[发明专利]一种增材制造方法及其使用粉芯丝的制备方法和装置

说明书

本发明还公开了一种增材制造方法及其使用粉芯丝的制备方法和装置。粉芯丝是由金属外皮和芯部粉末两部分组成，其中芯部粉末是由不同成分粉末按任意比例混合而成，使得最终化学成分可任意改变。这既保留了混合粉末法具有的化学成分改变的灵活性，又避免了多路送粉技术中粉末输送过程中的不可控影响因素以及多路送丝技术的工艺限制。由此，实现成分任意变化的金属增材制造技术；采用该粉芯丝进行增材制造，可实现零件的三维几何结构和合金成分的多组分3D打印。

【技术领域】

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造方法及其使用粉芯丝的制备方法和装置。

【背景技术】

增材制造技术采用激光、电弧、等离子弧和电子束等作为热源,将金属粉材/粉芯丝熔化逐层沉积成形出所要求的几何结构的高性能金属零件,具有柔性化、个性化、结构任意、短周期等制造特征。同时，该技术也是一种低能耗、可持续的绿色环保制造技术。特别地是，增材制造技术由于不受零件几何结构的限制，极大地促进了创新设计，为各行各业发展赋能。

当下，在制造任意三维结构(3D)的优势下，增加合金成分任意变化这一维度，实现多组分3D打印成为金属增材制造技术追求的另一目标。该技术扩展了增材制造的材料维度，通过在不同位置对材料进行“按需分配”，实现结构和功能一体化制造。该技术将会给材料加工领域和设计领域带来重要影响，比如现在的梯度材料的制备和高通量材料设计就需要使用该技术。

对于送粉增材制造而言，采用多路送粉在理论上可以实现合金成分的连续任意变化，但是由于不同成分粉末的密度、熔点等性质存在差异，能难保证进入熔池的不同成分粉末按设计要求准确变化。造成这个问题原因有：1.当粉末密度相差较大时，密度轻的粉末受输送气流影响更敏感，容易因粉束漂散而引起成分偏差；2.当粉末熔点相差较大时，熔点低的粉末容易因表面熔化粘结在送粉喷嘴上，从而影响送粉量，有时甚至完全堵死；3.相比高熔点粉末，低熔点粉末因在进入熔池合金化之前的挥发损失而导致成分偏差；4.由于不同粉末的送进方向不同，当熔池形态和尺寸发生变化时，不同送进方向进入熔池的粉末比例就会变化，从而导致合金成分偏差。总之，多路送粉增材制造技术在实际应用中要实现合金成分的精准可控的连续任意变化仍然面临很多挑战。

对于送丝增材制造而言，目前所用粉芯丝都是实心的，其合金成分都是固定不变的。因此，采用单丝送进的增材制造在成形制造过程中无法实现零件合金成分的变化，只有通过多丝送进来实现合金成分的改变。多丝送进技术只能一定程度的改变合金成分，且往往会增加成形过程的复杂性和不确定性，提高工艺控制的难度。比如，电弧多丝送进技术，送丝速度会显著影响电弧的稳定性，因此，送丝速度是不能独立的自由改变的，从而合金成分也不能任意变化。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供本发明的目的是提供一种增材制造方法及其使用粉芯丝的制备方法和装置，通过粉芯丝成分的变化实现金属零件的合金成分精确到点的控制，解决了现有技术中存在的合金成分单一或难以实现成分连续精确变化的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种增材制造方法，增材制造过程使用粉芯丝，所述粉芯丝包括金属外皮，金属外皮内包裹有芯部粉末，所述芯部粉末的合金成分跟随增材制造过程中成形路径的每个单元设定的合金成分变化，每个单元设定的合金成分由零件的三维坐标对应的合金成分转换得到。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述芯部粉末的合金成分粉芯丝的长度改变，粉芯丝的长度和增材制造过程中成形路径相对应。

优选的，所述成形路径的距离d和粉芯丝长度l之间满足关系式：

其中，V_p为增材制造的成形速度，V_w为送丝速度；