CN108296602B - 一种金属基材功能件及其增材加工制备方法 - Google Patents

一种金属基材功能件及其增材加工制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种金属基材功能件及其增材加工制备方法，通过设置铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层，且铝铁合金层包括多个铝铁合金子层，且每个铝铁合金子层由铝合金层向铝陶瓷层的方向上，其每一层铁的含量逐层增加，使得铝合金端连续过度到铝铁合金层最后到铝陶瓷层，使得最终形成的金属基材功能件，既具备了铝合金的优良性能，如耐腐蚀、耐磨、导热性好及重量轻的特点外，也兼具陶瓷的良好的耐热、耐高温、高机械强度和高温抗氧化等性能，同时中间层由价格便宜的强韧性较高的铝铁合金组成，有效降低了其整体成本。

Description

一种金属基材功能件及其增材加工制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料及其加工技术领域，更具体地，涉及一种金属基材功能件及其增材加工制备方法。
背景技术
传统的复合材料由两种或多种不同性能的均匀材料结合起来，在工程中已有了广泛应用，但在界面结合处由于材料的物性参数的突变，在材料界面处容易产生很大应力，使材料在界面处变形开裂失效。例如，航天飞机在先进隔热材料方面，传统使用的金属和陶瓷的复合材料弥散强化陶瓷，由于两者热膨胀系数相差很大，界面处因热应力极易开裂剥离，不能适应航空航天等极端的温度变化环境对材料物理性能一致性的要求。
功能梯度材料由于通过逐渐地改变材料的体积含量，力学性能和热学参数随材料在结构中进行平滑而连续的变化，物理性能没有突变。这种将功能梯度材料作为界面层，可以提高材料间的粘结强度，不易引起脱层破坏、延缓发生塑性屈服。针对性地改变各组分材料的体积含量在空间上的分布规律，调整材料的性能梯度参数，优化并设计新型结构，以满足极端环境对材料功能的多样性和性能的稳定性，因此功能材料的开发具有宽阔的应用前景和意义。
目前，功能材料的制备方法有等离子喷涂、自蔓延高温合成法、气相沉积法、粉末冶金法、激光溶覆法、离心铸造法、压渗法等制备方法。但这些制备梯度材料方法都不同程度的存在这样或那样的不足，如孔隙率较高，层间的结合力较差，强度较低，能耗高效率低，梯度材料尺寸较小以及材料中或多或少地存在有界面，组分不能连续光滑分布等缺点。
而近年来，随着材料和结构轻量化及功能化已成为现代结构设计的共识和主流趋势，以铝合金为代表的轻金属材料在先进制造领域的应用日益广泛。
因此，急需发明一种层间的结合力较好，强度较高，能耗低效率高，梯度材料尺寸较大以及组分可连续光滑分布的金属基材功能件及其加工方法。
发明内容
本发明提供一种金属基材功能件及其增材加工制备方法，以解决上述的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种金属基材功能件，包括铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层，所述铝陶瓷层涂覆在所述铝铁合金层上，且所述铝铁合金层涂覆在所述铝合金层上；所述铝铁合金层包括多个铝铁合金子层，且每个所述铝铁合金子层由所述铝合金层向所述铝陶瓷层的方向上，其每一层铁的含量逐层增加。
在上述方案基础上优选，所述铝陶瓷层包括多个铝陶瓷子层，所述铝陶瓷层包括铝和氧化铝，且沿着背离所述铝铁合金层方向上的，每个所述铝陶瓷子层的铝的含量逐层降低，每个所述铝陶瓷子层的氧化铝的的含量逐层增加。
在上述方案基础上优选，所述铝陶瓷子层包括第一铝陶瓷层、第二铝陶瓷层和第三铝陶瓷层，以质量百分比计：所述第一铝陶瓷层的成分包括75％的铝和25％的氧化铝，所述第二铝陶瓷层的成分包括50％的铝和50％的氧化铝，所述第三铝陶瓷层的成分包括25％的铝和75％的氧化铝。
