一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法

摘要

本发明公开了一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，包括以下步骤：(1)建模：运用功能梯度材料CAD/CAM软件建立零件的几何三维模型，在几何三维模型中确定材料梯度分布和组织梯度分布，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，生成数控代码；(3)电磁特性反求：反求外加的磁极分布和励磁电流特性；(4)熔积成形：布置磁极和/或电磁线圈，逐层熔积成形。本发明采用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。

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。

优选地，步骤(4)中，进行电磁扰动的磁场为静态和/或低频和/或高 频交变磁场，以实现零件组织的细化、粗化和晶粒取向控制以及各种金属 相的分布调控。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：

1)本发明采用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，诱导晶粒生长方向，控制结晶形态、晶粒度， 使晶粒大小、组织形态与成分分布接近最优设计的状态，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；

2)本发明提供的电磁场仅作用于熔池及附近的局部区域，远小于现有 电磁约束熔体自由成形技术电磁场作用的体积,既能按设计自由调控梯度 组织与梯度材料一体化零件的组织特征和成分的空间分布、改善成形性， 又可避免设备体积和成本的显著增加，污染小，是高质量、短流程、低成 本的难加工FGM零件的无模直接成形技术；

3)用于成形过程中的磁极的数量、位置和磁场特性以及相应的励磁电 流特性是根据零件的组织梯度要求和电磁场耦合特性进行反求的得到的， 因此对熔积区域电磁调控是精确的、主动控制的。

附图说明

图1为利用电磁线圈和铁心对熔积成形过程施加横向磁场示意图

图2为利用电磁线圈和铁心对熔积成形过程施加纵向磁场示意图

图3为利用永磁体对熔积成形过程施加横向磁场示意图

图4为利用永磁体对熔积成形过程施加纵向磁场示意图

图5为利用多组电磁线圈和铁心对熔积成形过程施加多向或者多类型 磁场组合示意图

图中，1-基板，2-横向磁场线圈，3-铁心，4-熔积热源，5-纵向磁场 线圈，6-横向磁场永磁体块，7-纵向磁场永磁体环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，包括以下步骤：

(1)建模：运用功能梯度材料CAD/CAM软件建立零件的几何三维模型， 并根据零件的机械和力学性能要求，在几何三维模型中确定材料的梯度分 布和组织的梯度分布，即将三维模型的几何位置与材料梯度分布、组织梯 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。

对于上述关联处理的步骤，可以采用本领域各种适当的处理方式，因此 在此不再赘述。此外，为了提高自动化处理，也可以采用本发明所使用的 CAD/CAM软件，其代码请参考登记号为2013SR071506的计算机软件著作权， 使用此软件能实现在几何三维模型中关联材料的梯度分布、组织的梯度分 布；三维模型可以看做是点阵，那么每个位置对应有一个三维坐标，每个 坐标位置的材料信息和组织结构信息可以和这个坐标对应，这样就建立了 几何空间、材料空间和组织结构的统一；

(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、组织成分与空间坐标的 关系；此步可以得到熔积热源的行走路径，以及各层上具体位置处的材料 和组织分布情况；

(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；此映射关系可以通过仿真，以及使用神经 网络训练、实验数据及经验等方式获得，并建立相关的专家数据库；然后 根据步骤(2)中得到的数控代码中各层的材料分布、组织分布信息和零件 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，电磁扰动通过外加在零件上的磁极的分布和/或励磁电流特性实现；上 述的电磁扰动为对熔池的热扰动和/或磁扰动，这种扰动可以得到预定的组 织梯度分布；

(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，然后采用气保焊电弧或激光束熔化成分材 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 织分布控制是是按照步骤(3)中反求结果实施电磁扰动进行实时控制。

进一步，步骤(4)中，进行电磁扰动的磁场为静态和/或低频和/或高 频交变磁场，以实现零件组织的细化、粗化和晶粒取向控制以及各种金属 相的调控。静态的磁场可以由永磁体产生，低频和/或高频交变磁场可以由 电磁线圈产生。利用成分材料磁化率各向异性的特点以及母相和生成相的 磁矩差，不同组织和材料对磁场力和热感应不同的特点，在控制材料分布 的同时现成形组织分布梯度变化和晶粒取向控制，实现梯度组织与梯度材 料零件的几何成形和微观组织控制一体化，使得成形件能达到所期望的机 械和力学性能。

为了满足不同成形区域梯度组织控制对电磁特性的要求，用于成形过 程中的磁极的数量、位置和磁场特性以及相应的励磁电流特性是根据零件 的组织梯度要求和电磁场耦合特性进行反求的，磁控特性是完全精确的、 主动控制的。

以下结合不同的加工设备来阐述加工过程。

参照图1，在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用横向磁场 线圈2和铁心3产生的、与热源4移动方向垂直的磁场，横向磁场线圈2 通过的电流可以是恒定、低频交变或高频交变的，电流大小和频率由步骤 (3)所述反求的电流特性决定。

参照图2，在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用与熔积热 源4发出的高能束轴向平行的纵向磁场线圈5，纵向线圈5产生纵向磁场， 纵向磁场线圈5通过的电流可以是恒定、低频交变或高频交变的，电流大 小和频率由步骤(3)所述反求的电流特性决定。

参照图3，在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用两侧对称 安装的永磁体块6在熔池区域产生横向恒定磁场，永磁铁块6采用Y30铁 氧体永磁铁，其物理特性如下表1。

表1铁氧体永磁铁参数

参照图4，在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用轴向与高 能束轴向重合的永磁体环7在熔池区域产生纵向恒定磁场，永磁铁环采用 Y30铁氧体永磁铁，永磁铁的物理特性如表1。

参照图5，在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用多组横向 磁场线圈2和铁心3产生作用于热源和熔池的多向或者多类型组合的磁场， 横向磁场线圈2施加的励磁电流可以是恒定、低频交变或高频交变的或者 是根据需要多种类型电流组合的实时动态控制的，具体的特性由步骤(3) 所述反求的电流特性决定，铁心3的大小以及角度可以根据计算需要调节。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。