CN106425022B - 一种cmt增材制造复合材料构件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种利用CMT增材制造复合材料构件的方法，涉及快速成型领域。具体是：以陶瓷为增强材料，配合在金属外壳中，并复合至CMT增材制造形成的具有凹槽结构的构件中，制造复合材料构件。本发明利用CMT增材制造复合材料构件，提高构件性能以满足在生产中的多种要求，并可以有效的提高构件的抗冲击能力。
Description
技术领域
本发明属于快速成形技术领域，涉及金属材料加工方向，具体为一种利用CMT增材制造制作复合材料构件的方法。
背景技术
增材制造是指利用离散-堆积的原理，通过所选材料的逐渐累加，快速并精密地制造出任意结构形状的零件，最终达到制造实体目的的技术。相比于传统的“减材”制造，增材制造在成型过程中，不需要专用的夹具与模型，缩短了成型的加工周期与能源消耗，增加了成型的生产效率与材料的利用率。增材制造又被称为“3D打印技术”、“快速原型制造技术”等等。
冷金属过渡焊接技术(CMT)是一种没有焊渣飞溅的新型焊接技术，这种工艺技术是将焊丝的运动与焊接过程结合起来，在熔滴短路时，焊机得到短路信号后会切断电流，同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，实现熔滴的冷过渡，在熔滴从焊丝上滴落之后，数字控制系统再次提高焊接电流，并进一步将焊丝向前送出。之后，重新生成焊接电弧，开始新一轮的焊接过程。这种“冷-热”之间的交替变化大大降低了焊接热的产生，并减少了焊接热在被焊接件中的传导，消除了飞溅现象。该技术极大的提高了焊接的生产能力，并可有效保证被焊件的焊接质量。而CMT增材制造是指基于冷金属过渡焊接技术的增材制造方法。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。随着工业的发展，对结构材料的综合性能要求不断提高，单一的结构材料已经不能满足现代工业的发展，为了满足结构轻型化、结构功能一体化和低成本设计与制造的发展要求，综合利用不同材料的性能优势，将具有不同特性的材料组合在一起已经变成应有的趋势。
在CMT增材制造过程中配合异种材料，可以显著提升结构件性能。陶瓷材料具有硬度高、密度小的优点，抗冲击性能强，在外来物撞击陶瓷复合材料的瞬间，撞击产生的超压冲击波沿着陶瓷复合材料和外来物传播，造成两者损坏，高硬度陶瓷可以产生较大的反作用力，降低外来物速度。
在工业生产中可以达到多种要求，可以探究高抗冲击结构及其制造技术，形成高抗冲击结构设计方法及其制造工艺技术能力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术问题，提供一种利用CMT增材制造制作复合材料构件的方法。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
该方法为：
以陶瓷为增强材料，配合在金属外壳中，并复合至CMT增材制造形成的具有凹槽结构的构件中，制造复合材料构件。
该方法具体为：
步骤一：根据陶瓷增强材料尺寸，机械加工制造内部留有空腔的金属外壳；
步骤二：通过CMT增材制造，制造出具有凹槽结构的构件；
步骤三：将陶瓷增强材料配合至金属外壳空腔中，并对金属外壳整体进行封闭；
步骤四：将配合陶瓷增强材料后的金属外壳，放置在增材制造构件时留出的凹槽结构内，并使其紧密配合；
步骤五：在紧密配合金属外壳的构件上，再进行CMT增材制造，使得配合有陶瓷增强材料后的金属外壳被覆盖，完成增材制造制作复合材料构件。
步骤一中，陶瓷增强材料是尺寸为直径为3mm—10mm的陶瓷球。陶瓷球与增材制造金属构件的体积比例不超过23％。
步骤一中，金属外壳为圆柱形金属外壳。
步骤二中，CMT增材制造具体为：
1、准备与焊丝焊接性相匹配的基板；
2、将基板进行表面处理，以清除基板表面的氧化层、油渍和污垢；
3、利用夹具将基板固定在操作台上，通过CMT增材制造构件，并选择指定位置留出凹槽结构空缺。
其中，选择指定位置是指在陶瓷球与增材制造金属构件的体积比例不超过23％的条件下，在增材制造构件的上表面均匀分布。
步骤二中，CMT增材制造焊丝的材料与金属外壳的材料相同；CMT增材制造采用的焊丝类型为304不锈钢、316L不锈钢或者含氮量在0.8％以上的高氮钢奥氏体镍铬合金焊丝。
步骤三中，对金属外壳整体进行封闭为焊接、自锁结构或螺栓。
陶瓷增强材料包括碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硼陶瓷以及硬质合金陶瓷。
优选的，步骤五中，覆盖金属外壳时，覆盖高度为陶瓷球直径的1.7倍至2.3倍。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：
1、本发明利用增材制造制作复合材料构件，构件近净成型，机加余量小，材料利用率高；相比传统工艺，复杂零件制造工艺流程大大缩短；制作复合材料构件的方法便捷高效，应用前景很广。