在上述方案基础上优选，所述铝铁合金子层包括第一铝铁层、第二铝铁层和第三铝铁层，以质量百分比计：所述第一铝铁层的成分包括75％的Al和25％的Fe；所述第二铝铁层包括50％的Al和50％的Fe，所述第三铝铁层25％的Al和75％的Fe。
在上述方案基础上优选，所述铝合金层至少为一层，且每一层的所述铝合金层的厚度为0.1-1mm。
在上述方案基础上优选，所述铝铁合金子层和所述铝陶瓷子层分别由多个子层所构成。
本发明还提供了一种金属基材功能件的增材加工方法，包括以下步骤，
S1.构建金属基材功能件的增材加工三维模型，将所述的增材加工三维模型导入至多电弧增材加工设备中，且所述多电弧增材加工设备包括多个焊枪；
S2.在不同焊枪内分别装载铝系列药芯金属丝；
S3.基于所述增材加工三维模型，融化焊枪内的所述铝系列药芯金属丝，在基板上以得到所述金属基材功能件。
在上述方案基础上优选，所述步骤S3进一步详细包括，基于所述增材加工三维模型，融化焊枪内的所述铝系列药芯金属丝，在基板上顺序形成所述铝合金层、所述铝铁合金层和所述铝陶瓷层，且所述铝合金层、所述铝铁合金层和所述铝陶瓷层形成过程中处于电磁场内。
在上述方案基础上优选，所述电磁场的电流为为0.5-10A，且所述电磁场的频率为1-10Hz。
在上述方案基础上优选，所述铝系列药芯金属丝包括由铝箔包裹的变形铝合金药芯、铝铁金属药芯和铝陶瓷金属药芯。
在上述方案基础上优选，所述步骤S1之前还包括铝系列药芯金属丝制备步骤，且所述铝系列药芯金属丝制备步骤为，基于气雾化制粉法分别对铝、铁和氧化铝进行制粉，以得到铝粉、铁粉和氧化铝粉，将三者配比分别形成机械混合，以分别得到形铝合金药芯、铝铁金属药芯和铝陶瓷金属药芯。
在上述方案基础上优选，所述步骤S3操作处于氩气保护中，且所述基材为变形铝板。
在上述方案基础上优选，所述步骤S3与所述步骤S2之间还包括，对所述基材进行预热，所述预热温度为100-200℃。
本发明的一种金属基材功能件及其增材加工制备方法，通过设置铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层，且铝铁合金层包括多个铝铁合金子层，且每个铝铁合金子层由铝合金层向铝陶瓷层的方向上，其每一层铁的含量逐层增加，使得铝合金端连续过度到铝铁合金层最后到铝陶瓷层，使得最终形成的金属基材功能件，既具备了铝合金的优良性能，如耐腐蚀、耐磨、导热性好及重量轻的特点外，也兼具陶瓷的良好的耐热、耐高温、高机械强度和高温抗氧化等性能，同时中间层由价格便宜的强韧性较高的铝铁合金组成，有效降低了其整体成本。
由于本发明的金属基材功能件，其每个铝铁合金子层由铝合金层向铝陶瓷层的方向上，其每一层铁的含量逐层增加，并且沿着背离铝铁合金层方向上的，每个铝陶瓷子层的铝的含量逐层降低，每个铝陶瓷子层的氧化铝的的含量逐层增加，且铝铁合金子层和所述铝陶瓷子层都是多个子层所构成，因此，整体材料中的组分都是连续变化了，可有效消除材料中的宏观界面，有效防止其出现脱层的现象。
本发明的金属基材功能件的增材加工制备方法，在电弧增材加工设备的焊枪中分别装设多个不同的铝系列药芯金属丝，每个铝系列药芯金属丝成分均不同，根据待加工成型的金属基材功能件结构，控制不同焊枪在基材上融化不同铝系列药芯金属丝，可在基材上形成整体材料中间组分连续变化的金属基材功能件，其成型效率高，且界面层层厚度均匀可控，可有效保证其质量，同时由于设备成本低，从而使得其加工费低廉。
附图说明
图1为本发明的金属基材功能件的工艺流程图；
图2为本发明的金属基材功能件的结构视图；
图3为本发明的铝系列药芯金属丝的加工流程图；
