CN108097955A - 一种利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法，包括将短碳纤维与铝合金粉混合，并在气体保护环境中对碳纤维与铝合金粉的混合物利用激光进行熔覆的过程。本发明的目的是克服传统铸造法制备短碳纤维复合材料时短碳纤维容易出现团聚，导致碳纤维无法均匀分散的弊端，以及克服传统粉末冶金法由于制备温度低于液相线以下，造成碳纤维与铝基体之间结合差的问题。采用本发明的工艺方法，利用激光熔覆制备短碳纤维增强金属基复合材料，具有短碳纤维均匀的分布与铝基体中，在碳纤维与铝之间产生一定的界面反应，增强碳纤维与铝之间结合力的优点。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，涉及一种利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法。该制备方法同样适用于铜及铜合金、镁及镁合金等碳纤维增强金属基复合材料的制备。
背景技术
碳纤维增强金属基复合材料由于具有高比强度、高比刚度、高抗拉强度等优异性能，在汽车制造以及航天航空行业受到更多关注。然而目前诸多制备金属基碳纤维复合材料的方法都存在很大的局限性，许多的方法会对复合材料力学性能造成严重损伤。
目前，短碳纤维增强金属基复合材料多采用挤压铸造法、搅拌铸造法、半固态铸造法、原位自生铸造法和粉末冶金法等工艺方法进行制备。挤压铸造是通过对液态的金属液施加外力，使得液态金属在外圧力作用下浸入到预制体中碳纤维的间隙中，将碳纤维进行包裹形成复合材料。但由于碳纤维抗剪切力弱的特点，该方法在制备过程中对碳纤维施加了巨大的剪切应力从而在制备过程中对碳纤维造成巨大损伤。搅拌铸造法是将短碳纤维加入到液态金属溶液中，利用搅拌桨高速旋转时产生的高速流场将短碳纤维分散到金属基体中，但由于碳纤维与金属液体的不浸润性以及流场的特性，会使得碳纤维多分布与熔体外围，中间部位很少，分布很不均匀，使得大量纤维发生团聚，产生缺陷。半固态铸造法是通过将碳纤维加入到金属液中，在金属液凝固过程中，一般在液体体积分数在40%-60%时，进行强烈的搅拌，使纤维分散于基体中，但由于在搅拌过程中会带入大量气体，而使得制备出的复合材料具有很高的气孔率。原位自生铸造法是在高温环境下，在金属基体熔体中加入碳纤维，其中加入的碳纤维将能够通过化学反应生成强化相，生成的强化相可增加碳纤维与金属基体结合力，从而增强复合材料的机械性能，但有些相的形成，如碳纤维与铝生成的铝碳相为脆性相，少量可以起到强化作用，而大量生成之后会降低复合材料的机械性能。粉末冶金法是一种被广泛应用于制备金属材料、金属和非金属材料制品的一种生产技术，该生产技术的原料为金属和金属粉末或者非金属粉末等，经过复合材料的成形及材料的烧结两道工艺技术然后将熔液浇铸到模具中成形交替层叠后制成预制体，对其预制体施加巨大静压力使金属材料扩散，也被广泛用在碳纤维增强金属基复合材料中。但由于粉末冶金法几乎都是在液相线下进行的，所以在制备过程中碳纤维与金属基体机乎不会发生界面反应，使得碳纤维与金属基体之间只是简单机械结合，使得其力学性能和机械性能很差。
利用激光熔覆法可以解决短碳纤维增强铝基复合材料的短碳纤维分散不均匀甚至团聚的问题，并且在短时间内便可制备完成，可产生少量的界面反应。因此，该工艺方案不但可以极大程度上使短碳纤维均匀分散，而且保证了适量的界面反应，达到提高碳纤维增强铝基复合材料力学性能的目的。
发明内容
发明目的：
本发明要解决的技术问题是克服传统铸造技术对碳纤维分布不均匀、出现团聚，粉末冶金法碳纤维与金属基体结合不好的情况，提供一种可使碳纤维均匀分布，增强碳纤维与基体结合，可提供具有高力学性能的短碳纤维增强铝基复合材料的制备方法。
技术方案：
一种利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将短碳纤维与铝合金粉置于高能球墨机中，得到均匀的混合粉末；
（2）将混合好的粉末放置在压力机制备成预制块；
（3）将预制块和基体在气体保护下对预制块和基体进行预热；
（4）对预热后的预制块进行激光熔覆；
（5）待激光熔覆完成后，使其在保护气体的保护下静置冷却至室温。
