CN113695837B - 龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构,包括：随形增材层，所述随形增材层由多个分块拼接组合而成，所述分块包括内部硬质填充块和边界间隙软质填充框，所述分块边界间隙软质填充框是以分块的边界向内偏置宽度d的边框，所述边界间隙软质填充框中部是内部硬质填充块；其制备方法包括：步骤1，待修复曲面的获取；步骤2，待修复曲面的离散分块；步骤3，曲面随形增材轨迹规划；步骤4，随形增材修复；步骤5，分块内区域随形增材；步骤6，分块间隙区域随形增材填充；步骤7，热处理、机加工。本设计不仅能够实现强韧耦合、有效延长零件服役寿命，而且能够适应不同区域的差异化性能需求，适用范围广。

Description

龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构及其制备方法，具体适用于提高零件修复部位的耐高温、耐冲击和耐摩擦性能。

背景技术

汽车、航空航天、船舶、能源等领域大量关键高性能承力构件均需采用锻造成形(如汽车前轴、飞机起落架、船用发动机大型曲轴、风力电发电机主轴等)。锻造模具在服役过程中与高温锻坯(900～1200℃)直接接触，承受着循环多道次的交变高温、重载、剧烈摩擦作用，极易发生型面磨损、裂纹、塑性变形及断裂失效，寿命较低，通常只有3000～5000件，航空高强钢、钛合金锻模寿命更低，甚至只有10～50件，严重制约着企业锻件生产成本的降低和国家重大领域关键构件的高效率生产制造。

锻造模具制造工序复杂、生产周期长、材料消耗大、价值高，为了降低生产成本，对于失效锻模，需要进行多次的修复再制造，以延长其服役寿命。目前主要通过人工或机器人电弧堆焊工艺对失效锻模进行修复，首先通过机加工或碳弧气刨的方式清理锻模型面失效层，然后通过电弧堆焊填充修复材料，以恢复其尺寸、形状和性能。根据锻模型腔受载特点，现有修复方法通过在锻模失效型面沿深度方向依次采用打底层(HRC34～42)、过渡层(HRC42～48)和盖面层(>HRC55)等多种材料，形成梯度性能结构，一定程度上改善了锻模型面修复层的耐磨性以及与基体的结合强度。然而，锻模型面受到高温、冲击载荷和剧烈摩擦作用，提高硬度可一定程度地提高耐磨性和抗变形能力，但材料韧性会降低，导致型面受载时会形成微裂纹并逐渐扩展，导致锻模的早期失效。因此，需要提高锻模型面的强-韧综合力学性能，从而改善锻模的耐磨、抗变形、抗裂综合服役性能。

自然界中生物的肌体结构经历了亿万年的进化和演变，可获得适应环境需求的功能结构，存在着大量同时具备高硬度和高韧性的例子。如乌龟壳由13个分块结构组成，分块为高硬度的骨骼盾片，相邻分块骨缝之间为软质的胶原蛋白，将各分块结构有机结合起来，使得乌龟壳“刚中带柔”，在具备高强度的同时还具备一定的变形能力，有助于龟壳耗散外接的机械动能，避免龟壳在受到碰撞、咬合等冲击载荷时形成微裂纹，且裂纹从硬质盾片通过软质间隙时，能量迅速被吸收，限制了裂纹的扩展，从而保证了龟壳整体的安全。此外，贝壳珍珠层的“转-泥”组装结构、树叶和蜻蜓翅翼的加强筋结构均是自然界中强韧耦合的仿生模板，其通过异质材料分块结构实现了机体结构的强韧耦合，满足强度和韧性综合力学性能需求。

国内外采用仿生原理对零部件型面进行了一定程度强化，如中国发明专利“激光相变强化方法及采用该方法制备硬质相的仿生凸轮轴(ZL 201710309875.3)”激光仿生强化(局部相变强化)，“一种水轮机叶片表面局部激光熔注仿生强化方法与设备(ZL201310436473.1)”提出的激光熔凝强化(局部合金化)；“一种型腔表层随形网状结构热锻模具及其制备方法(ZL 201910434664.1)”、“一种高强、高韧的仿生功能表面耐磨复合材料的制备方法(ZL 201410193471.9)”等提出首先通过机加工在型面加工出一定的孔洞、沟槽等，并通过激光、等离子或电弧等方式将材料熔化填充，实现异质复合多材料强韧结构。但这些方法获得的异质结构深度较浅，异质结构型式单一，强化程度有限，且效率较低，对锻模型面的强韧综合力学性能提高较小。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的零件修复部位的耐高温、耐冲击和耐摩擦性能差的问题，提供了一种提高零件修复部位的耐高温、耐冲击和耐摩擦性能的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构及其制备方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构,包括：随形增材层，所述随形增材层由多个分块拼接组合而成，所述分块包括内部硬质填充块和边界间隙软质填充框，所述分块边界间隙软质填充框是以分块的边界向内偏置宽度d的边框，所述边界间隙软质填充框中部是内部硬质填充块。

