[發明專利]一種激光-感應復合熔化沉積纖維增強金屬基復合材料的方法

有效

• 申請號: 201611106419.0
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106694879B
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 戴曉琴;陳瀚寧;雷劍波;石川;顧振杰;周圣豐
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00;C22C47/14;C22C47/06;C22C47/04;C22C49/08;C22C49/06;C22C101/10;C22C101/06;C22C101/02
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一種激光?感應復合熔化沉積纖維增強金屬基復合材料的方法，該方法的特點是：(1)首先生成纖維增強金屬基復合材料零件的三維模型，然后采用切片技術生成該零件的激光二維加工路徑；(2)對纖維進行粗化、敏化、活化與化學鍍處理，在直徑0.2～10μm的纖維表面形成厚度為20～50μm鍍鎳層；(3)采用纖維編織模板，將纖維編織成相互平行的結構；(4)采用激光?感應復合熔覆沉積技術將合金粉末熔化并將纖維包覆起來而形成纖維增強金屬基復合材料。采用本發明可在高效率、低成本條件下，制備纖維增強金屬基復合材料的結構件；纖維作為強化相均勻分布于金屬基復合材料內；纖維結構保持完整且纖維間距離可調可控；纖維增強金屬基復合材料顯微組織致密，無氣孔與裂紋，硬度可達1000～1250HV_0.2，干滑動磨損性能約是硬度為60HRC的GCr15的3～5倍，抗拉強度可達1000～1200Mpa，延伸率為20～45％。

技術領域

本發明涉及一種激光-感應復合熔化沉積纖維增強金屬基復合材料的方法，屬于激光增材制造技術領域。

背景技術

金屬基復合材料由金屬基體和增強相通過一定的工藝復合而成的新型結構材料，按增強相的形態可分為纖維增強金屬基復合材料、晶須及短纖維增強金屬基復合材料、顆粒增強金屬基復合材料等幾種形式。因此，金屬基復合材料具有較高的比強度、比剛度以及良好的抗蠕變、耐高溫性能，尤其是纖維增強金屬基復合材料在其纖維方向上具有很高的強度和模量，在構件的受力狀況基本確定時更能發揮其定向優勢，在航空航天領域具有十分廣闊的應用前景。

目前，纖維增強金屬基復合材料的制備方法主要有粉末冶金法、真空壓力浸滲法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法等。粉末冶金法是預先將短纖維與金屬粉末制成漿狀并混合，經成型干燥熱壓燒結成型，該法較為復雜，不適宜制備大尺寸零件，成本很高。真空壓力浸滲法是將增強相制成預制體，放入承壓鑄型內，加熱、抽真空，通過真空產生的負壓，使液態基體金屬熔體浸滲到預制體中并凝固成形，該方法的設備復雜，工藝周期長，成本較高，適用于制備要求較高的小型零件；擠壓鑄造是將增強材料制成預制件，放入壓型，用壓機將液態金屬壓入凝固后得到成型件，其擠壓鑄造力大，一般在70-100MPa，所制成預制件必須有很高強度，同時需保證預制件的空隙度；攪拌鑄造法是將金屬熔化，在液態或半固態攪拌，同時加入增強材料(短纖維、晶須或粒子等)，制備出復合材料漿料，然后進行鑄造、液態模鍛、軋制或擠壓成形。盡管擠壓鑄造法與攪拌鑄造法在工業中得到較為廣泛的應用，但是這兩種方法制備的纖維增強金屬基復合材料都存在纖維增強相分布不均、結構不完整以及與金屬基體界面潤濕性差等缺點，其綜合性能有待進一步提高。

激光增材制造主要以金屬粉末或金屬絲材為原料，通過CAD模型預分層處理，采用高功率激光束熔化堆積生長，直徑從CAD模型一步完成高性能構件的“近終成形”。與傳統的制造工藝相比，激光增材制造屬于“加法制造”，具有工藝流程短、無模具、制造周期短、小批量零件生產成本低、零件近凈成 型、材料利用率高以及可實現多種材料任意復合制造等優點。近年來，激光-感應復合熔化沉積技術可以在加工效率提高1～5倍的條件下，快速制備組織致密的高性能三維結構件。但是，采用激光-感應復合熔化沉積技術制備纖維增強金屬基復合材料的方法未見文獻報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種激光-感應復合熔化沉積纖維增強金屬基復合材料的方法。本發明利用具有快速加熱、快速凝固、柔性制造、易實現自動化等特點的激光-感應復合熔化熱源，將粉末噴嘴噴射出的合金粉末熔化，并將鍍有鎳層的纖維包覆起來，結合分層切片技術形成纖維增強金屬基復合材料結構件。

本發明是這樣來實現的，其方法與步驟為：

(1)利用專用CAD軟件生成纖維增強金屬基復合材料零件的三維CAD實體模型，然后切割成若干相互平行的薄片，實現將零件的三維立體數據轉換成一系列的二維平面數據，并在數控加工臺上生成激光-感應復合熔化熱源的掃描路徑；