本發(fā)明涉及一種提高異質(zhì)異構(gòu)材料激光定向能量沉積成形質(zhì)量的方法，屬于多材料增材制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、增材制造技術(shù)是通過“分層切片，逐層堆積”的方式制造零件；該技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)巨大，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)零件的自由快速制造，為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造提供了新的解決方案；在現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展下，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的增材制造朝著輕量化、功能一體化、智能化等方面發(fā)展；然而單一材料制造的零件很難滿足快速發(fā)展的制造業(yè)需求，這時(shí)便萌生了多材料增材制造。

2、目前針對(duì)于多材料增材制造的研究仍是集中在以粉床鋪粉為技術(shù)特征的粉末床熔化(pbf)技術(shù)，例如，專利申請(qǐng)(專利號(hào)：201910980121.x)公開了一種用于激光粉末床熔融增材制造的多材料鋪粉裝置；該專利申請(qǐng)旨在粉末鋪設(shè)過程中，根據(jù)材料子模型，自動(dòng)在相應(yīng)位置鋪設(shè)對(duì)應(yīng)材料，無需吸粉和二次鋪粉過程，鋪設(shè)過程迅速，簡(jiǎn)化了鋪粉所需步驟，顯著提升了鋪粉效率；該方法的局限在于上層材料和下層材料之間會(huì)出現(xiàn)明顯的突變層，不能夠?qū)崿F(xiàn)材料組元之間的連續(xù)漸變過渡。

3、此外，增材制造技術(shù)成形零件時(shí)沉積層經(jīng)歷了復(fù)雜的熱循環(huán)作用，在沉積過程中由于不合理的路徑規(guī)劃形式，沉積層不可避免地出現(xiàn)組織粗大、變形甚至開裂等問題；上述問題均限制了多材料增材制造在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用；目前針對(duì)于上述問題的解決途徑大多集中于在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上引用新的工藝，無疑增加了零件的生產(chǎn)周期和制造成本；例如，專利申請(qǐng)(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01910980121.x)公開了一種超聲振動(dòng)輔助電弧增材制造多材料構(gòu)件的方法；該技術(shù)的核心是將超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)與多材料的電弧增材制造系統(tǒng)相結(jié)合，制造過程中通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)超聲振動(dòng)的頻率、功率等參數(shù)，以促進(jìn)不同材料的結(jié)合，調(diào)節(jié)顆粒增強(qiáng)相的分布，消除裂紋和降低氣孔率，改善多材料構(gòu)件的組織形態(tài)和物化性能。

4、針對(duì)相鄰層之間材料組元過渡突變、沉積層組織粗大、沉積構(gòu)件殘余應(yīng)力過大等問題，本發(fā)明提出了一種在確保高成形質(zhì)量的前提下，沉積構(gòu)件實(shí)現(xiàn)“材料組元-固有性質(zhì)-使用性能”在三維空間的連續(xù)可控化的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種提高異質(zhì)材料激光定向能量沉積成形質(zhì)量的方法，主要包括以下步驟：

2、(1)建立沉積構(gòu)件的三維可視化模型，根據(jù)其所需服役性能，選擇不同的材料組元；

3、(2)在預(yù)先選擇的材料組元中分別添加微量納米顆粒作為其沉積構(gòu)件的原材料；

4、(3)根據(jù)沉積構(gòu)件不同部位所需服役性能，實(shí)時(shí)反饋各個(gè)材料組元及其占比，并將上述信息實(shí)時(shí)反饋至多材料智能制造系統(tǒng)控制端，以供系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整各材料組元的占比；

5、(4)同時(shí)考慮材料因素和結(jié)構(gòu)因素，選擇合理的路徑規(guī)劃形式，調(diào)控定向能量沉積過程的熱循環(huán)，從而減小構(gòu)件的殘余應(yīng)力和變形，并使其分布更均勻，從而提高沉積構(gòu)件的成形質(zhì)量；

6、(5)多材料智能制造系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的路徑規(guī)劃形式，成形定向能量沉積構(gòu)件；在確保高成形質(zhì)量的前提下，沉積構(gòu)件實(shí)現(xiàn)“材料組元-固有性質(zhì)-使用性能”在三維空間的連續(xù)可控化。

7、優(yōu)選的，本發(fā)明根據(jù)bramfitt建立的二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度理論模型進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)不同材料提出合適的納米顆粒；計(jì)算公式如下：

