[发明专利]一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法

说明书

本发明公开一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，通过改变成分浓度梯度变化方向，使成分浓度梯度变化沿热源移动方向过渡，制备成分浓度梯度过渡平顺、均匀的梯度材料方法。本发明技术方案提高构件的界面结合能力，降低热膨胀系数及蠕变强度差异对构件性能的影响，延长构件使用寿命。同时这种横向过渡方法不受构件尺寸限制，可以实现更多的生产应用。

技术领域

本发明属于增材制造领域，更加具体地说，涉及一种梯度材料的增材制造技术。

背景技术

梯度材料是由两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。梯度材料成分浓度梯度变化包括多种形式，如附图1所示。其中，从一种材料到另一种材料的成分浓度梯度均匀变化、平稳过渡是最理想的情况(附图1b)。

梯度材料的制备有许多传统的方法，如气相沉积法、粒子排列法和电沉积法等，但是由于传统方法很难做到梯度材料的近净成形，因此增材制造技术开始被应用在制备梯度材料上。目前最接近成分浓度平稳变化梯度材料的增材制造制备方法的成分浓度梯度过渡方向是垂直于基板及热源移动方向，沿构件成形方向的过渡，即随着熔覆层数的增加，通过调节每层的成分比例，实现由底层到上层的材料成分浓度梯度过渡变化。这种方法虽然可以通过增加熔覆层数来实现成分浓度变化尽可能平顺，但是界面区组织和成分的局部变化不均匀还是导致界面区蠕变强度差异较大；同时热膨胀系数差异导致界面区应力集中。还会受到构件宽度、高度等尺寸因素限制，从而造成构件的性能下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，改变成分浓度梯度变化方向，由底层到上层的纵向过渡，变为垂直于热源移动方向的横向过渡。利用增材制造系统，通过调节原材料的添加速率，使其具有一定量加速度，即在单层成形过程中，原材料的添加速度从热源起点到终点均匀加速或者减速，实现在单层内的成分浓度梯度变化，然后便可以逐层堆积成构件，从而完成成分浓度梯度平稳、均匀过渡的梯度材料制备。

梯度材料在高温高腐蚀性等极限条件环境下服役的寿命问题，在一些关键零部件中的影响尤其突出。梯度材料成分浓度变化的均匀性与平顺性，是影响梯度材料性能和使用寿命的重要因素。同时成分浓度变化方向为纵向变化时，由于成形参数固定后，每层成形的层高也随之固定，因此成分过渡的平顺性会受到构件尺寸因素的限制。本发明专利旨在提供一种使用增材制造技术，通过改变成分浓度梯度变化方向，使成分浓度梯度变化沿热源移动方向过渡，制备成分浓度梯度过渡平顺、均匀的梯度材料方法。进而提高构件的界面结合能力，降低热膨胀系数及蠕变强度差异对构件性能的影响，延长构件使用寿命。同时这种横向过渡方法不受构件尺寸限制，可以实现更多的生产应用。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种增材制造梯度材料横向均匀过渡制造方法，在堆积每一层时，任一时刻的不同材料添加速度之和恒定，以使单位时间内添加的材料体积恒定。

如附图2所示，利用增材制造系统，在制备梯度材料过程中，逐渐改变原材料的添加速度，即使其具有一加速度a，这样就可以实现在单层内的成分浓度梯度变化，从而通过逐层堆积制备成分浓度梯度变化平稳、均匀的梯度材料。

在热源(即焊枪或者堆焊焊枪)移动起点，第一材料A(图2和3中蓝色标记)的起始添加速度为v1，具有加速度为a，热源开始移动后，第一材料A的添加速度开始不断均匀加速，直至热源移动终点，加速至v2；第二材料B的起始添加速度为v2，具有加速度为-a，热源开始移动后，第二材料B(图2和3中红色标记)的添加速度开始不断均匀减速，直至热源移动终点，减速至v1。这样的变化可以保证在任一时刻的两种材料添加速度之和恒定，单位时间内添加的材料体积恒定，以确保单层成形尺寸不会因为材料添加速度变化而变化，保证构件宏观尺寸准确。

而且，通过控制堆敷层数，进而控制纵向高度。