图4为本发明的在线电磁辅助电弧增材加工设备的结构简图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参阅图2所示，本发明提供了一种金属基材功能件，包括铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层，其中，铝陶瓷层涂覆在铝铁合金层上，且铝铁合金层涂覆在铝合金层上；铝铁合金层包括多个铝铁合金子层，且在由铝合金层向铝陶瓷层的方向上，每一层铝铁合金子层的铁的含量逐层增加，优选的，铝陶瓷层包括多个铝陶瓷子层，铝陶瓷层包括铝和氧化铝，且沿着背离铝铁合金层方向上的，每个铝陶瓷子层的铝的含量逐层降低，每个铝陶瓷子层的氧化铝的的含量逐层增加。
本发明的一种金属基材功能件及其增材加工制备方法，通过设置铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层，且铝铁合金层包括多个铝铁合金子层，且每个铝铁合金子层由铝合金层向铝陶瓷层的方向上，其每一层铁的含量逐层增加，使得铝合金端连续过度到铝铁合金层最后到铝陶瓷层，使得最终形成的金属基材功能件，既具备了铝合金的优良性能，如耐腐蚀、耐磨、导热性好及重量轻的特点外，也兼具陶瓷的良好的耐热、耐高温、高机械强度和高温抗氧化等性能，同时中间层由价格便宜的强韧性较高的铝铁合金组成，有效降低了其整体成本。
由于本发明的金属基材功能件，其每个铝铁合金子层由铝合金层向铝陶瓷层的方向上，其每一层铁的含量逐层增加，并且沿着背离铝铁合金层方向上的，每个铝陶瓷子层的铝的含量逐层降低，每个铝陶瓷子层的氧化铝的的含量逐层增加，且铝铁合金子层和所述铝陶瓷子层都是多个子层所构成，因此，整体材料中的组分都是连续变化了，可有效消除材料中的宏观界面，有效防止其出现脱层的现象。
作为本发明的优选实施例，本发明的铝合金层可以是一层，也可以是多层结构，每一层的厚度为0.1-1mm，在加工过程中，可通过调整工艺参数控制层厚，以便得到最优的层间结合和消除复合材料截面应力等不良的界面效应。
优选的是，本发明的铝铁合金子层包括第一铝铁层、第二铝铁层和第三铝铁层，以质量百分比计：所述第一铝铁层的成分包括75％的Al和25％的Fe；所述第二铝铁层包括50％的Al和50％的Fe，所述第三铝铁层25％的Al和75％的Fe。本发明的铝陶瓷子层包括第一铝陶瓷层、第二铝陶瓷层和第三铝陶瓷层，以质量百分比计：第一铝陶瓷层的成分包括75％的铝和25％的氧化铝，第二铝陶瓷层的成分包括50％的铝和50％的氧化铝，第三铝陶瓷层的成分包括25％的铝和75％的氧化铝，通过上述结构，使得铝铁合金层的内部、铝陶瓷层的内部、铝合金层与铝铁合金层之间、铝铁合金层与铝陶瓷层之间成分过度更加连续平滑，有效降低三者内部及三者之间出现脱层的现象。优选的，铝铁合金子层和铝陶瓷子层分别由多个子层所构成。
请参阅图1所示，本发明还提供了一种金属基材功能件的增材加工方法，包括以下步骤，
S1.构建金属基材功能件的增材加工三维模型，将增材加工三维模型导入至多电弧增材加工设备中，且多电弧增材加工设备包括多个焊枪；
S2.在不同焊枪内分别装载铝系列药芯金属丝；
S3.基于所述增材加工三维模型，融化焊枪内的铝系列药芯金属丝，在基板上以得到金属基材功能件。
本发明的金属基材功能件的增材加工制备方法，在电弧增材加工设备的焊枪中分别装设多个不同的铝系列药芯金属丝，每个铝系列药芯金属丝成分均不同，根据待加工成型的金属基材功能件结构，控制不同焊枪在基材上融化不同铝系列药芯金属丝，可在基材上形成整体材料中间组分连续变化的金属基材功能件，其成型效率高，且界面层层厚度均匀可控，可有效保证其质量，同时由于设备成本低，从而使得其加工费低廉。
与此同时，由于采用了电弧增材加工技术，使得铝铁合金层、铝陶瓷层和铝合金层的每一层厚度更加均匀，且可实现铝铁合金层、铝陶瓷层和铝合金层的内部每一个子层厚度可控，以便得到最优的层间结合，并消除复合材料界面应力等不良界面效应。