8、

9、式中：為錯(cuò)配度，為基底一個(gè)低指數(shù)面上一低指數(shù)方向的原子間距，為形核相一個(gè)低指數(shù)面上一低指數(shù)方向的原子間距，θ為這兩個(gè)低指數(shù)方向的夾角；據(jù)bramfitt理論，當(dāng)是有效形核核心；是中等有效；當(dāng)時(shí)，形核相在異質(zhì)形核基底上形核最為有效；故在納米顆粒的選擇上，應(yīng)盡量使錯(cuò)配度

10、優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(2)中同時(shí)考慮材料因素和結(jié)構(gòu)因素，選擇合理的路徑規(guī)劃形式，具體如下：

11、材料因素：

12、以銅的熱物性參數(shù)為界限，對(duì)于熱膨脹系數(shù)大于銅的材料，采用分區(qū)掃描或?qū)ΨQ掃描路徑；對(duì)于熱膨脹系數(shù)較大(大于銅)的材料，在沉積過程中，會(huì)導(dǎo)致較大、不均勻的變形，故優(yōu)先采用分區(qū)掃描和對(duì)稱掃描路徑減少變形。

13、對(duì)于熱導(dǎo)率大于銅、楊氏模量小于銅的材料，采用較短的路徑規(guī)劃形式；

14、結(jié)構(gòu)因素：

15、對(duì)于單道多層薄壁結(jié)構(gòu)，采用往復(fù)掃描的路徑規(guī)劃形式；使其熱量分布更均勻，從而減少翹曲和變形。

16、對(duì)于多道多層結(jié)構(gòu)，采用交替掃描路徑或者分區(qū)掃描的路徑規(guī)劃形式；

17、對(duì)于尺寸達(dá)到米級(jí)的大型金屬構(gòu)件，采用對(duì)稱掃描路徑。

18、本發(fā)明的有益效果

19、(1)本發(fā)明基于激光定向能量沉積技術(shù)制備異質(zhì)異構(gòu)材料，在確保高成形質(zhì)量的同時(shí)，使其沉積構(gòu)件實(shí)現(xiàn)“材料組成-固有性質(zhì)-使用性能”在三維空間的連續(xù)可控化。

20、(2)通過二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度理論模型計(jì)算出不同材料組元所搭配的合適的納米顆粒。

21、(3)針對(duì)于不同材料、不同結(jié)構(gòu)提出合理的路徑規(guī)劃形式，從而調(diào)控由定向能量沉積熱循環(huán)誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力和變形。

技術(shù)特征：

1.一種提高異質(zhì)異構(gòu)材料激光定向能量沉積成形質(zhì)量的方法，其特征在于：具體包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高異質(zhì)異構(gòu)材料激光定向能量沉積成形質(zhì)量的方法，其特征在于：根據(jù)bramfitt建立的二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度理論模型進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)不同材料提出合適的納米顆粒；計(jì)算公式如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高異質(zhì)異構(gòu)材料激光定向能量沉積成形質(zhì)量的方法，其特征在于：同時(shí)考慮材料因素和結(jié)構(gòu)因素，選擇合理的路徑規(guī)劃形式，具體如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種提高異質(zhì)異構(gòu)材料激光定向能量沉積成形質(zhì)量的方法，屬于多材料增材制造領(lǐng)域。該方法通過動(dòng)態(tài)調(diào)整材料組元及占比，并添加微量納米顆粒作為增強(qiáng)相與其上述材料組元分別均勻混合，作為沉積構(gòu)件的原材料，基于定向能量沉積工藝，實(shí)現(xiàn)沉積構(gòu)件不同部位所需服役性能；此外，根據(jù)不同材料、不同結(jié)構(gòu)提出合理的路徑規(guī)劃形式，調(diào)控定向能量沉積過程的熱循環(huán)，減小構(gòu)件殘余應(yīng)力和變形，并使其分布更均勻，從而提高沉積構(gòu)件的成形質(zhì)量；基于上述方法，在確保高成形質(zhì)量的前提下，沉積構(gòu)件實(shí)現(xiàn)“材料組元?固有性質(zhì)?使用性能”在三維空間的連續(xù)可控化。

技術(shù)研發(fā)人員：張曉偉,李必強(qiáng),李金龍,安喆,王一錚,楊曜源,同珂昕,蔣業(yè)華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30