所述分块是厚度为h的多边形平面或曲面结构。

至少两层所述随形增材层相贴合形成网状双金属修复结构，所述随形增材层的单层厚度h＝2.0～4.0mm。

基于所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，待修复曲面的获取：对零件型面因磨损或裂纹失效区域进行机械加工或碳弧气刨清理，将清理完成的零件进行三维扫描获取零件缺损区域型面三维数模：首先将扫描得到的三维数模与零件原始设计模型进行坐标对齐；然后通过数模比对确定零件型面缺损区域；最后通过布尔求差获取缺损区域三维数模，并确定缺损区域最大深度H；

将得到的缺损区域型面三维数模进行偏置分层：以零件型面缺损区域最外层曲面为基础向内进行曲面偏置，获得多层偏置曲面集合

其中偏置距离为随形增材层的单层厚度h，偏置层数N_L＝H/h；

步骤2，待修复曲面的离散分块：从外到内依次选取步骤1中获取的多层偏置待修复曲面，分别将每一层偏置待修复曲面划分为若干分块，每个分块的边界处向内偏置宽度为d的间隙，则相邻分块间的间隙宽度为2d；

步骤3，曲面随形增材轨迹规划：根据各曲面分块几何结构特征，规划沿曲面轮廓随形分布的电弧增材成形曲面分块随形增材轨迹，使曲面分块随形增材轨迹均匀覆盖各分块；根据分块边界间隙几何特征，规划沿分块边界分布的电弧增材填充轨迹；

步骤4，从最底层曲面开始上外逐层进行随形增材修复：单层曲面增材修复步骤如下：先进行步骤5，分块内区域随形增材，后进行步骤6，分块间隙区域随形电弧增材填充，待整层曲面增材修复完成后进行下一层的增材修复，直到全部增材曲面层修复完成；

步骤5，分块内区域随形增材：选择具备硬度、强度、耐磨性的焊接材料，根据步骤3中规划的曲面分块随形增材轨迹，在曲面上随形增材形成硬质材料分块，使增材逐步覆盖各个分块内，直到该层的分块全部增材完成；

步骤6，分块间隙区域随形增材填充：选择具备韧性、塑性的焊接材料，根据步骤3中规划的曲面分块间隙随形增材填充轨迹，在分块间隙填充形成软质材料间隙，逐步填充各分块边界间隙，直到该层的间隙全部填充完成。

所述制备方法还包括步骤7，热处理、机加工：当步骤4中全部增材曲面层修复完成时，对完成增材修复的零件进行回火消应力热处理：回火温度控制在550摄氏度，保温8小时，随炉冷却至室温25摄氏度，再次在550摄氏度条件下保温8小时回火后，随炉冷却至室温25摄氏度，此时回火完成；

然后将回火后的零件根据型面设计几何模型，对修复型面进行机加工，获得精确工作型面，再进行打磨抛光后，则零件修复完成。

所述步骤2中，复杂曲面的分块通过聚类算法实现曲面的自动化划分，得到若干曲面分块S_i,j(i∈[1,2,…N_L],j∈[1,2,…M_P])，M_P为曲面分块数量；首先将几何曲面离散为曲面点云，通过修改减法聚类算法中决定系数δ(δ∈[0，1])确定分块数量M_P，通过模糊C均值聚类算法将曲面点云划分为M_P个分块，通过α-shape算法获取各分块点云边界得到若干多边形分块；

所述决定系数δ的数值越小，分块数量越多，分块内边界间隙软质填充框的面积占比越大，随形增材层中软质材料所占比例越大，随形增材层的韧性越强；反之，决定系数δ的数值越大，分块数量越少，分块内的内部硬质填充块的面积占比越大，随形增材层中硬质材料所占比例越大，随形增材层的硬度越大；通过调整决定系数δ的数值大小，从而调整分块的大小，进而实现硬、软质材料的比例调节，最终实现调整材料耐磨、抗裂综合力学性能。