为了进一步详细说明本发明的技术方案，本发明的步骤S3详细包括，基于增材加工三维模型，按照增材加工三维模型中设定的顺序，顺序融化不同焊枪内的铝系列药芯金属丝，在基板上顺序形成铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层。为了准确控制凝固层的微观晶体组织，保证成型后的金属基材功能件的良好机械性能，加工过程中，铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层形成过程中处于电磁场内，优选的是，该电磁场采用的是旋转磁场，并且该电磁场的电流为为0.5-10A，且电磁场的频率为1-10Hz。
值得注意的是，加工过程中，各焊枪的送丝嘴始终处于焊枪右侧且与焊枪呈45°角；零件增材成形过程始终处在氩气保护中。并且，为了降低成形过程中的温度梯度，并促进成形过程中产生的增强相的扩散与均匀化，减小零件中的残余应力和气孔的形成，抑制金属基材的产生裂纹，本发明的基材优先采用变形铝板。
加工过程中，为了避免表面生锈，影响产品性能，故在首次第一层成形前，需对变形铝板进行抛光，抛光后进行预热，预热温度为100-200℃。在第一层铝合金层成形过程中，溶滴过渡方式采用冷金属短路过渡；沉积速度为90-300mm/min，送丝速度为6m/min。
由于本发明的金属基材功能件包括铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层三种不同成分的功能层，因此，多电弧增材加工设备的焊枪至少有三个，并且每一个焊枪的装载了不同的铝系列药芯金属丝，优选的，该铝系列药芯金属丝包括由铝箔包裹的变形铝合金药芯、铝铁金属药芯和铝陶瓷金属药芯。
为了进一步详细说明本发明的技术方案，本发明在步骤S1之前还包括铝系列药芯金属丝制备步骤，且铝系列药芯金属丝制备步骤为，基于气雾化制粉法分别对铝、铁和氧化铝进行制粉，以得到铝粉、铁粉和氧化铝粉，将三者配比分别形成机械混合，以分别得到形铝合金药芯、铝铁金属药芯和铝陶瓷金属药芯，优选的是，气雾化制粉法采用的介质为氩气，具体加工工艺流程请参阅图3所示。
并且为了保证药芯的质量，本发明的铝粉、铁粉、陶瓷末为球形或类球形，粉末粒径分布在10～50μm，以保证粉末很好的流动性，填充性，氧含量低于800ppm，制备的系列药芯焊丝的填充率大于95％，药性金属丝材直径控制在0.6～1.2mm。
当铝铁合金子层包括第一铝铁层、第二铝铁层和第三铝铁层，以质量百分比计：所述第一铝铁层的成分包括75％的Al和25％的Fe；所述第二铝铁层包括50％的Al和50％的Fe，所述第三铝铁层25％的Al和75％的Fe。
即在制备铝铁合金药芯时，需要按照配比为75％的Al和25％的Fe以制备出第一铝铁金属药芯；按照配比为50％的Al和50％的Fe以制备出第二铝铁金属药芯；按照配比为25％的Al和75％的Fe以制备出第三铝铁金属药芯。
使用时，将第一铝铁金属药芯、第二铝铁金属药芯和第三铝铁合金药芯分别装入三个不同焊枪内，以加工形成第一铝铁层、第二铝铁层和第三铝铁层。
当铝陶瓷子层包括第一铝陶瓷层、第二铝陶瓷层和第三铝陶瓷层，以质量百分比计：第一铝陶瓷层的成分包括75％的铝和25％的氧化铝，第二铝陶瓷层的成分包括50％的铝和50％的氧化铝，第三铝陶瓷层的成分包括25％的铝和75％的氧化铝。
即在制备铝铁合金药芯时，需要按照配比为75％的铝和25％的氧化铝以制备出第一铝陶瓷金属药芯；按照配比为50％的铝和50％的氧化铝以制备出第二铝陶瓷金属药芯；按照配比为25％的铝和75％的氧化铝以制备出第三铝陶瓷金属药芯。
使用时，将第一铝陶瓷金属药芯、第二铝陶瓷金属药芯和第三铝铝陶瓷金属药芯分别装入三个不同焊枪内，以加工形成第一铝陶瓷层、第二铝陶瓷层和第三铝陶瓷层。
由于步骤3中在基板上形成的金属基材功能件，该金属基材功能件是粘附在基板上，因此，为了获得独立的金属基材功能件，本发明需要采用线切割工艺将成形的零件从所述基板上分离，以得到独立的金属基材功能件。
