[发明专利]一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法

说明书

技术领域

本发明属于快速成型技术领域，更具体地，涉及一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法。

背景技术

金属零件的増材制造方法主要包括激光烧结法、激光熔融法、电子束熔融法以及电弧熔融法等。增材制造是采取高能束加工与数控技术相结合,计算机将三维CAD模型分层处理,采用分层堆积的方法将丝材或粉末在工作台上逐层堆积,最后得到最终的三维金属实体零件。采用增材制造技术可大大缩短研制和生产周期,节约成本,提高材料利用率。该技术还可用来修复和强化已损伤零件,不受形状、材料等因素制约,目前已越来越被航空航天等领域所重视。

对于高温合金零件、合金刀具零件等，材料的磨损、腐蚀等破坏大都发生在表面,因此要求零件表层组织细密，硬度高，耐磨性好；同时又要求零件心部韧性好，耐冲击；传统制造方法往往是采用金属零件熔覆涂层的方法，采用表面技术提高材料的性能，对涂层强度、硬度、厚度及结合强度也提出了很高的要求；常用的表面处理技术有电镀、气相沉积、喷涂(焊)、熔覆等，其中应用最为广泛的是激光熔覆技术，其具有沉积率高、能量输入低等优点,但存在工艺复杂、成本高等问题。

表面处理技术存在以下主要问题：(1)零件成形过程与表面处理过程相分离，制造工艺复杂、流程长，成本高；(2)局限于制造简单的梯度组织变化的金属零件，对于增强相与基体材料的物理化学性质差异大的制件，难以按设计来控制材料成分与组织呈梯度分布，以致无法制造面向使役条件的三维复杂梯度组织材料的高性能零件。

中国专利说明书CN102974928A公开了一种航空铝合金表面熔敷成形层的快速成形方法，采用了的10～25A,磁场频率10～20Hz的磁控MIG焊的方法实现表面熔敷，所得熔敷组织细化、力学性能良好，气孔和氧化夹杂小，摩擦性能优异、熔敷层磨损量＜5×10^-4cm³。这种磁控的表面熔敷成形层的快速成形方法实现了熔敷层的性能提升，但其选用的参数和方法只具备一种材料的针对性，不具备通用性。

中国专利说明书CN104190930A公开了一种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法，将不同的功能映射为不同的温度，将不同的温度作为边界条件分别施加在三维模型的不同部位，利用三维有限元方法计算模型的热传导方程，获得内部的温度梯度分布，即模型的温度场，在切片时获得每一层上的平面等温线，从而控制激光扫描路径，实现获得同质功能梯度结构。这种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法只考虑将温度与功能映射，只能实现同质的能梯度和结构的零件，未能控制组织的梯度分布以及材料梯度的一体化。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，其采用CAD/CAM软件确立零件组织和材料的梯度分布，结合电-磁-热力多物理场耦合控制，实现新型梯度组织与梯度材料零件形状和微观组织的一体化制造。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)建模：建立零件的几何三维模型，根据零件的机械和力学性能要求，并在几何三维模型中确定相应的材料梯度分布和组织梯度分布，即将三维模型的几何位置与材料的梯度分布、组织的梯度分布通过空间坐标关系进行关联，形成一个空间综合模型；

(2)切片和生成数控代码：对步骤(1)形成的空间综合模型进行分层切片处理，然后根据各层的形状、尺寸、材料的梯度分布和组织的梯度分布特点进行成形路径规划，生成各层的快速成形所需的数控代码，所述数控代码包含路径的空间坐标信息，以及材料成分、组织分别与空间坐标的关系；

(3)电磁特性反求：建立材料的梯度分布、组织的梯度分布与外加在零件上的电磁扰动的映射关系；然后根据步骤(2)中得到的数控代码中各层的材料分布、组织分布信息，以及零件性能要求，并通过上述映射关系反求外加的磁极分布和励磁电流特性；其中，通过外加在零件上的磁极的分布和/或励磁电流特性来实现反应映射关系的电磁干扰；

(4)熔积成形：根据步骤(3)得到的磁极分布和/或励磁电流特性，布置相应的磁极和/或电磁线圈，然后熔化成分材料的丝材或粉末，并按照步骤(2)生成的各层的数控代码，逐层熔积成形；上述的各种成分材料是按照步骤(2)的数控代码中材料分布信息配给，组织分布控制是按照步骤(3)中反求结果实施电磁扰动进行实时控制。