CN106862748B - 非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法 - Google Patents

非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法，所述的制备方法包括提取零件的分层数据，在金属箔材基底上采用超声波固结技术逐层焊接非晶/金属箔材，并按照设定的零件轮廓逐层对焊接后的非晶/金属微叠层复合材料进行切割，最终获得由非晶/金属微叠层复合材料构成的零件。该方法易实现由非晶/金属微叠层复合材料构成的三维复杂形状零件的制造以及大尺寸的非晶基微叠层复合材料。该复合材料中存在的微米级多界面效应能克服非晶合金室温塑性差、断裂韧性低的劣势，超声波固结技术能保证成型三维构件内部较低的残余内应力以及良好的结构稳定性。

Description

非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法
技术领域
本发明涉及3D打印复合材料制备技术领域，特别是一种利用超声波固结技术制造非晶/金属箔微叠层复合材料的制备方法。
背景技术
非晶合金由于其特殊的长程无序、短程有序的原子结构，表现出比常规晶态金属更加优异的性能，如高强度、高模量、良好的耐磨耐蚀性、优异的磁学性能等，在航空、航天、军事及民用领域具有非常广泛的应用前景。但由于非晶合金室温塑性差，且当前可制备的块体非晶材料临界尺寸小，使得非晶合金的广泛应用受到极大限制。通过非晶及其复合材料超声波固结积累制造技术可实现低温下非晶、金属箔间的冶金焊合，并基于此通过积累增材、铣削减材等步骤实现非晶/金属复层三维零件的3D制造，迄今为止尚未见报道。
发明内容
本发明提供一种非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法，从而克服非晶材料临界尺寸小、室温塑性差、限制其作为结构材料的缺陷。
为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供的一种非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法，提取零件的分层数据，在金属箔材基底上采用超声波焊接逐层将非晶带材与金属箔材焊接结合，并按照设定的零件轮廓逐层对焊接后的非晶/金属叠层复合材料进行切削，最终获得由非晶/金属微叠层复合材料构成的零件结构。
本发明的基本构思是非晶及其复合材料超声波固结积累制造技术可实现低温下非晶、金属箔间的冶金焊合，利用积累增材制造获得非晶/金属叠层复合材料，再通过数控铣削完成对复合材料的减材制造过程，从而实现非晶/金属复层三维零件的3D制造。
进一步地，所述的非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法，包括步骤：
一，首先对非晶带材及金属箔材表面进行表面处理；
二， 在电磁吸附基板上先铺放一张金属箔，通过电磁力或夹具将其位置固定；
三，对成型零件进行三维数据采集及切片处理得到若干层水平层数据，设定非晶带材的叠放方向和叠放路径，其中，叠放方向包括X方向、Y方向和介于X、Y方向之间的角度，叠放路径包括开始和结束时的叠放位置；
四，进行超声波焊接，滚动超声波发生器沿设定的叠放路径在非晶/金属箔材表面滚动，非晶带材与金属箔在轧制压力作用以及超声波振动作用下实现焊合；
五，完成一层非晶/金属箔焊接后切割该复合层至所需的零件轮廓；
六，重复步骤三至五，直到完成非晶/金属微叠层复合材料零件的成形；
七，对成形零件进行后处理，获得非晶/金属微叠层复合材料。
