【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于增材制造，具体涉及一种高耐磨抗冲击梯度材料及其随动式超声辅助增材制造方法。
技术介绍
1、航空、航天等高端领域对金属零部件提出了耐磨及抗冲击性能双高的要求，而耐磨合金往往硬度高，变形能力差，且合金组织中可能存在网状碳化物，导致抗冲击性能不佳。功能梯度材料作为一种新型复合材料，其成分/微观组织/性能随空间位置的不同而发生变化，可通过材料设计实现零件的性能调控。因此设计功能梯度材料，使材料表层承担高耐磨性，材料底部承担高抗冲击性能，为实现金属零件的“双高”提供了有效方法。激光立体成形技术逐道逐层成形，其高自由度的优势适配于梯度材料设计及制备。
2、目前主流的激光立体成形梯度材料方式分为连续梯度与突变梯度两种。若采取突变梯度成形方式，当不同道次材料热膨胀系数、热导率等热物性参数差异大时往往产生熔合不良、开裂等缺陷；专利cn115433933a公布了一种连续梯度成形方式，采取喷嘴外接多个粉筒的方式实现不同配比粉末原料连续供应，但若制备的梯度材料中不同原材料的密度及熔点差异大，将导致熔化后的液态金属流动性差，最终造成制备梯度材料的局部成分不均匀，易导致元素偏析从而形成脆性金属间化合物，恶化材料抗冲击性能。
3、另外，目前提升金属材料表层耐磨性的主流方式为表面处理及颗粒增强，如渗碳、渗氮等表面处理，但处理后的高硬度表层脆性高、易剥落，降低使用寿命，而在激光立体成形中采用颗粒增强的方法，又会涉及硬质颗粒在金属基体中均匀分布的难题。
技术实现思路
1、本专利技
2、为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
3、一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，包括以下步骤：
4、步骤1，将软材料粉末、硬材料粉末和硬质陶瓷颗粒分别置于不同的容器内；
5、步骤2，开启激光器进行沉积；
6、每一层的沉积过程中，软材料粉末和硬材料粉末同时送粉，超声工具头在激光器喷嘴的后方，超声工具头与沉积层顶部接触，对沉积层进行超声振动，激光器的喷嘴与超声工具头同速度沿打印方向运行；沉积至第n层，沉积结束，所述n为≥3的自然数；
7、从第一沉积层到第n沉积层，软材料粉末送粉量逐渐减少，硬材料粉末送粉量逐渐增加；所述软材料粉末的硬度小于硬材料粉末的硬度；
8、步骤3，在第n沉积层上沉积陶瓷颗粒增强层，沉积过程中，硬材料粉末和硬质陶瓷颗粒同时送粉，超声工具头在激光器喷嘴的后方，超声工具头与沉积层顶部接触，对沉积层进行超声振动。
9、本专利技术的进一步改进在于：
10、优选的，步骤2中，通过调整软材料粉末的送粉速率和硬材料粉末的送粉速率，控制每一沉积层中的软材料含量和硬材料含量；
11、步骤3中，通过调整硬材料粉末的送粉速率和硬质陶瓷颗粒的送粉速率，调整陶瓷颗粒增强层中硬材料和陶瓷颗粒含量。
12、优选的，步骤2中，第一沉积层为软材料；第n沉积层为硬材料。
13、优选的，步骤2和步骤3中，每一个沉积层沉积的一部分凝固后，将超声工具头压在已凝固的沉积层上端面。
14、优选的，步骤2和步骤3中，相邻沉积层之间打印方向呈设定角度。
15、优选的，步骤2中，从第一沉积层到第n沉积层，随打印层数的增加，每一层软材料的减少量和硬材料的增加量由总沉积层数n计算获得。
16、优选的，打印基板的材料和软材料相同。
17、优选的，步骤3中，所述陶瓷颗粒增强层的层数为1~3层。
18、优选的，步骤3中，所述陶瓷颗粒增强层中的硬质陶瓷颗粒的质量占比为5~15%，其余为硬材料。
19、一种通过上述任意一项随动式超声辅助增材制造方法制得的高耐磨抗冲击梯度材料，包括n个沉积层，所述第一沉积层为软材料，所述第n沉积层为硬材料，所述第n沉积层外设置有m层陶瓷颗粒增强层；所述n为≥3的自然数，所述m为≥1的自然数；从第一沉积层到第n沉积层，软材料含量逐渐降低，硬材料含量逐渐升高；所述陶瓷颗粒增强层由硬材料和硬质陶瓷颗粒组成。
20、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
21、本专利技术公开了一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，该方法梯度材料由激光立体成形技术制备而成，原材料包括软材料、硬材料金属及硬质陶瓷粉末。随打印高度升高，软材料比重连续降低，硬材料比重连续升高，直至硬材料比重为100%，梯度材料表层为硬质陶瓷颗粒增强的高硬层。在激光立体成形梯度材料过程中采用“随动式”超声振动辅助促进液态软、硬材料对流使得金属熔池充分混合，减少元素偏析及脆性相析出，促进硬质陶瓷颗粒在熔池中均匀分布，增强弥散强化效果。另外，本专利技术能够利用超声的声空化效应对金属熔池产生除气效果，并破碎由激光立体成形固有的高冷速、大温度梯度导致的柱状枝晶，均匀化合金组织，优化合金综合力学性能。相对于部分已有的在基板底部设置超声处理设备，从底部进行超声处理的技术方案，本专利技术的超声振动辅助设备设置在熔池的后方，超声工具头随着激光喷嘴的移动而移动，能够充分对每一个沉积层的熔池进行振动和除气，材料在每一层都能够充分的被振动，热物性材料的均匀变化分布，避免振动效果不足的问题。