所述步骤3中，分块内轨迹规划如下：分块内轨迹采用等残余高度法、等距面偏置法生成,需保证相邻轨迹间距满足电弧增材焊道搭接距离要求，需均匀覆盖各个区域，不存在轨迹重叠或间隙；以分块的中心等高线为基线，取焊道宽度W的50％作为偏置距离，通过曲面上曲线等残余高度偏置算法逐渐覆盖分块，获得覆盖整个分块的多条曲线轨迹{Path₁,Path₂,Path₃,…Path_K}，K为轨迹条数，并依次规划曲面上各个分块内的轨迹，间隙宽度d等于50％～80％的焊道宽度W。

所述步骤5中，具备硬度、强度、耐磨性的焊接材料需满足如下条件：常温硬度满足HRC55～60，在400～700℃下硬度满足HRC40～45；

所述步骤6中，具备韧性、塑性的焊接材料需满足如下条件：常温硬度满足HRC35～40，在400～700℃下硬度满足HRC25～30，屈服强度σ_s＞600MPa，延伸率δ＞17％，冲击功Akv>35J。

所述步骤5中采用RMD650、GORE 3752-FCG或Eureka 750焊丝；

所述步骤6中采用RMD535、GORE 3235-FCG或Eureka 735焊丝。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构中将待修复零件曲面划分为若干分块，各分块边缘设置一定宽度的间隙；在分块区域随形增材填充高强硬性焊材，间隙区域填充高韧塑性焊材，形成类似于龟壳的分块网状软硬结合仿生结构，实现修复型面的强韧耦合，保证强度、硬度的同时提高其韧性，实现型面高的耐磨性、抗变形能力和抗裂性能；相比于目前的型面匀质材料，本发明复合结构可在保证型面足够强度、硬度、耐磨性和抗变形能力的同时，提高其韧性；分块间隙的软质材料可吸收冲击能量，使得裂纹尖端发生钝化或偏转，限制其进一步扩展，从而保证零件型面整体的强韧耦合，提高其耐磨、扛变形、抗裂综合力学性能，并延长零件服役寿命。因此，本设计能够实现强韧耦合，有效延长零件服役寿命。

2、本发明一种龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法中对待修复区域进行建模，对建模先进行分层，后进行分块，最后进行轨迹规划；由于对曲面进行了分块其每一个分块内焊枪的姿态变化较小，使焊道形态均匀，优化了曲面随形增材焊层表面形貌和质量。因此，本设计的修复方案清晰，优化了曲面随形增材焊层表面形貌和质量。

3、本发明一种龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法中根据型面不同区域温度、应力场的分布及对材料结构性能的需求，可调整曲面分块和分块间隙的尺寸，从而调整硬质材料和软质材料的分配比例，实现分块网状复合结构硬度-韧性的变化，适应不同区域的差异化性能需求。因此，本设计能够适应不同区域的差异化性能需求，适用范围广。

4、本发明一种龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法中对完成修复的零件进行热处理，通过两次高温回火热处理，一方面消除电弧增材成形过程中产生的焊接应力，另一方面消除分块区域和间隙异种材料热膨胀系数差异导致的应力，提高修复结构强韧性，改善疲劳性能。因此，本设计能够改善增材层残余应力状态，获得强韧耦合的分块网状双金属修复结构。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的修复零件示意图。

图3是本发明的单层随形增材层的轨迹规划示意图。

图中：随形增材层1、分块2、内部硬质填充块21、边界间隙软质填充框22。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图3，龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构,包括：随形增材层1，所述随形增材层1由多个分块2拼接组合而成，所述分块2包括内部硬质填充块21和边界间隙软质填充框22，所述分块边界间隙软质填充框22是以分块2的边界向内偏置宽度d的边框，所述边界间隙软质填充框22中部是内部硬质填充块21。

所述分块2是厚度为h的多边形平面或曲面结构。

至少两层所述随形增材层1相贴合形成网状双金属修复结构，所述随形增材层1的单层厚度h＝2.0～4.0mm。

基于所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，待修复曲面的获取：对零件型面因磨损或裂纹失效区域进行机械加工或碳弧气刨清理，将清理完成的零件进行三维扫描获取零件缺损区域型面三维数模：首先将扫描得到的三维数模与零件原始设计模型进行坐标对齐；然后通过数模比对确定零件型面缺损区域；最后通过布尔求差获取缺损区域三维数模，并确定缺损区域最大深度H；

