[發(fā)明專利]一種連續(xù)碳纖維增強鎂基復(fù)合材料的電弧增材制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110778106.4
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113695571B
• 公開（公告）日: 2023-02-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王利卿;白培康;趙占勇;魏守征;張震;王宇;李曉峰;劉斌
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F10/18;B22F10/64;B33Y10/00;B33Y80/00
• 代理公司: 鄭州紅元帥專利代理事務(wù)所(普通合伙) 41117
• 代理人: 宋巧蘭

本發(fā)明公開了一種連續(xù)碳纖維增強鎂基復(fù)合材料的電弧增材制造方法，屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域。所得Cf/Mg復(fù)合材料中碳纖維體積比為10%~30%，碳纖維與鎂基體界面結(jié)合良好。其制備方法為：（1）以鎂合金絲材與碳纖維為原料，對鎂合金絲材與碳纖維進行表面清理；（2）將表面處理后的兩種絲材進行絞線，通過不同直徑匹配獲得不同碳纖維含量的絞線；（3）以復(fù)合絞線為原料，利用非熔化極氣體保護焊設(shè)備、自動送絲設(shè)備進行電弧增材制造；（4）將所得打印件進行退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力。本發(fā)明實現(xiàn)了利用電弧增材制造技術(shù)制備Cf/Mg復(fù)合材料；借助電弧增材技術(shù)克服了傳統(tǒng)制備技術(shù)對構(gòu)件形狀、尺寸的限制；以復(fù)合絞線為原料提高了碳纖維分布的均勻性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種連續(xù)碳纖維增強鎂基復(fù)合材料的電弧增材制造方法。

背景技術(shù)

碳纖維增強鎂基復(fù)合材料（Cf/Mg復(fù)合材料）綜合了鎂合金基體與碳纖維的優(yōu)勢，表現(xiàn)出密度低、比強度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)勢，成為輕量化、高性能結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的熱點之一，在航空、航天、國防軍工、高速軌道交通等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，實際獲得應(yīng)用的Cf/Mg復(fù)合材料遠落后于期望。其原因在于，傳統(tǒng)制造工藝（如真空吸滲擠壓）通常需要特殊的模具或裝備，機械加工容易產(chǎn)生纖維拔出或?qū)娱g撕裂等缺陷，因此限制了連續(xù)纖維復(fù)合材料構(gòu)件的制備與多樣性，難以滿足不同領(lǐng)域的需求。

近年來，3D打印（增材制造）技術(shù)的快速發(fā)展為復(fù)雜形狀構(gòu)件的材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計、近凈成形制備提供了技術(shù)基礎(chǔ)。而送絲3D打印技術(shù)為連續(xù)纖維增強復(fù)合材料提供了新的發(fā)展方向。該技術(shù)在連續(xù)纖維增強高分子材料領(lǐng)域取得顯著進步，并由Markforged、Stratasys、Arevo等公司開發(fā)出了各具特色的3D打印技術(shù)、設(shè)備及產(chǎn)品。然而，3D打印Cf/Mg復(fù)合材料的研究工作卻鮮有報道，其原因在于目前用于制備Cf/Mg復(fù)合材料的原料很難直接應(yīng)用于3D打印技術(shù)；另一方面是3D打印過程中高能束流與碳纖維、鎂合金相互作用，增加了界面反應(yīng)與界面微觀組織調(diào)控難度，增大了碳纖維表面受損的風(fēng)險，非常不利于材料的組織與性能調(diào)控。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提供一種連續(xù)碳纖維增強鎂基復(fù)合材料的電弧增材制造方法，以實現(xiàn)高性能、多樣化Cf/Mg復(fù)合材料構(gòu)件的制造，進一步擴大Cf/Mg復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。本發(fā)明解決了電弧增材制造Cf/Mg復(fù)合材料原料、界面微觀組織與性能調(diào)控等問題，提供性能良好的Cf/Mg復(fù)合材料及增材制造技術(shù)，為實現(xiàn)Cf/Mg復(fù)合材料構(gòu)件個性化定制提供技術(shù)支撐。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種連續(xù)碳纖維增強鎂基復(fù)合材料的電弧增材制造方法，所述復(fù)合材料是以鎂合金絲材和碳纖維為原料，通過絞線獲得的用于電弧增材制造的復(fù)合絲材；

所述制備方法包括以下步驟：

步驟一，利用丙酮分別清理鎂合金絲材與碳纖維表面的油污和膠質(zhì)；

步驟二，將表面處理后的鎂合金絲材和碳纖維進行絞線，通過不同直徑搭配控制碳纖維含量在10%~30%，最終復(fù)合絞線直徑在1.0~1.8mm之間；

步驟三，以復(fù)合絞線為原料，利用非熔化極氣體保護焊設(shè)備、自動送絲設(shè)備進行電弧增材制造，按照預(yù)設(shè)路徑逐層堆積成形出打印件；

步驟四，將步驟三所得打印件在石墨粉覆蓋條件下進行退火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。

進一步，所述步驟一中，所用鎂合金絲材的直徑為0.3~0.6mm。

進一步，所述步驟一中，所用鎂合金絲材是經(jīng)過退火處理的軟態(tài)絲。

進一步，所述步驟一中，所用碳纖維的單絲直徑為6.9μm。

進一步，所述步驟二中，將表面處理后的碳纖維螺旋纏繞在鎂合金絲材表面，然后將纏繞碳纖維的鎂合金絲材與鎂合金絲材進行絞線。