹配密质骨、松质骨、皮质骨的力学性能。再如航天发动机中使用的压气机叶片盘，在盘缘和盘芯要求较高的室温塑性、强度和低周疲劳性能，而盘缘则要有高的高温断裂韧性和蠕变抗力。以上零件不仅具有复杂的三维结构，零件内部还有着复杂的功能梯度，这为加工技术提出了新的要求。

增材制造技术是采用将材料逐步累积成形三维零件的技术，与传统的材料去除加工方法相比，具有节约材料，加工速度快，灵活性高，可加工的结构度复杂度高等优点。

在众多增材制造技术中，选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)与选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting，简称SLM)是目前被广泛应用的增材制造方法。相比其他增材制造技术，选择性激光烧结和选择性激光熔化技术具有可加工的材料范围广、不需要额外设计支撑结构、材料利用率高等优点。这两种技术的基本原理是：首先对零件的三维CAD模型进行切片，获得每一层切片的截面信息。铺粉装置在成形缸内铺一层粉末，采用激光在该层粉末上进行选择性的扫描，使得扫描区的粉末粘结或熔化，得到零件的单层形状；接着成形缸底部的活塞下降一个高度，铺粉装置在前一层粉末上再铺设一层粉末，激光则按照下一层切片的截面信息对粉末进行选择性扫描；依此逐层累加，最终获得三维的零件。近年来也出现了采用电子束代替激光，作为能量输入的选区电子束熔化技术(Electron Beam Melting，简称EBM)，但其基本原理相同。

利用传统的SLS(SLM，EBM)技术，可以加工出结构复杂的三维零件，但是难以实现零件内部复杂的功能梯度。目前常用的方法，是通过连续改变激光(电子束)的加工参数，来获得空隙率、微观组织等性能连续变化的功能梯度材料。