进一步地，步骤一中，采用化学清洗结合机械研磨方式对非晶带材及金属箔材表面进行表面处理，具体是将非晶带材及金属箔材的表面采用质量浓度为3％的盐酸酒精清理，再用砂纸对非晶带材及金属箔材表面进行粗磨，再用羊毛毡分别对非晶带材及金属箔材从横向、纵向和45°方向上进行打磨，随后放置于超声波清洗机中清洗，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗箔材表面，直到彻底清洗干净后使用吹风机将表面吹干。
进一步地，步骤三中，非晶带材在金属箔层上叠放时，同层非晶带材成相互平行的方向铺满铝箔层，非晶带材间距≤0.1mm；非晶带材的叠放角度从第一层向上沿顺时针方向逐层递加，不同层中非晶带材叠放角度应与相邻层间夹角≤10°。
进一步地，步骤四中，按设定好的叠放方向转动基板至相应的角度，沿所设定的叠放路径利用超声波滚焊方式逐条将非晶带材焊接至金属箔上，直至非晶带材覆盖整个金属箔材表面。
进一步地，所述的铁基非晶带材，其成分为：Fe73.5Si13.5B9.5Cu1Nb2.5，厚度为30μm，宽度为25 mm。
进一步地，所述的金属箔材选自铁金属箔材和铝金属箔材中的一种，其厚度为650μm，长度×宽度为150×150mm。
根据本发明的另一方面，提供一种非晶/金属微叠层复合材料，所述的材料由上述方法制备得到。
本发明的有益效果为：（1）选取普通商用非晶、金属带材作为原材料，利用成本低廉的原材料，通过层层叠加制造方法制备结构功能一体化的大块体非晶/金属微叠层复合材料。该复合材料中存在的微米级多界面效应能克服非晶合金室温塑性差、断裂韧性低的劣势。（2）超声波固结过程是固态焊接成形过程，温度低（仅为一般是金属熔点的25%~50%），因此材料内部的残余内应力低，结构稳定性好，省去了后期可能会导致非晶组织晶化的去应力退火工艺。（3）该方法与数控系统相结合，易实现由非晶/金属微叠层复合材料构成的三维复杂形状零件的制造，可实现沟槽、孔洞、泡沫结构、蜂巢结构等复杂结构的数控加工一体化，还可根据零件不同部位的工作条件与性能要求实现叠层梯度化加工成型。（4）超声波焊接不仅可以获得焊合界面的冶金结合，且在焊接过程中超声波可有效击碎箔材表面的氧化膜、钝化膜等，使焊材界面处露出新鲜表面，同时通过滚焊提供的下压力促进新鲜表面的紧密连接结合，从而制备出大尺寸的非晶基微叠层复合材料。
附图说明
图1 本发明成形装置结构装置示意图。
图中：1-换能器， 2-滚动声极，3-已成型的非晶/金属微叠层复合材料，4-待成型的非晶带材，5-电磁吸附基板，6-数控铣刀，7-成型平台，8-成型平台转轴。
图2是实施例1制得的非晶/铁箔微叠层复合材料显微组织。
图3是实施例2制得的非晶/铝箔微叠层复合材料界面硬度分布曲线。
图4是实施例2制得的非晶/铝箔微叠层复合材料显微组织及界面硬度压痕分布图。
图5是实施例2制得的非晶/铝箔微叠层复合材料的金属及非晶层硬度压痕对比图。
具体实施方式
微叠层复合材料（Micro-Laminate）是依据仿生学原理，模拟自然界中贝壳的结构，以高硬度、高弹性模量的非晶箔带材作为强性层与塑性、韧性较好的金属铝箔层交替叠加，利用层层叠加制造方法获得大块体非晶复合材料；同时通过微米级层间距带来的多界面效应克服非晶合金室温塑性差、断裂韧性低的劣势，以期获得具有高强度、高比模量、高韧性等优异性能的结构功能一体化非晶/金属微叠层复合材料。
超声波固结叠层制造是一种固态自由成型工艺，采用超声波工艺焊接金属箔、带材，制造3D金属结构。超声波焊接是在超声频率机械振动能量和静压力共同作用下，连接同种或异种金属、半导体、塑料等的特殊焊接方法。超声波焊接金属材料时，既不向工件输送电流，也不引入高温热源，只是声极在压力作用下做纵向超声振动，以激振力作用于工件上，使被焊金属之间产生高频摩擦，瞬间激活金属晶格中的金属原子产生相互扩散，从而达到材料的焊合。由于超声波固结适于焊接金属箔、带材，因此可以将超声波焊接过程与积累制造过程相结合，用于制备具有叠层结构的复合材料或零件。