将得到的缺损区域型面三维数模进行偏置分层：以零件型面缺损区域最外层曲面为基础向内进行曲面偏置，获得多层偏置曲面集合

其中偏置距离为随形增材层1的单层厚度h，偏置层数N_L＝H/h；

步骤2，待修复曲面的离散分块：从外到内依次选取步骤1中获取的多层偏置待修复曲面，分别将每一层偏置待修复曲面划分为若干分块，每个分块的边界处向内偏置宽度为d的间隙，则相邻分块间的间隙宽度为2d；

步骤3，曲面随形增材轨迹规划：根据各曲面分块几何结构特征，规划沿曲面轮廓随形分布的电弧增材成形曲面分块随形增材轨迹，使曲面分块随形增材轨迹均匀覆盖各分块；根据分块边界间隙几何特征，规划沿分块边界分布的电弧增材填充轨迹；

步骤4，从最底层曲面开始上外逐层进行随形增材修复：单层曲面增材修复步骤如下：先进行步骤5，分块内区域随形增材，后进行步骤6，分块间隙区域随形电弧增材填充，待整层曲面增材修复完成后进行下一层的增材修复，直到全部增材曲面层修复完成；

步骤5，分块内区域随形增材：选择具备硬度、强度、耐磨性的焊接材料，根据步骤3中规划的曲面分块随形增材轨迹，在曲面上随形增材形成硬质材料分块，使增材逐步覆盖各个分块内，直到该层的分块全部增材完成；

步骤6，分块间隙区域随形增材填充：选择具备韧性、塑性的焊接材料，根据步骤3中规划的曲面分块间隙随形增材填充轨迹，在分块间隙填充形成软质材料间隙，逐步填充各分块边界间隙，直到该层的间隙全部填充完成。

所述制备方法还包括步骤7，热处理、机加工：当步骤4中全部增材曲面层修复完成时，对完成增材修复的零件进行回火消应力热处理：回火温度控制在550摄氏度，保温8小时，随炉冷却至室温25摄氏度，再次在550摄氏度条件下保温8小时回火后，随炉冷却至室温25摄氏度，此时回火完成；

然后将回火后的零件根据型面设计几何模型，对修复型面进行机加工，获得精确工作型面，再进行打磨抛光后，则零件修复完成。

所述步骤2中，复杂曲面的分块通过聚类算法实现曲面的自动化划分，得到若干曲面分块S_i,j(i∈[1,2,…N_L],j∈[1,2,…M_P])，M_P为曲面分块数量；首先将几何曲面离散为曲面点云，通过修改减法聚类算法中决定系数δ(δ∈[0，1])确定分块数量M_P，通过模糊C均值聚类算法将曲面点云划分为M_P个分块，通过α-shape算法获取各分块点云边界得到若干多边形分块2；

所述决定系数δ的数值越小，分块数量越多，分块2内边界间隙软质填充框22的面积占比越大，随形增材层1中软质材料所占比例越大，随形增材层1的韧性越强；反之，决定系数δ的数值越大，分块数量越少，分块2内的内部硬质填充块21的面积占比越大，随形增材层1中硬质材料所占比例越大，随形增材层1的硬度越大；通过调整决定系数δ的数值大小，从而调整分块的大小，进而实现硬、软质材料的比例调节，最终实现调整材料耐磨、抗裂综合力学性能。

所述步骤3中，分块内轨迹规划如下：分块内轨迹采用等残余高度法、等距面偏置法生成,需保证相邻轨迹间距满足电弧增材焊道搭接距离要求，需均匀覆盖各个区域，不存在轨迹重叠或间隙；以分块2的中心等高线为基线，取焊道宽度W的50％作为偏置距离，通过曲面上曲线等残余高度偏置算法逐渐覆盖分块，获得覆盖整个分块的多条曲线轨迹{Path₁,Path₂,Path₃,…Path_K}，K为轨迹条数，并依次规划曲面上各个分块内的轨迹，间隙宽度d等于50％～80％的焊道宽度W。

所述步骤5中，具备硬度、强度、耐磨性的焊接材料需满足如下条件：常温硬度满足HRC55～60，在400～700℃下硬度满足HRC40～45；

所述步骤6中，具备韧性、塑性的焊接材料需满足如下条件：常温硬度满足HRC35～40，在400～700℃下硬度满足HRC25～30，屈服强度σ_s＞600MPa，延伸率δ＞17％，冲击功Akv>35J。

