[发明专利]一种功能梯度材料成分梯度路径优化设计方法

说明书

本发明公开一种功能梯度材料成分梯度路径优化设计方法，针对双丝WAAM横向制备FGM过程，优化梯度路径的设计方法，通过优化梯度分布函数，对有害相组分段的梯度分布函数进行曲线拟合，使有害相组分段在不出现阶跃成分点的前提下平顺过渡并减小有害相区域，进而提高整体的性能及使用寿命。本发明利用双丝WAAM系统制备梯度横向过渡的FGM，避免梯度路径中出现阶跃或不平顺成分点，避免出现明显界面，进而提高FGM整体性能及使用寿命。

技术领域

本发明属于电弧增材制备功能梯度材料领域，更加具体地说，涉及一种功能梯度材料成分梯度路径优化设计方法。

背景技术

功能梯度材料(FGM)是指材料的化学组成、微观结构等要素沿着材料厚度或长度方向由一侧向另一侧连续或准连续变化，从而使其物理、化学等性能按照设计要求呈连续的梯度变化，具有特殊功能的新型复合材料。FGM最初用于缓和热应力，应用于高温环境，特别应用于材料两侧性能要求或服役温度相差较大的环境。因此FGM成分梯度过渡的均匀性与平顺性，以及部分梯度路径中会出现对材料性能不利的成分组成，都是影响FGM性能和使用寿命的重要因素。

增材制造(AM)技术由于其灵活性被应用在制备FGM上。目前利用AM技术制备FGM成分梯度过渡方向多数沿着材料的厚度方向(纵向)梯度过渡。这种过渡方式为准连续变化，在层间界面处的不确定性会影响成分梯度过渡，使其仍然存在局部成分的变化不平顺。因此改变梯度方向，使其沿着材料长度方向(横向)连续变化，可以保证梯度过渡均匀、平顺。另外目前增材制造技术应用较多的为激光增材制造(LAM)及丝材电弧增材制造(WAAM)，相较LAM，WAAM技术由于丝材几乎全部被送入熔池，材料利用率高，可以精确控制构件成分，因此采用双丝WAAM系统，在单层的成型过程中改变双丝的相对丝速，制备梯度横向过渡的FGM或可有效控制构件成分变化。同时在制备梯度横向过渡的FGM过程中，为避免出现明显的成分阶跃界面，成分梯度路径可采用由0-100％的成分过渡，即制备由一种材料到另一种材料的完全过渡。但这也导致在整个梯度路径中，部分有害相组分段是无法避免的，有害相组分段的较差性能严重影响整体FGM的性能，因此对梯度横向过渡的FGM梯度路径进行优化是必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，利用双丝WAAM系统制备梯度横向过渡的FGM，目的是避免梯度路径中出现阶跃或不平顺成分点，避免出现明显界面，进而提高FGM整体性能及使用寿命。

在梯度路径中，会出现不可避免的、对整体性能有害的组织，这些有害相组分段可通过试验表征并结合相图分布确定。因此，本专利申请提出一种针对双丝WAAM横向制备FGM过程，优化梯度路径的设计方法。目的是在不影响FGM的过渡段尺寸的前提下，通过优化梯度分布函数，对有害相组分段的梯度分布函数进行曲线拟合，使有害相组分段在不出现阶跃成分点的前提下平顺过渡并减小有害相区域，进而提高整体的性能及使用寿命。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种功能梯度材料成分梯度路径优化设计方法，按照下述步骤进行：

步骤1，根据测试或者观察或者分析，确定有害相的分布范围；

步骤2，在保证整个梯度分布路径不出现阶跃成分点，且过渡段长度保持不变的前提下，对有害相组分段的梯度路径函数进行优化，以得到针对不同段路径的梯度分布函数；

步骤3，根据步骤2得到的不同段路径的梯度分布函数，控制功能梯度材料制备中各个组分的相对速度，以实现降低有害相的聚集度的目的。

在制备梯度横向过渡的FGM过程中，是通过控制双丝的相对丝速变化曲线，进而得到梯度分布函数，使其进行线性变化，实现成分0-100％的梯度过渡。但在整个路段中，不可避免出现有害相组分段，通过实验表征并结合相图分布，找到有害相组分段，然后对梯度分布函数进行优化，如图1所示。设梯度分布函数表示为式(1)，过渡段长度为L，则x表示成分点到另一侧的相对距离。则f(0)＝0、f(L)＝1，即可表示过渡段的成分由0-100％梯度过渡。