CN106756649A - 一种连续SiC纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续SiC纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法，属于金属基复合材料制备技术领域。采用激光增材制造技术制备SiC纤维增强钛基复合材料，即采用激光熔覆手段将钛合金丝材沉积到SiC纤维、叠层铺设的纤维布或纤维增强体上，包括板材、环件等结构，从而完成钛合金与纤维的复合成形。该方法的优点在于，免去工装模具、减少制造周期；可制备形状复杂、尺寸超大、超厚、复杂型腔等特殊结构的纤维增强钛基复合材料结构件；对于具有复杂纤维排布结构的复合材料，免去因热压而导致纤维发生断裂的过程，实现结构件制备、加工一体化，提高生产效率并降低成本。

Description

一种连续SiC纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，具体涉及一种连续SiC纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法。
背景技术
随着航空工业的迅速发展，具有高比强度、比刚度，更优异的高温性能、抗氧化、抗腐蚀性能的结构材料成为研究热点。连续SiC纤维增强钛基复合材料是在钛合金中引入SiC纤维作为增强体的一种耐高温、轻量化结构材料，除了保留钛合金原有的优点之外，还具有密度更低、比强度和比刚度更高、高温性能更优异等特点，适用于制备局部选择性增强结构件，如高速飞行器翼面、局部加强筋等结构件，在航空领域具有明确的应用前景。
目前，连续SiC纤维增强钛基复合材料的制备方法有很多，针对蒙皮用材料的大尺寸、低厚度的结构特点，主要采用箔-纤维-箔法。该方法的主要工艺过程为将钛合金箔材裁剪成合适的尺寸规格并对箔材表面清洗干净；将纤维在数控缠绕机上排布成规定尺寸的纤维布；纤维-箔材交错叠层后，经过真空除气，封装入金属包套中，经热压复合成形。箔-纤维-箔法热压工艺简单，但制箔困难，成形过程中纤维易损伤，复合材料成品形状受到限制。另一种方法是基体涂覆纤维法，一般采用物理气相沉积工艺将钛合金基体涂覆在SiC纤维表面，通过调整涂覆基体的厚度来控制复合材料中纤维的体积分数。将已涂覆钛合金的先驱丝缠绕排布再经热等静压成型。该方法纤维分布极为均匀、纤维损伤小、可获得形状复杂的复合材料，复合材料性能最好，但制备时间长成本高、钛合金包套的利用率低。
目前，采用增材制造技术可完成非金属材料、单一材料、性能差别不大的材料或交叉打印两种金属材料，对于利用增材制造技术制备包含SiC纤维和钛合金两种性能差异较大的复合材料还未见报道。
发明内容
针对目前纤维增强金属基复合材料制造技术存在的诸多问题，本发明提供一种连续SiC纤维增强金属基复合材料的激光增材制造方法，采用激光增材制造技术在SiC纤维上直接沉积钛合金丝材，或者在SiC纤维增强的钛基复合材料上沉积钛合金丝材，从而完成钛合金与纤维的复合成形。该方法实现复杂形状结构件制备、加工一体化，提高生产效率，降低成本。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种连续SiC纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法，该方法包括如下步骤：
(1)建立所需结构件的三维CAD实体模型，并沿该模型的成形方向进行切片分层；分层厚度根据实际情况确定；
(2)根据所分割的一系列层片，采用激光熔覆技术在SiC纤维上直接沉积一层钛合金丝材，或者在SiC纤维增强的钛基复合材料上沉积一层钛合金丝材；
(3)沉积一层钛合金丝材后，重复步骤(2)的过程，直至沉积完所有层片，完成钛合金丝材与SiC纤维或SiC纤维增强的钛基复合材料的逐层熔合，即形成所述连续SiC纤维增强钛基复合材料的三维实体结构件。
所述激光增材制造技术的工艺参数为：激光功率为500-2000W，扫描速度为300-1200mm/min，送丝速度为4-12m/min，光斑直径为1-3mm，每层厚度为0.5-1.5mm。
步骤(2)中，沉积钛合金丝材的过程采用氩气保护。
所述钛合金丝材规格为Φ0.5-1.5mm。
所述连续SiC纤维为SiC纤维单丝、SiC纤维布或SiC纤维增强体。
可根据结构件服役需求，设计SiC纤维排布方式或纤维增强体的结构特征。
本发明具有如下优点：
1.首次在国内外提出采用激光增材制造技术的方法，制备SiC纤维增强钛基复合材料，采用激光增材制造技术制备的SiC纤维增强钛基复合材料具有保持了材料性能优势，适用于快速制备复杂形状零件的优点，可用于制备形状复杂、性能优异的纤维增强钛基复合材料结构件，与传统方法相比，增材制造技术具有无需模具、基体种类不受限制、纤维排布好、制备周期短、成本低廉的优点。
2.本发明实现复杂形状的金属基复合材料结构件制备加工一体化，缩短制备周期，降低制备成本；
3.本发明采用激光熔覆技术实现SiC纤维与钛合金的结合，制备过程采用激光熔覆代替传统热压方式，避免了由于热压导致纤维发生断裂的问题，保证纤维增强的安全可靠性。
4.本发明可根据结构件服役需求，设计SiC纤维排布方式和纤维增强体的结构特征。
附图说明
图1在SiC纤维上激光熔覆钛合金丝材的金相显微镜观察图片。
图2在SiC纤维上激光熔覆钛合金丝材的室温拉伸断口图片。
图3在SiC纤维增强钛基复合材料板材表面激光熔覆钛合金丝材的图片。
图4在SiC纤维增强钛基复合材料环件沿环周向一侧沉积钛合金丝材图片。