所述步骤5中采用RMD650、GORE 3752-FCG或Eureka 750焊丝；

所述步骤6中采用RMD535、GORE 3235-FCG或Eureka 735焊丝。

本发明的原理说明如下：

本设计不仅可用于汽车、航空航天、船舶、能源等领域失效热锻模具的修复再制造，也可用于新制锻模、曲面零件的型面层的强化，即制造完成后，在表面制备若干层曲面分块网状双金属龟壳仿生结构，提高其服役性能。此外，该方法也可适用于各类具有耐磨、抗裂强韧化需求的复杂曲面类零件表面的强化，如水轮机叶片、轧辊等。

相邻分块边界间隙填充时，需保证间隙填充材料与分块材料的良好熔合，且保证与其他分块以填充边界间隙材料熔合良好。

实施例1：

龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构,包括：随形增材层1，所述随形增材层1由多个分块2拼接组合而成，所述分块2包括内部硬质填充块21和边界间隙软质填充框22，所述分块边界间隙软质填充框22是以分块2的边界向内偏置宽度d的边框，所述边界间隙软质填充框22中部是内部硬质填充块21。

基于所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，待修复曲面的获取：对零件型面因磨损或裂纹失效区域进行机械加工或碳弧气刨清理，将清理完成的零件进行三维扫描获取零件缺损区域型面三维数模：首先将扫描得到的三维数模与零件原始设计模型进行坐标对齐；然后通过数模比对确定零件型面缺损区域；最后通过布尔求差获取缺损区域三维数模，并确定缺损区域最大深度H；

将得到的缺损区域型面三维数模进行偏置分层：以零件型面缺损区域最外层曲面为基础向内进行曲面偏置，获得多层偏置曲面集合

其中偏置距离为随形增材层1的单层厚度h，偏置层数N_L＝H/h；

步骤2，待修复曲面的离散分块：从外到内依次选取步骤1中获取的多层偏置待修复曲面，分别将每一层偏置待修复曲面划分为若干分块2，每个分块2的边界处向内偏置宽度为d的间隙，则相邻分块间的间隙宽度为2d；

步骤3，曲面随形增材轨迹规划：根据各曲面分块几何结构特征，规划沿曲面轮廓随形分布的电弧增材成形曲面分块随形增材轨迹，使曲面分块随形增材轨迹均匀覆盖各分块；根据分块边界间隙几何特征，规划沿分块边界分布的电弧增材填充轨迹；

步骤4，从最底层曲面开始上外逐层进行随形增材修复：单层曲面增材修复步骤如下：先进行步骤5，分块内区域随形增材，后进行步骤6，分块间隙区域随形电弧增材填充，待整层曲面增材修复完成后进行下一层的增材修复，直到全部增材曲面层修复完成；

步骤5，分块内区域随形增材：选择具备硬度、强度、耐磨性的焊接材料，根据步骤3中规划的曲面分块随形增材轨迹，在曲面上随形增材形成硬质材料分块，使增材逐步覆盖各个分块内，直到该层的分块全部增材完成；

步骤6，分块间隙区域随形增材填充：选择具备韧性、塑性的焊接材料，根据步骤3中规划的曲面分块间隙随形增材填充轨迹，在分块间隙填充形成软质材料间隙，逐步填充各分块边界间隙，直到该层的间隙全部填充完成。

所述制备方法还包括步骤7，热处理、机加工：当步骤4中全部增材曲面层修复完成时，对完成增材修复的零件进行回火消应力热处理：回火温度控制在550摄氏度，保温8小时，随炉冷却至室温25摄氏度，再次在550摄氏度条件下保温8小时回火后，随炉冷却至室温25摄氏度，此时回火完成；

然后将回火后的零件根据型面设计几何模型，对修复型面进行机加工，获得精确工作型面，再进行打磨抛光后，则零件修复完成。

所述步骤5中采用Eureka 750焊丝；所述步骤6中采用Eureka 735焊丝。

实施例2：

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

所述分块2是厚度为h的多边形平面或曲面结构。

所述步骤2中，复杂曲面的分块通过聚类算法实现曲面的自动化划分，得到若干曲面分块S_i,j(i∈[1,2,…N_L],j∈[1,2,…M_P])，M_P为曲面分块数量；首先将几何曲面离散为曲面点云，通过修改减法聚类算法中决定系数δ(δ∈[0，1])确定分块数量M_P，通过模糊C均值聚类算法将曲面点云划分为M_P个分块，通过α-shape算法获取各分块点云边界得到若干多边形分块2；