22、进一步的，梯度材料底层与基板材料一致为100%软材料，保证梯度材料底层与基板材料之间的相容性良好，避免底层缺陷。
23、本专利技术还公开了一种高耐磨抗冲击梯度材料，该耐磨抗冲击梯度材料由软、硬原材料构成，第一沉积层为软材料，所述第n沉积层为硬材料，所述第n沉积层外设置有m层陶瓷颗粒增强层；所述n为≥3的自然数，所述m为≥1的自然数；从第一沉积层到第n沉积层，软材料含量逐渐降低，硬材料含量逐渐升高。
24、所述高耐磨抗冲击梯度材料由激光立体成形技术制备而成，当梯度材料受到外部大载荷冲击时，软材料在底部负责变形，当梯度材料表面受滑动摩擦时，表层陶瓷颗粒增强的高硬层保证梯度试件不发生大幅磨损。本专利技术中梯度材料成分在高度方向上连续变化，避免了软、硬材料因相容性差导致熔合不良、开裂缺陷，采用超声辅助在熔池中的声流效应促进传热传质，使液态软、硬材料充分对流混合，能够避免元素偏析及脆性相的生成，从而提升材料强度。本专利技术采用喷嘴外接送粉筒输送硬质陶瓷颗粒，通过超声辅助促使陶瓷颗粒在熔池中均匀分布，避免了常规激光立体成形颗粒增强复合材料的混粉过程颗粒不均匀的问题，且本专利技术便于控制软、硬材料在高度方向上的成分变化速率，制备工艺简单。基于此，本专利技术为新型功能梯度材料的分区性能设计提供了新的思路。
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1.一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2中，通过调整软材料粉末的送粉速率和硬材料粉末的送粉速率，控制每一沉积层中的软材料含量和硬材料含量；
3.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2中，第一沉积层为软材料；第N沉积层为硬材料。
4.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2和步骤3中，每一个沉积层沉积的一部分凝固后，将超声工具头压在已凝固的沉积层上端面。
5.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2和步骤3中，相邻沉积层之间打印方向呈设定角度。
6.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2中，从第一沉积层到第N沉积层，随打印层数的增加，每一层软材料的减少量和硬材料的增加量由总沉
7.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，打印基板的材料和软材料相同。
8.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤3中，所述陶瓷颗粒增强层的层数为1~3层。
9.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤3中，所述陶瓷颗粒增强层中的硬质陶瓷颗粒的质量占比为5~15%，其余为硬材料。
10.一种通过权利要求1-9任意一项随动式超声辅助增材制造方法制得的高耐磨抗冲击梯度材料，其特征在于，包括N个沉积层，所述第一沉积层为软材料，所述第N沉积层为硬材料，所述第N沉积层外设置有M层陶瓷颗粒增强层；所述N为≥3的自然数，所述M为≥1的自然数；从第一沉积层到第N沉积层，软材料含量逐渐降低，硬材料含量逐渐升高；所述陶瓷颗粒增强层由硬材料和硬质陶瓷颗粒组成。
...【技术特征摘要】
1.一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2中，通过调整软材料粉末的送粉速率和硬材料粉末的送粉速率，控制每一沉积层中的软材料含量和硬材料含量；
3.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2中，第一沉积层为软材料；第n沉积层为硬材料。
4.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2和步骤3中，每一个沉积层沉积的一部分凝固后，将超声工具头压在已凝固的沉积层上端面。
5.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2和步骤3中，相邻沉积层之间打印方向呈设定角度。
6.根据权利要求1所述的一种高耐磨抗冲击梯度材料的随动式超声辅助增材制造方法，其特征在于，步骤2中，从第一沉积层到第n沉积...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨海欧，杨魁通，杨文哲，满靖宇，王杏华，胡成辉，林鑫，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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