超声波焊接技术与传统的叠层复合材料制造方法（如铸造，扩散焊接和喷射沉积技术等）相比具有显著的优势：
第一，超声波焊接工艺成型温度较低。焊接界面的摩擦热温度仅为金属箔材熔点的四分之一到一半左右，在零件制造的离散过程中，这部分热量几乎可以忽略不计。这一工艺特点特别适合于对温度十分敏感的非晶合金的焊接成型，成型温度低于熔点有利于保持非晶箔材中原子长程无序的非平衡结构。此外，也不必担心凝固收缩带来的尺寸误差，残余应力，以及液态成形中常出现的脆性金属间化合物和异质金属的互溶问题。第二，在金属箔表面有氧化膜或钝化膜时，如铝合金、不锈钢等，超声波能量打碎并分散表面氧化膜和杂质，形成原子连接，因此不必考虑被焊金属材料间的界面润湿性问题。第三，超声波制造结合了增材制造和去除制造的优势，可以用来制造复杂的3D 结构零件，并且具有高精度和高的表面质量，还可以对具有复杂外形及内部通道的零件进行成型，从而实现多种材料的同时叠层制造。此外，堆叠制造过程中还可在内部埋入加强纤维、形状记忆合金纤维、光纤、传感器等电子元件获得智能叠层复合材料。
基于此，本发明选取已实现规模化工业生产的铁基非晶带材（Fe-Si-B 非晶合金）与低成本的铝箔材为原材料，结合超声波积累制造优势，提出一种利用超声波积累制造制备结构功能一体化大尺寸非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法。
在本发明一种典型的实施方式中，一种非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法，包括步骤：提取零件的分层数据，在金属箔材基底上采用超声波焊接逐层焊接铁基非晶带材，并按照设定的零件轮廓逐层对焊接后的非晶/金属箔进行切割，最终获得非晶/金属微叠层复合材料。
在一种相对具体的实施方式中，本发明所述的非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法，包括步骤：
步骤一，首先对非晶带材及金属箔材表面进行表面处理。
在该步骤中，优选地采用化学清洗结合机械研磨方式对非晶带材及金属箔材表面进行表面处理，具体是将非晶带材及金属箔材的表面采用质量浓度为3％的盐酸酒精清理，再用砂纸对非晶带材及金属箔材表面进行粗磨，再用羊毛毡分别对非晶带材及金属箔材从横向、纵向和45°方向上进行打磨，随后放置于超声波清洗机中清洗，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗箔材表面，直到彻底清洗干净后使用吹风机将表面吹干。该方法一方面可去除工业生产箔材表面的氧化物及油污等杂质，另一方面通过机械研磨增加箔材表面积，增大接触界面以及相对摩擦系数。在基台上预铺的金属箔材表面也需按上述方法进行表面处理。
步骤二，在电磁吸附基板上先铺放一张金属箔，通过电磁力或夹具将其位置固定。
步骤三，对成型零件进行三维数据采集及切片处理得到若干层水平层数据，设定非晶带材的叠放方向和叠放路径，其中，叠放方向包括X方向、Y方向和介于X、Y方向之间的角度，叠放路径包括开始和结束时的叠放位置。
优选地，在该步骤中，非晶带材在金属箔层上叠放时，同层非晶带材成相互平行的方向铺满铝箔层，非晶带材间距≤0.1mm；非晶带材的叠放角度从第一层向上沿顺时针方向逐层递加，不同层中非晶带材叠放角度应与相邻层间夹角≤10°。该步骤中，非晶带材叠放路径通过计算机软件进行设定，