所述步骤（1）中短碳纤维与铝的体积分数比为0.1:9.9-5:5，球墨时间为2h-20h，球墨机转速为50rpm-500rpm。
所述步骤（2）中将混合粉末均匀铺在压力机中制备成预制块，制备时的压力为5MPa-15MPa，保压时间为10min-30min，制备出的预制块厚度为1mm-8mm。
所述步骤（3）中通入的保护气体为高纯氩气，利用激光快扫基体和预制块进行预热，所用功率为200W-500W，扫描速度为6mm/s-8mm/s。
所述步骤（4）中激光熔覆的激光输出功率为800W-1500W，扫描速度为0.5mm/s-3mm/s，所选光斑为4mm-8mm，焦距为260mm-300mm，接搭率为20%-60%。
所述步骤（1）中短碳纤维直径为7μm，碳纤维长度为10μm-150μm。
优点及效果：
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明采用激光熔覆的方法，相比于传统的铸造法，大大的提高了短碳纤维在金属基体中的分布均匀性，不会发生团聚等现象，减少了缺陷，提高了碳纤维增强金属基复合材料的力学性能。
2.本发明采用激光熔覆的方法，相比于粉末冶金法等，由于是在液相线以上进行制备，所以会产生一定的界面反应，从而提高碳纤维与金属基体之间的结合，并且因为激光熔覆为快速冷却工艺，从而不会产生大量的界面反应生成有害相，因此可以大大提高短碳纤维增强金属基复合材料的力学性能。
附图说明
图1为在扫描电镜下体积比为0.1:9.9短碳纤维增强铝基复合材料局部组织图片；
图2为在扫描电镜下体积比为5:5短碳纤维增强铝基复合材料局部组织图片；
图3为在扫描电镜下体积比为3:7短碳纤维增强铝基复合材料局部组织图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
一种利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
（1）将短碳纤维与铝合金粉置于高能球墨机中，得到均匀的混合粉末；
（2）将混合好的粉末放置在压力机制备成预制块；预制块的制备可避免由于碳纤维与铝合金的密度不同，而在铺粉或送粉过程中出现分层现象；
（3）将预制块和基体在气体保护下对预制块和基体进行预热；
（4）对预热后的预制块进行激光熔覆；
（5）待激光熔覆完成后，使其在保护气体的保护下静置冷却至室温。
实施例1：
将体积分数比为0.1:9.9的短碳纤维与铝合金粉置于高能球墨机中混合，球墨时间2h，球墨机转速为500rpm，得到均匀的混合粉末；短碳纤维直径为7μm，碳纤维长度为150μm。将混合粉末均匀铺在压力机中制备成预制块，制备时的压力为5MPa，保压时间为30min，制备出的预制块厚度为1mm，预制块的制备可避免由于碳纤维与铝合金的密度不同，而在铺粉或送粉过程中出现分层现象。
将预制块和基体在气体保护下对预制块和基体进行预热；通入的保护气体为高纯氩气，利用激光快扫基体和预制块进行预热，所用功率为500W，扫描速度为8mm/s。使用进行激光快扫基体和预制块的预热方法，能够减少预热完毕后在进行激光熔覆前的热量的散失。
对预热后的预制块进行激光熔覆；激光熔覆的激光输出功率为1500W，扫描速度为3mm/s，所选光斑为4mm，焦距为300mm，接搭率为20%。
待激光熔覆完成后，使其在保护气体的保护下静置冷却至室温。复合材料中碳纤维分散均匀且没有观察到明显缺陷，其抗拉强度相比于基体合金提高32.6%。
如图1所示，图中黑色圆点状组织为碳纤维，碳纤维周围分布白色组织为Si相，灰色部分为铝合金基体。由图中可以观察到碳纤维较少但分散均匀，没有出现团聚现象，同时基体将碳纤维包裹良好，图中没有观察到缺陷，碳纤维形貌圆整且完好。
实施例2：
将体积分数比为5:5的短碳纤维与铝合金粉置于高能球墨机中混合，球墨时间20h，球墨机转速为50rpm，得到均匀的混合粉末；短碳纤维直径为7μm，碳纤维长度为10μm。将混合粉末均匀铺在压力机中制备成预制块，制备时的压力为15MPa，保压时间为10min，制备出的预制块厚度为8mm，预制块的制备可避免由于碳纤维与铝合金的密度不同，而在铺粉或送粉过程中出现分层现象。
