一种曲面金属构件增材制造方法及系统

本发明涉及金属增材制造，尤其涉及一种曲面金属构件增材制造方法及系统。

背景技术：

1、曲面金属构件广泛应用于雷达天线、通信天线及航空航天等领域，其增材制造过程通常采用激光选区熔化逐层堆积成型。但是曲面金属构件在不同区域具有不同的几何特征与散热条件，包括壁厚差异、曲率差异以及内部结构差异，会使得各区域在成型过程中的温度场分布、凝固收缩速率和残余应力累积速率持续非同步变化。

2、现有增材制造工艺中，各区域采用统一的工艺参数进行成型，未区分各区域在几何特征与散热条件上的差异。由于曲面金属构件各区域的壁厚、曲率和内部结构不同，各区域在成型过程中的温度场分布、凝固收缩速率和残余应力累积速率存在差异，统一工艺参数无法适配各区域的差异，易导致各区域的温度梯度与凝固收缩在成型过程中持续非同步变化，进而产生温度梯度差异和凝固收缩差异，表现为曲面翘曲、薄壁塌陷和层间孔隙等缺陷，构件成型后的残余应力分布不均进一步导致尺寸稳定性下降，在温度交变和振动工况下残余应力持续释放加剧构件变形。

3、因此，现有曲面金属构件增材制造过程中各区域温度梯度与凝固收缩的非同步动态变化与构件整体结构完整性之间的矛盾，制约了曲面金属构件在增材制造中的成型精度和长期服役可靠性，难以满足高精度装配和长期工况稳定性的工程要求。

技术实现思路

1、本申请提供一种曲面金属构件增材制造方法及系统，使得曲面金属构件在增材制造过程中各区域温度梯度与凝固收缩得到协调控制。

2、具体通过以下技术方案来实现：

3、第一方面，本申请提供了一种曲面金属构件增材制造方法，包括：

4、构建曲面金属构件多物理场相互耦合的仿真模型；

5、基于所述仿真模型的仿真结果识别所述曲面金属构件每一层的多个目标分区，确定每个目标分区对应的最大主应力方向，并预测每一层各目标分区的熔池温度与时间的演化曲线，根据所述演化曲线确定每一层各目标分区在激光扫描熔覆后的电磁振动时间窗口；

6、根据所述目标分区的结构特征确定对应的目标工艺参数；其中，所述目标工艺参数包括预热温度、激光功率、扫描速度和电磁振动频率；

7、基于所述预热温度对所述目标分区的待熔覆区域进行预热；

8、基于所述激光功率和所述扫描速度对预热后的待熔覆区域进行激光扫描熔覆；

9、在所述电磁振动时间窗口内以所述电磁振动频率对所述待熔覆区域进行定向电磁振动；

10、其中，所述定向电磁振动的方向为所述最大主应力方向的垂直方向。

11、第二方面，本申请提供了一种曲面金属构件增材制造系统，包括：

12、仿真模块，用于构建曲面金属构件多物理场相互耦合的仿真模型；基于所述仿真模型的仿真结果识别所述曲面金属构件每一层的多个目标分区，确定每个目标分区对应的最大主应力方向，并预测每一层各目标分区的熔池温度与时间的演化曲线，根据所述演化曲线确定每一层各目标分区在激光扫描熔覆后的电磁振动时间窗口；根据所述目标分区的结构特征确定对应的目标工艺参数；其中，所述目标工艺参数包括预热温度、激光功率、扫描速度和电磁振动频率；

13、预热模块，用于基于所述预热温度对所述目标分区的待熔覆区域进行预热；

14、激光扫描熔覆模块，用于基于所述激光功率和所述扫描速度对预热后的待熔覆区域进行激光扫描熔覆；

15、电磁振动模块，用于在所述电磁振动时间窗口内以所述电磁振动频率对所述待熔覆区域进行定向电磁振动；其中，所述定向电磁振动的方向为所述最大主应力方向的垂直方向；

16、其中，所述仿真模块将所述预热温度输出至所述预热模块，将所述激光功率和所述扫描速度输出至所述激光扫描熔覆模块，将所述电磁振动时间窗口、所述电磁振动频率和所述最大主应力方向输出至所述电磁振动模块。

17、由上可知，相较于现有技术，本申请具有以下有益技术效果：

18、本申请通过构建曲面金属构件多物理场相互耦合的仿真模型，基于仿真结果识别每一层的多个目标分区并确定各目标分区对应的最大主应力方向，预测各目标分区的熔池温度与时间的演化曲线，根据各目标分区的结构特征确定对应的预热温度、激光功率、扫描速度和电磁振动频率；基于预热温度对目标分区的待熔覆区域进行预热，基于激光功率和扫描速度对预热后的待熔覆区域进行激光扫描熔覆，在根据演化曲线确定的电磁振动时间窗口内以电磁振动频率对待熔覆区域进行定向电磁振动，振动方向为最大主应力方向的垂直方向，使得各目标分区在预热、熔覆和电磁振动各阶段的工艺参数与该分区的温度梯度与凝固收缩特性相匹配，各区域之间的温度梯度与凝固收缩差异在成型过程中得到协调控制，保证了构件的成型精度和结构完整性。

1.一种曲面金属构件增材制造方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种曲面金属构件增材制造方法，其特征在于，所述仿真模型包括温度场模型、应力场模型和凝固组织场模型；其中，所述温度场模型分别向所述应力场模型和所述凝固组织场模型提供热应变和冷却速率，所述凝固组织场模型分别向所述温度场模型和所述应力场模型提供结晶潜热和凝固收缩应变。

3.根据权利要求2所述的一种曲面金属构件增材制造方法，其特征在于，所述基于所述仿真模型的仿真结果识别所述曲面金属构件每一层的多个目标分区，确定每个目标分区对应的最大主应力方向，包括：

4.根据权利要求3所述的一种曲面金属构件增材制造方法，其特征在于，所述预测每一层各目标分区的熔池温度与时间的演化曲线，根据所述演化曲线确定每一层各目标分区在激光扫描熔覆后的电磁振动时间窗口，包括：

5.根据权利要求3所述的一种曲面金属构件增材制造方法，其特征在于，所述目标分区的结构特征包括壁厚、曲率、所述温度梯度和所述凝固收缩速率；

6.根据权利要求1所述的一种曲面金属构件增材制造方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求1所述的一种曲面金属构件增材制造方法，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求1所述的一种曲面金属构件增材制造方法，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种曲面金属构件增材制造方法，其特征在于，还包括：

10.一种曲面金属构件增材制造系统，其特征在于，包括：