步骤四，进行超声波焊接，滚动超声波发生器沿设定的叠放路径在非晶/金属箔材表面滚动，非晶带材与金属箔在轧制压力作用以及超声波振动作用下实现焊合。超声波滚焊过程包括利用轧辊式超声波发生器为箔材焊合提供静压力，在界面微区域产生塑性变形；同时利用大功率超声波换能器的振动作用，一方面通过箔材间净摩擦使非晶带材/金属界面产生“咬合”，另一方面通过摩擦生热为界面焊合提供一定温度，通过协调和控制超声波发生器功率，轧辊压下量以及界面的焊合温度三个工艺参数，实现箔材的焊合。
优选地，在步骤四中，按设定好的叠放方向转动基板至相应的角度，沿所设定的叠放路径利用超声波滚焊方式逐条将非晶带材焊接至金属箔上，直至非晶带材覆盖整个金属箔材表面。
步骤五，完成一层非晶/金属箔焊接后切割该复合层至所需的零件轮廓。
在步骤三至步骤五之间，首先将非晶/金属微叠层复合材料三维CAD模型通过计算机分层，得到若干水平层数据；步骤五中在完成每一层的超声波焊接后，采用CNC数控铣削加工，逐层将非晶/金属微叠层复合材料构成的零件轮廓铣削成形。
步骤六，重复步骤三至五，直到完成非晶/金属微叠层复合材料零件的成形；
步骤七，对成形零件进行后处理，获得非晶/金属微叠层复合材料。
作为优选的实施方式，所述的铁基非晶带材，其成分为：Fe73.5Si13.5B9.5Cu1Nb2.5，厚度为30μm，宽度为25mm。
作为优选的实施方式，所述的金属箔材选自铁金属箔材和铝金属箔材中的一种，其厚度为650μm，长度×宽度为150×150mm。
以上方法中所述的超声波焊接设备主要包括：9kW大功率超声波发生器，推-挽式超声波换能器，电机械换能耦合装置（包括水冷系统）。
在以上制备方法是基础上，本发明还提供一种通过以上方法制得的非晶/金属微叠层复合材料。
本发明选取的是已实现规模化工业生产的铁基非晶带材（Fe-Si-B 非晶合金）与低成本的铝、铁箔材为原材料，提出一种利用超声波积累制造制备结构功能一体化大尺寸非晶/金属微叠层复合材料的方法。超声波焊接实现焊合的能量是通过超声波机械振动和对结合界面施加压力的方式共同作用获得的，其与超声波声极功率，焊合时间、焊合金属相对摩擦系数以及焊接材料的阻尼系数相关。其中焊合材料的摩擦系数及阻尼系数在本发明方法中为固定值，由此，本发明通过控制和协调超声波声极功率、焊合时间、以及施加压力等参数，是超声波功率既能够保证破碎金属及非晶箔材表面的氧化物层，又能够与滚焊压力配合，借助塑性变形与超声波振动提供的能量相结合实现非晶箔材与金属箔材间的冶金结合，实现非晶/金属箔材的增材制造，在利用CNC系统的对获得的非晶/金属微叠层复合材料进行减材制造，从而实现非晶/金属微叠层复合构件的3-D成型。
以下结合说明书附图及实施例1和实施例2对本发明的技术方案和技术效果作进一步说明。
实施例1：制备非晶/铁箔微叠层复合材料
本实施例是一种铁基非晶合金/铁箔微叠层复合材料的制备方法，所述的非晶合金为用Fe73.5Si13.5B9.5Cu1Nb2.5 制成的宽度为25mm，厚度为30μm 的带材；所述的铁箔为150mm×150mm ，厚度为650μm的T2 纯铁箔材。本实施例的具体过程为：
第一步，表面处理：将铁箔材及非晶带材的表面采用浓度为3％的盐酸酒精清理，去除箔材表面的氧化膜。随后将铁箔材及非晶带材依次经过240#、400#、800#、1000#、1500#、2000# 砂纸打磨至表面光亮，再用羊毛毡分别对箔材从横向、纵向和45°方向上进行打磨，最后放置于超声波清洗机中清洗20分钟，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗箔材表面，直到彻底清洗干净后使用吹风机将表面吹干。
第二步，将预处理后的铁箔铺放于电磁吸附基板5之上，通过电磁力将其固定。