图5在SiC纤维增强钛基复合材料环件沿环周向两侧及环外侧沿径向沉积钛合金丝材的图片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做更进一步的解释，应该理解以下实施例仅旨在说明，不应被视为对本发明范围的限制。
本发明为连续SiC纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法，过程如下：
(1)建立结构件的三维CAD实体模型，并沿该模型的成形方向进行切片分层；将模型按照一定厚度切片分层，即将结构件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，节约了具有复杂结构的复合材料结构件的制备时间和成本。
(2)根据所分割的一系列层片，采用激光熔覆技术在SiC纤维上直接沉积钛合金丝材，或者在SiC纤维增强的钛基复合材料上沉积钛合金丝材；该步骤中，在数控系统控制下，采用多束高能激光聚焦熔化金属焊丝，按照设定的填充路径在SiC纤维或SiC纤维增强的钛基复合材料逐点填满给定的二维形状。
(3)沉积完所有层片后，形成所述连续SiC纤维增强钛基复合材料的三维实体结构件。
实施例1
步骤一：设计在SiC纤维表面沉积钛合金丝材。首先在数控机床上用夹具固定在TC4基板，基板尺寸为200×180×30mm。
步骤二：输入焊接参数：激光功率为1050W，扫描速度为600mm/min，TC4丝材直径1mm，送丝速度为8m/min，光斑直径为3mm，每层厚度为1mm，设定焊接枪头的运动轨迹，通过焊接器激光熔化将钛合金焊丝填充在基板上，完成第一道焊道，长150mm、宽15mm、高度1.5mm。
步骤三：将SiC纤维截段成长度100mm，取15根纤维，其间略带空隙沿基板长度方向铺设在焊道上，SiC纤维两端用夹具压紧10mm，完成第二层焊道，长65mm、宽15mm、高度1.5mm。
步骤四：在第二层焊道上铺设同等数量的SiC纤维重复步骤三，完成第三层焊道，此时复合材料长度约为65mm、宽15mm、高度约为5mm。复合材料横截面形貌采用金相显微镜观察结果与拉伸断口如图1、图2所示，纤维与钛合金基体结合较好，界面连续无缺陷，纤维形貌保持完整、表面涂层保持完好，未出现纤维损伤开裂等现象，可见利用激光增材制造技术可实现SiC纤维增强钛基复合材料的制备。
实施例2
步骤一：设计SiC纤维增强钛合金板状试样，制备方法与本部分实施例1相似，不同之处在于：板材为SiC纤维增强钛基复合材料，内部含有SiC纤维增强体，板材尺寸为65×14×4.2mm，三维模型分割层片至5层。
步骤二：采用纤维与TC4钛合金丝材熔覆的方法，实现复合材料板材外部熔合钛合金。焊接参数为：激光功率为1050W，扫描速度为600mm/min，TC4丝材直径1mm，送丝速度为8m/min，光斑直径为3mm，每层厚度为1mm。板材表面形貌如图3所示，在前期制备的复合材料增强体表面熔覆钛合金，替代传统复合材料的制备方法，可实现获得形状复杂的SiC纤维增强钛基复合材料，无需模具，缩短制备周期。
实施例3
步骤一：设计在钛基复合材料环件表面生成带有叶片的环形结构件，环件尺寸为Φ185×5mm，激光熔覆钛合金将环平面两侧厚度各增至20mm，并在环外径沿径向向外生长钛合金厚度10mm。
步骤二：沉积过程与参数与实施例2类似，不同之处在于先将钛合金丝材熔覆在环平面一侧，利用激光增材制造技术完成一侧增厚20mm，其表面形貌如图4所示。
步骤三：重复步骤二在环件另一侧激光熔覆钛合金丝材。再在环外径处沿径向向外熔覆钛合金丝材厚度至10mm，模拟叶片生长过程，完成后的形貌如图5所示。可见，利用激光增材制造技术可以制备复合环形结构件，并完成复杂形状的结构设计。
另外，本领域技术人员还可于本发明精神内做其他变化，只要其不偏离本发明的技术效果均可。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种连续SiC纤维增强钛基复合材料的激光增材制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)建立所需结构件的三维CAD实体模型，并沿该模型的成形方向进行切片分层；分层厚度根据实际情况确定；
(2)根据所分割的一系列层片，采用激光熔覆技术在SiC纤维上直接沉积一层钛合金丝材，或者在SiC纤维增强的钛基复合材料上沉积一层钛合金丝材；
(3)沉积一层钛合金丝材后，重复步骤(2)的过程，直至沉积完所有层片，完成钛合金丝材与SiC纤维或SiC纤维增强的钛基复合材料的逐层熔合，即形成所述连续SiC纤维增强钛基复合材料的三维实体结构件。
2.根据权利要求1所述的连续SiC纤维增强钛基复合材料的增材制造方法，其特征在于：所述激光增材制造技术的工艺参数为：激光功率为500-2000W，扫描速度为300-1200mm/min，送丝速度为4-12m/min，光斑直径为1-3mm，每层厚度为0.5-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的连续SiC纤维增强钛基复合材料的增材制造方法，其特征在于：沉积钛合金丝材的过程采用氩气保护。
4.根据权利要求1所述的连续SiC纤维增强钛基复合材料的增材制造方法，其特征在于：所述钛合金丝材规格为Φ0.5-1.5mm。
5.根据权利要求1所述的连续SiC纤维增强钛基复合材料的增材制造方法，其特征在于：所述SiC纤维为SiC纤维单丝、SiC纤维布或SiC纤维增强体。
6.根据权利要求5所述的连续SiC纤维增强钛基复合材料的增材制造方法，其特征在于：根据结构件服役需求，设计SiC纤维排布方式或纤维增强体的结构特征。
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