将预制块和基体在气体保护下对预制块和基体进行预热；通入的保护气体为高纯氩气，利用激光快扫基体和预制块进行预热，所用功率为200W，扫描速度为6mm/s。使用进行激光快扫基体和预制块的预热方法，能够减少预热完毕后在进行激光熔覆前的热量的散失。
对预热后的预制块进行激光熔覆；激光熔覆的激光输出功率为800W，扫描速度为0.5mm/s，所选光斑为8mm，焦距为260mm，接搭率为60%。
待激光熔覆完成后，使其在保护气体的保护下静置冷却至室温。复合材料中碳纤维分散均匀且没有观察到明显缺陷，其抗拉强度相比于基体合金提高27.8%。
如图2所示，图中黑色圆点状组织为碳纤维，碳纤维周围分布白色组织为Si相，灰色部分为铝合金基体。由图中可以观察到碳纤维很多体积分数达到50%，并且分散均匀，没有出现团聚现象，同时基体将碳纤维包裹良好，图中没有观察到缺陷，碳纤维形貌圆整且完好。
实施例3：
将体积分数比为3:7的短碳纤维与铝合金粉置于高能球墨机中混合，球墨时间10h，球墨机转速为200rpm，得到均匀的混合粉末；短碳纤维直径为7μm，碳纤维长度为70μm。将混合粉末均匀铺在压力机中制备成预制块，制备时的压力为10MPa，保压时间为20min，制备出的预制块厚度为4.5mm，预制块的制备可避免由于碳纤维与铝合金的密度不同，而在铺粉或送粉过程中出现分层现象。
将预制块和基体在气体保护下对预制块和基体进行预热；通入的保护气体为高纯氩气，利用激光快扫基体和预制块进行预热，所用功率为350W，扫描速度为7mm/s。使用进行激光快扫基体和预制块的预热方法，能够减少预热完毕后在进行激光熔覆前的热量的散失。
对预热后的预制块进行激光熔覆；激光熔覆的激光输出功率为1100W，扫描速度为2mm/s，所选光斑为6mm，焦距为280mm，接搭率为40%。
待激光熔覆完成后，使其在保护气体的保护下静置冷却至室温。复合材料中碳纤维分散均匀且没有观察到明显缺陷，其抗拉强度相比于基体合金提高47.5%。
如图3所示，图中黑色圆点状组织为碳纤维，碳纤维周围分布白色组织为Si相，灰色部分为铝合金基体。由图中可以观察到碳纤维分散均匀，没有出现团聚现象，同时基体与碳纤维结合良好，图中没有观察到缺陷，碳纤维形貌圆整且完好。
Claims (6)
1.一种利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将短碳纤维与铝合金粉置于高能球墨机中，得到均匀的混合粉末；
（2）将混合好的粉末放置在压力机制备成预制块；
（3）将预制块和基体在气体保护下对预制块和基体进行预热；
（4）对预热后的预制块进行激光熔覆；
（5）待激光熔覆完成后，使其在保护气体的保护下静置冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（1）中短碳纤维与铝的体积分数比为0.1:9.9-5:5，球墨时间为2h-20h，球墨机转速为50rpm-500rpm。
3.根据权利要求1所述的利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（2）中将混合粉末均匀铺在压力机中制备成预制块，制备时的压力为5MPa-15MPa，保压时间为10min-30min，制备出的预制块厚度为1mm-8mm。
4.根据权利要求1所述的利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（3）中通入的保护气体为高纯氩气，利用激光快扫基体和预制块进行预热，所用功率为200W-500W，扫描速度为6mm/s-8mm/s。
5.根据权利要求1所述的利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（4）中激光熔覆的激光输出功率为800W-1500W，扫描速度为0.5mm/s-3mm/s，所选光斑为4mm-8mm，焦距为260mm-300mm，接搭率为20%-60%。
6.根据权利要求1或2所述的利用激光熔覆制备短碳纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤（1）中短碳纤维直径为7μm，碳纤维长度为10μm-150μm。
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