第三步，模型建立：利用Solidworks软件建立零件的三维模型。利用Magics软件对零件的三维模型进行处理，将圆管棱边倒角设定为R0.5mm。利用AutoFab软件对模型进行切片处理，切片厚度与非晶带材厚度一致，为0.03mm，将切好的数据模型导入到成形计算机。
第四步，设定叠层及加工路径：在成形计算机中按照所需零件CAD 轮廓设定每层的加工路径，设定每层非晶带材的叠放方向，第一层从0度开始，在成型平台7上，随着积累制造过程每加工完成一层后，沿成型平台转轴8旋转10度，如此往复，从而获得每层具有不同叠放角度的非晶/金属微叠层复合材料（如图1中已成型的复合材料3所示）。
第五步，超声波焊接：超声波发生器通过换能器1将能量转换成机械能，滚动声极2在压力作用下，产生沿法向方向的压力100～300MPa，以30～50mm/s 的速度向前滚动，同时，将超声波振动传递给待成型的非晶带材4，实现非晶带材和铁金属箔之间的连接，超声波振动频率20kHz，振动幅度5～15μm，滚动声极2直径30～60mm。
第六步，按照设定的零件加工路径，采用数控加工逐层切割已成形的微叠层复合材料零件CAD 轮廓，数控铣刀6直径2～3mm，数控铣刀6转速3000～15000转/分。
第七步，零件成形后，采用角向砂轮打磨进行表面处理。砂轮粒度46～60#，角磨机转速30～60转/秒，打磨时间30～60分钟，砂轮背吃刀量0.01～0.03mm。经过喷砂处理后，零件表面光洁度达到Ra4～6.3。制得的非晶/铁箔微叠层复合材料显微组织如图2所示。
实施例2：制备非晶/铝箔微叠层复合材料
本实施例是一种铁基非晶合金/铝箔微叠层复合材料的制备方法，所述的非晶合金为Fe73.5Si13.5B9.5Cu1Nb2.5， 制成的宽度为25mm，厚度为30μm 的带材；所述的铝箔为150mm×150mm ，厚度为650μm的T2 纯铝箔材。本实施例的具体过程为：
第一步，表面处理：将铝箔材及非晶带材的表面采用浓度为3％的盐酸酒精清理，去除箔材表面的氧化膜。随后将铝箔材及非晶带材依次经过240#、400#、800#、1000#、1500#、2000# 砂纸打磨至表面光亮，再用羊毛毡分别对铝箔材及非晶带材从横向、纵向和45°方向上进行打磨，最后放置于超声波清洗机中清洗20分钟，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗箔材表面，直到彻底清洗干净后使用吹风机将表面吹干。
第二步，将预处理后的铝箔铺放于电磁吸附基板5之上，利用夹具将其固定。
第三步，模型建立：利用Solidworks软件建立零件的三维模型。利用Magics软件对零件的三维模型进行处理，将圆管棱边倒角设定为R0.5mm。利用AutoFab软件对模型进行切片处理，切片厚度与非晶带材厚度一致，为0.03mm，将切好的数据模型导入到成形计算机。
第四步，设定叠层及加工路径：在成形计算机中按照所需零件CAD 轮廓设定每层的加工路径，设定每层非晶带材的叠放方向，第一层从0度开始，在成型平台7的上，随着积累制造过程每加工完成一层后，沿成型平台转轴8旋转10度，如此往复，从而获得每层具有不同叠放角度的非晶/金属微叠层复合材料（如图1中已成型的复合材料3所示）。
第五步，超声波焊接：超声波发生器通过换能器1将能量转换成机械能，滚动声极2在压力作用下，产生沿法向方向的压力80～120MPa，以30～50mm/s 的速度向前滚动，同时，将超声波振动传递给待成型的非晶带材4，实现非晶带材和铝金属箔之间的连接，超声波振动频率15kHz，振动幅度2～10μm，滚动声极2 直径30～60mm。
第六步，按照设定的零件加工路径，采用数控加工逐层切割已成形的微叠层复合材料零件CAD 轮廓，数控铣刀6直径2～3mm，数控铣刀6转速3000～15000转/分。