2、由于陶瓷材料本身所具有的高硬度、高抗压强度、相对低的密度等优点，在金属构件中复合陶瓷材料，可以有效的提高构件的抗冲击能力，结构件的防护系数可以增大16％-20％以上。
3、圆柱形的金属外壳便于结构件与金属外壳之间的紧密配合，球形陶瓷可以使得复合结构件每个方向都可以提高抗冲击能力。
4、本发明利用增材制造可实现多种材料任意复合制造，可以根据不同需求，选择不同的配合材料制造复合构件，提升结构件的不同性能。
附图说明
图1是紧密配合陶瓷球的圆柱形金属壳示意图。
图2是增材制造复合构件示意图。
其中：1、增材制造基板；2、增材制造构件；3、凹槽结构；4、金属外壳；5、增材制造复合构件；6、CMT焊枪及焊丝。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的连接方法，下面将结合实施例和附图来详细说明本发明所涉及的方法。
不锈钢—陶瓷复合材料构件具体实施方式：
步骤一：金属外壳材料为高氮奥氏体不锈钢，加工金属外壳为直径10mm、长12mm的圆柱形金属外壳，其分为上下两个部分，并且上下配合面光滑，在金属壳内部留有直径8mm的球形空腔，如图1为该圆柱型金属外壳的示意图。
步骤二：选取1块300mm×300mm×15mm的ER304不锈钢板材作为基板，选用直径为1.2mm的氮含量0.85％的高氮奥氏体不锈钢焊丝。如图2中所示，试验前通过砂轮机对基板1表面进行打磨去除氧化层处理，并用无水酒精和丙酮清洗干净。
步骤三：基于CMT焊接技术，采用Fronius焊机一元化参数设置，选取如下工艺参数：焊接速度35cm/min，5.5cm/min的送丝速度、电流170A、电压11.2V、保护气为97.5％氩气+2.5％氧气，送气速度为18L/min，焊道之间层间间隔时间为90s。增材制造构件尺寸为60mm×60mm×2.5mm的样品，如图2中所示。在增材制造过程中在外表面留有4个直径10mm、长12mm的圆柱形凹槽空缺。
步骤四：将直径10mm的球形碳化硅陶瓷材料配合在金属壳的空腔之中，并利用钎焊将金属壳的上下两个部分进行焊接，使其紧密连接。
步骤五：将圆柱形金属壳配合在增材制造样品所留出的凹槽空缺位置，并使其紧密配合，尽可能的减少其间空隙。
步骤六：依次重复步骤四、五，在其余3个凹槽空缺处分别配合内嵌球形陶瓷的圆柱型金属壳。
步骤七：最后再通过CMT增材制造将金属外壳覆盖，增材制造样品尺寸为60mm×60mm×2.5mm。最终得到配合内嵌球形陶瓷的高氮钢增材制造结构件，样品尺寸为60mm×60mm×5.0mm。
Claims (9)
1.一种CMT增材制造复合材料构件的方法，其特征在于，该方法为：
以陶瓷为增强材料，配合在金属外壳中，并复合至CMT增材制造形成的具有凹槽结构的构件中，制造复合材料构件，该方法具体为：
步骤一：根据陶瓷增强材料尺寸，机械加工制造内部留有空腔的金属外壳；
步骤二：通过CMT增材制造，制造出具有凹槽结构的构件；
步骤三：将陶瓷增强材料配合至金属外壳空腔中，并对金属外壳整体进行封闭；
步骤四：将配合陶瓷增强材料后的金属外壳，放置在增材制造构件时留出的凹槽结构内，并使其紧密配合；
步骤五：在紧密配合金属外壳的构件上，再进行CMT增材制造，使得配合有陶瓷增强材料后的金属外壳被覆盖，完成增材制造制作复合材料构件。
2.根据权利要求1所述的CMT增材制造复合材料构件的方法，其特征在于，步骤一中，陶瓷增强材料是尺寸为直径为3mm—10mm的陶瓷球，陶瓷球与增材制造金属构件的体积比例不超过23％。
3.根据权利要求1所述的CMT增材制造复合材料构件的方法，其特征在于，步骤一中，金属外壳为圆柱形金属外壳。
4.根据权利要求1所述的CMT增材制造复合材料构件的方法，其特征在于，步骤二中，CMT增材制造具体为：
a、准备与焊丝焊接性相匹配的基板；
b、将基板进行表面处理，以清除基板表面的氧化层、油渍和污垢；
c、利用夹具将基板固定在操作台上，通过CMT增材制造构件，并选择指定位置留出凹槽结构空缺；
其中，选择指定位置是指在陶瓷球与增材制造金属构件的体积比例不超过23％的条件下，在增材制造构件的上表面均匀分布。
5.根据权利要求1所述的CMT增材制造复合材料构件的方法，其特征在于，步骤二中，CMT增材制造焊丝的材料与金属外壳的材料相同。
6.根据权利要求1所述的CMT增材制造复合材料构件的方法，其特征在于，步骤二中，CMT增材制造采用的焊丝类型为304不锈钢、316L不锈钢或者含氮量在0.8％以上的高氮钢奥氏体镍铬合金焊丝。
7.根据权利要求1所述的CMT增材制造复合材料构件的方法，其特征在于，步骤三中，对金属外壳整体进行封闭为焊接、自锁结构或螺栓。
8.根据权利要求1所述的CMT增材制造复合材料构件的方法，其特征在于，所述的陶瓷增强材料包括碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硼陶瓷或硬质合金陶瓷。
9.根据权利要求2所述的CMT增材制造复合材料构件的方法，其特征在于，步骤五中，覆盖金属外壳时，覆盖高度为陶瓷球直径的1.7倍至2.3倍。
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