[发明专利]一种基于增材制造功能梯度合金的高通量分析方法

说明书

本发明涉及增材制造及功能梯度材料领域，具体公开了一种基于增材制造功能梯度合金的高通量分析方法，包括构建材质为指定功能梯度材料的试块模型，采用激光金属沉积方法按照给定的工艺参数进行激光扫描、打印成型，制备得到功能梯度材料试块；基于CALPHAD方法和Scheil模型对所述试块模型的相成分进行高通量热力学分析，预测激光金属沉积方法制造过程中的相形成行为，其中选用多个数据库以产生多个预测结果；对已制得的试块进行表征实验；选取最接近实验结果的预测结果所对应的数据库作为选定数据库；基于选定数据库功能梯度材料制造的过程以及产品本身进行高通量热力学分析，该方法以少量实验成本实现了功能梯度合金制造过程中的数字化分析和预测。

技术领域

本发明属于增材制造及功能梯度材料领域，涉及一种基于增材制造功能梯度合金的高通量分析方法。

背景技术

由于当今社会对结构轻量、低成本的需求，在航空航天、交通运输、生物工程、核能发电、航海和军事等领域，对多种材料的异种金属接头有着很高的需求。然而，由于接头界面化学成分、显微组织和性能的急剧变化，导致了非预期的变形和大尺度的残余应力梯度，不同界面接头容易失效。而功能梯度材料(FGMs)具有空间可变的性质，化学成分或结构逐渐转变，因此可以克服这些困难。其中，Inconel 718(IN 718)和316不锈钢(SS 316)是核工业和航空航天工业中关键的高完整性接头的两种首选材料，具有广泛的应用前景。

近年来，增材制造技术(又称3D打印技术)在功能结构件制造领域得到高度重视，相对于传统加工方法(如化学和物理气相沉积、等离子喷涂、焊接工艺和离心铸造方法)，3D打印基于“分层制造、逐层叠加”的制造思想，可以由数字化模型直接驱动快速制造任意复杂形状三维物理实体。其中，激光金属沉积技术是包括激光定向能量沉积(LDED)的一种增材制造技术，利用激光束作为高温热源将基材表面熔化成熔池，通过送粉/送丝设备将金属粉末 /丝材经快速熔化冷却后凝固并与基体材料形成冶金结合，按照预先规划好的路径实现零部件的实体制造。由于几何结构设计的灵活性、控制空间和对设备的低要求，此技术是一种引人注目的功能梯度材料制造方法。

功能梯度材料具有空间可变、化学成分或结构逐渐转变的性质，可以有效避免接头失效的问题。为了制造出具有优化应力剖面和优异成型性的功能梯度材料，采用分层合成的增材制造技术有望取代传统的制造方法，但当前实验手段对于功能梯度材料中微观组织演化和析出相成型控制的分析有限，尤其是对于不同组分的连续梯度组织的大量表征存在困难，这些因素制约着功能梯度材料在异种金属高完整性衔接领域中的广泛应用。

发明内容

本发明的目的提供一种功能梯度不锈钢-镍基高温合金的高通量分析方法，以解决现有技术中对于两种及两种以上成分变化的合金微观组织成分及相形成分析的局限性，尤其是对于连续梯度组织的大量表征存在困难的技术问题。

本发明中的方法包括如下步骤：

步骤一、构建材质为指定功能梯度材料的试块模型，采用激光金属沉积方法按照给定的工艺参数进行激光扫描、打印成型，制备得到功能梯度材料试块；

步骤二、基于CALPHAD方法和Scheil模型对所述试块模型的相成分进行高通量热力学分析，预测激光金属沉积方法制造过程中的相形成行为，其中选用多个数据库以产生多个预测结果；

步骤三、对已制得的试块进行表征实验，验证各个所述预测结果的准确性；

步骤四、选取最接近实验结果的预测结果所对应的数据库作为选定数据库；

步骤五、基于CALPHAD方法和Scheil模型以及所述选定数据库，对采用所述指定功能梯度材料进行激光金属沉积方法制造的过程以及所得产品本身进行高通量热力学分析。

进一步的，步骤五中的高通量热力学分析包括，各成分梯度在成型过程中所析出的各个相的相分数以及相分数随成分梯度、温度的变化。