第七步，零件成形后，采用角向砂轮打磨进行表面处理。砂轮粒度46～60#，角磨机转速30～60转/秒，打磨时间30～60分钟，砂轮背吃刀量0.01～0.03mm。经过喷砂处理后，零件表面光洁度达到Ra4～6.3。
本实施例制得的非晶/铝箔微叠层复合材料显微组织及其界面硬度分布结果如图3所示。非晶层的硬度（约1000HV）远高于金属层（约150HV）。两者间显示出的巨大硬度差异正与非晶/铝箔微叠层复合材料的设计目的相吻合，即通过将具有高强度、高刚度的非晶层与具有相对韧性和塑性的金属层结合而获得优异的综合力学性能。此外，在非晶层和金属层间还存在一层硬度约350HV的过渡层，由此降低了从极硬材料至极软材料间的硬度突变，部分缓解了界面应力。

Claims (6)

1.一种非晶/金属微叠层复合材料超声波积累制造方法，提取零件的分层数据，在金属箔材基底上采用超声波焊接逐层焊接铁基非晶带材，并按照设定的零件轮廓逐层对焊接后的非晶/金属箔材进行切割，最终获得非晶/金属微叠层复合材料，所述的金属箔材选自铁金属箔材和铝金属箔材中的一种，其特征在于，包括步骤：
一，首先对非晶带材及金属箔材表面进行表面处理；
二， 在电磁吸附基板上先铺放一张金属箔材，通过电磁力或夹具将其位置固定；
三，对成型零件进行三维数据采集及切片处理得到若干层水平层数据，设定非晶带材的叠放方向和叠放路径，其中，叠放方向包括X方向、Y方向和介于X、Y方向之间的角度，叠放路径包括开始和结束时的叠放位置；非晶带材在金属箔材上叠放时，同层非晶带材成相互平行的方向铺满在金属箔材表面，非晶带材间距≤0.1mm；非晶带材的叠放角度从第一层向上沿顺时针方向逐层递加，不同层中非晶带材叠放角度应与相邻层间夹角≤10°；
四，进行超声波焊接，滚动超声波发生器沿设定的叠放路径在非晶/金属箔材表面滚动，非晶带材与金属箔材在轧制压力作用以及超声波振动作用下实现焊合；
五，完成一层非晶带材/金属箔材焊接后切割该层至所需的零件轮廓；
六，重复步骤三至五，直到完成非晶/金属微叠层复合材料零件的成形；
七，对成形零件进行后处理，获得非晶/金属微叠层复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中，采用化学清洗结合机械研磨方式对非晶带材及金属箔材表面进行表面处理，具体是将非晶带材及金属箔材的表面采用质量浓度为3％的盐酸酒精清理，再用砂纸对非晶带材及金属箔材表面进行粗磨，再用羊毛毡分别对非晶带材及金属箔材从横向、纵向和45°方向上进行打磨，随后放置于超声波清洗机中清洗，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗非晶带材及金属箔材表面，直到彻底清洗干净后使用吹风机将表面吹干。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四中，按设定好的叠放方向转动基板至相应的角度，沿所设定的叠放路径利用超声波滚焊方式逐条将非晶带材焊接至金属箔材上，直至非晶带材覆盖整个金属箔材表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的铁基非晶带材，其成分为：Fe73.5Si13.5B9.5Cu1Nb2.5，厚度为30μm，宽度为25 mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的金属箔材厚度为650μm，长度×宽度为150×150mm。
6.一种非晶/金属微叠层复合材料，其特征在于：采用权利要求1-5任一项所述的方法制备得到。
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