所述决定系数δ的数值越小，分块数量越多，分块2内边界间隙软质填充框22的面积占比越大，随形增材层1中软质材料所占比例越大，随形增材层1的韧性越强；反之，决定系数δ的数值越大，分块数量越少，分块2内的内部硬质填充块21的面积占比越大，随形增材层1中硬质材料所占比例越大，随形增材层1的硬度越大；通过调整决定系数δ的数值大小，从而调整分块的大小，进而实现硬、软质材料的比例调节，最终实现调整材料耐磨、抗裂综合力学性能。

所述步骤3中，分块内轨迹规划如下：分块内轨迹采用等残余高度法、等距面偏置法生成,需保证相邻轨迹间距满足电弧增材焊道搭接距离要求，需均匀覆盖各个区域，不存在轨迹重叠或间隙；以分块2的中心等高线为基线，取焊道宽度W的50％作为偏置距离，通过曲面上曲线等残余高度偏置算法逐渐覆盖分块，获得覆盖整个分块的多条曲线轨迹{Path₁,Path₂,Path₃,…Path_K}，K为轨迹条数，并依次规划曲面上各个分块内的轨迹，间隙宽度d等于50％～80％的焊道宽度W。

所述步骤5中，具备硬度、强度、耐磨性的焊接材料需满足如下条件：常温硬度满足HRC55～60，在400～700℃下硬度满足HRC40～45；

所述步骤6中，具备韧性、塑性的焊接材料需满足如下条件：常温硬度满足HRC35～40，在400～700℃下硬度满足HRC25～30，屈服强度σ_s＞600MPa，延伸率δ＞17％，冲击功Akv>35J。

所述步骤5中采用GORE 3752-FCG焊丝；所述步骤6中采用GORE 3235-FCG焊丝。

实施例3：

实施例3与实施例2基本相同，其不同之处在于：

至少两层所述随形增材层1相贴合形成网状双金属修复结构，所述随形增材层1的单层厚度h＝2.0～4.0mm。

所述步骤5中采用RMD650焊丝；所述步骤6中采用RMD535焊丝；直径1.6mm，送丝速度6.5m/min，焊接电压22.8V，焊接电流230A，焊接速度8mm/s。

Claims (8)

1.龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法，其特征在于：

所述制备方法包括如下步骤：

步骤1，待修复曲面的获取；对零件型面因磨损或裂纹失效区域进行机械加工或碳弧气刨清理，将清理完成的零件进行三维扫描获取零件缺损区域型面三维数模：首先将扫描得到的三维数模与零件原始设计模型进行坐标对齐；然后通过数模比对确定零件型面缺损区域；最后通过布尔求差获取缺损区域三维数模，并确定缺损区域最大深度H；

将得到的缺损区域型面三维数模进行偏置分层：以零件型面缺损区域最外层曲面为基础向内进行曲面偏置，获得多层偏置曲面集合

其中偏置距离为随形增材层(1)的单层厚度h，偏置层数N_L＝H/h；

步骤2，待修复曲面的离散分块：从外到内依次选取步骤1中获取的多层偏置待修复曲面，分别将每一层偏置待修复曲面划分为若干分块(2)，每个分块(2)的边界处向内偏置宽度为d的间隙，则相邻分块(2)间的间隙宽度为2d；

步骤3，曲面随形增材轨迹规划：根据各曲面分块几何结构特征，规划沿曲面轮廓随形分布的电弧增材成形曲面分块随形增材轨迹，使曲面分块随形增材轨迹均匀覆盖各分块(2)；根据分块边界间隙几何特征，规划沿分块(2)边界分布的电弧增材填充轨迹；

步骤4，从最底层曲面开始上外逐层进行随形增材修复：单层曲面增材修复步骤如下：先进行步骤5，分块内区域随形增材，后进行步骤6，分块间隙区域随形电弧增材填充，待整层曲面增材修复完成后进行下一层的增材修复，直到全部增材曲面层修复完成；

步骤5，分块内区域随形增材：选择具备硬度、强度、耐磨性的焊接材料，根据步骤3中规划的曲面分块随形增材轨迹，在曲面上随形增材形成硬质材料分块，使增材逐步覆盖各个分块内，直到该层的分块全部增材完成；

步骤6，分块间隙区域随形增材填充：选择具备韧性、塑性的焊接材料，根据步骤3中规划的曲面分块间隙随形增材填充轨迹，在分块间隙填充形成软质材料间隙，逐步填充各分块边界间隙，直到该层的间隙全部填充完成；

通过上述步骤制备得到：龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构,所述龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构包括：随形增材层(1)，所述随形增材层(1)由多个分块(2)拼接组合而成，所述分块(2)包括内部硬质填充块(21)和边界间隙软质填充框(22)，所述分块边界间隙软质填充框(22)是以分块(2)的边界向内偏置宽度d的边框，所述边界间隙软质填充框(22)中部是内部硬质填充块(21)。

2.根据权利要求1所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法,其特征在于：

所述龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构中，所述分块(2)是厚度为h的多边形平面或曲面结构。

3.根据权利要求2所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法,其特征在于：

所述龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构中，至少两层所述随形增材层(1)相贴合形成网状双金属修复结构，所述随形增材层(1)的单层厚度h＝2.0～4.0mm。

4.根据权利要求1所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法，其特征在于：

所述制备方法还包括步骤7，热处理、机加工：当步骤4中全部增材曲面层修复完成时，对完成增材修复的零件进行回火消应力热处理：回火温度控制在550摄氏度，保温8小时，随炉冷却至室温25摄氏度，再次在550摄氏度条件下保温8小时回火后，随炉冷却至室温25摄氏度，此时回火完成；

然后将回火后的零件根据型面设计几何模型，对修复型面进行机加工，获得精确工作型面，再进行打磨抛光后，则零件修复完成。

5.根据权利要求1或4所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法，其特征在于：

所述步骤2中，复杂曲面的分块通过聚类算法实现曲面的自动化划分，得到若干曲面分块S_i,j(i∈[1,2,…N_L],j∈[1,2,…M_P])，M_P为曲面分块数量；首先将几何曲面离散为曲面点云，通过修改减法聚类算法中决定系数δ(δ∈[0，1])确定分块数量M_P，通过模糊C均值聚类算法将曲面点云划分为M_P个分块，通过α-shape算法获取各分块点云边界得到若干多边形分块(2)；

所述决定系数δ的数值越小，分块数量越多，分块(2)内边界间隙软质填充框(22)的面积占比越大，随形增材层(1)中软质材料所占比例越大，随形增材层(1)的韧性越强；反之，决定系数δ的数值越大，分块数量越少，分块(2)内的内部硬质填充块(21)的面积占比越大，随形增材层(1)中硬质材料所占比例越大，随形增材层(1)的硬度越大；通过调整决定系数δ的数值大小，从而调整分块的大小，进而实现硬、软质材料的比例调节，最终实现调整材料耐磨、抗裂综合力学性能。

6.根据权利要求5所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法，其特征在于：

所述步骤3中，分块内轨迹规划如下：分块内轨迹采用等残余高度法、等距面偏置法生成,需保证相邻轨迹间距满足电弧增材焊道搭接距离要求，需均匀覆盖各个区域，不存在轨迹重叠或间隙；以分块(2)的中心等高线为基线，取焊道宽度W的50％作为偏置距离，通过曲面上曲线等残余高度偏置算法逐渐覆盖分块，获得覆盖整个分块的多条曲线轨迹{Path₁,Path₂,Path₃,…Path_K}，K为轨迹条数，并依次规划曲面上各个分块内的轨迹，间隙宽度d等于50％～80％的焊道宽度W。

7.根据权利要求6所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法，其特征在于：

所述步骤5中，具备硬度、强度、耐磨性的焊接材料需满足如下条件：常温硬度满足HRC55～60，在400～700℃下硬度满足HRC40～45；

所述步骤6中，具备韧性、塑性的焊接材料需满足如下条件：常温硬度满足HRC35～40，在400～700℃下硬度满足HRC25～30，屈服强度σ_s＞600MPa，延伸率δ＞17％，冲击功Akv>35J。

8.根据权利要求7所述的龟壳仿生曲面分块网状双金属修复结构的制备方法，其特征在于：

所述步骤5中采用RMD650、GORE 3752-FCG或Eureka 750焊丝；

所述步骤6中采用RMD535、GORE 3235-FCG或Eureka 735焊丝。

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