为了进一步提高功能区的物理、化学、力学性能和抗疲劳性能，本发明还需将得到的独立的金属基材功能件进行相应退火、固溶处理和人工时效等热处理。优选的，退火温度为250℃～400℃，退火时间为2.5～5小时。并且退火后对零件固溶强化和时效处理的步骤，其中，固溶处理温度定在450～500℃，时间定为1小时。进过固溶处理后，再进行时效处理，温度定在100～150℃，时间定为15～45小时。
在完成上述的热处理后，需要对零件高温600度物理、化学及力学测试的步骤，以明确增材成形技术下的功能件在高温环境下的物理、化学及疲劳性能。
本发明的一种金属基材功能件及其增材加工制备方法，通过设置铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层，且铝铁合金层包括多个铝铁合金子层，且每个铝铁合金子层由铝合金层向铝陶瓷层的方向上，其每一层铁的含量逐层增加，使得铝合金端连续过度到铝铁合金层最后到铝陶瓷层，使得最终形成的金属基材功能件，既具备了铝合金的优良性能，如耐腐蚀、耐磨、导热性好及重量轻的特点外，也兼具陶瓷的良好的耐热、耐高温、高机械强度和高温抗氧化等性能，同时中间层由价格便宜的强韧性较高的铝铁合金组成，有效降低了其整体成本。
由于本发明的金属基材功能件，其每个铝铁合金子层由铝合金层向铝陶瓷层的方向上，其每一层铁的含量逐层增加，并且沿着背离铝铁合金层方向上的，每个铝陶瓷子层的铝的含量逐层降低，每个铝陶瓷子层的氧化铝的的含量逐层增加，且铝铁合金子层和所述铝陶瓷子层都是多个子层所构成，因此，整体材料中的组分都是连续变化了，可有效消除材料中的宏观界面，有效防止其出现脱层的现象。
本发明的金属基材功能件的增材加工制备方法，在电弧增材加工设备的焊枪中分别装设多个不同的铝系列药芯金属丝，每个铝系列药芯金属丝成分均不同，根据待加工成型的金属基材功能件结构，控制不同焊枪在基材上融化不同铝系列药芯金属丝，可在基材上形成整体材料中间组分连续变化的金属基材功能件，其成型效率高，且界面层层厚度均匀可控，可有效保证其质量，同时由于设备成本低，从而使得其加工费低廉。
请继续参阅图4所示，本发明还公开了一种在线电磁辅助电弧增材加工设备，包括多组协同CMT焊枪和焊接电源、多组送丝装置、同轴联动系统、控制系统、工作平台、可旋转电磁辅助装置，其中，可旋转电磁辅助装置具体包括脉冲磁场发生装置和磁头。
其中，可旋转电磁辅助装置，用于产生旋转磁场；多组协同CMT焊枪、焊接电源和多组送丝装置，用于装载焊丝；同轴联动系统、控制系统和工作平台，用于承载基板，并使得基板相对于焊枪发生相对移动。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种金属基材功能件，其特征在于，包括铝合金层、铝铁合金层和铝陶瓷层，所述铝陶瓷层涂覆在所述铝铁合金层上，且所述铝铁合金层涂覆在所述铝合金层上；所述铝铁合金层包括多个铝铁合金子层，且每个所述铝铁合金子层由所述铝合金层向所述铝陶瓷层的方向上，其每一层铁的含量逐层增加，使得所述铝合金层连续过渡到所述铝铁合金层最后到所述铝陶瓷层。
2.如权利要求1所述的一种金属基材功能件，其特征在于，所述铝陶瓷层包括多个铝陶瓷子层，所述铝陶瓷层包括铝和氧化铝，且沿着背离所述铝铁合金层方向上的，每个所述铝陶瓷子层的铝的含量逐层降低，每个所述铝陶瓷子层的氧化铝的含量逐层增加。
3.如权利要求2所述的一种金属基材功能件，其特征在于，所述铝陶瓷子层包括第一铝陶瓷层、第二铝陶瓷层和第三铝陶瓷层，以质量百分比计：所述第一铝陶瓷层的成分包括75%的铝和25%的氧化铝，所述第二铝陶瓷层的成分包括50%的铝和50%的氧化铝，所述第三铝陶瓷层的成分包括25%的铝和75%的氧化铝。
4.如权利要求1所述的一种金属基材功能件，其特征在于，所述铝铁合金子层包括第一铝铁层、第二铝铁层和第三铝铁层，以质量百分比计：所述第一铝铁层的成分包括75%的Al和25%的Fe；所述第二铝铁层包括50%的Al和50%的Fe，所述第三铝铁层包括25%的Al和75%的Fe。
5.如权利要求2所述的一种金属基材功能件，其特征在于，所述铝合金层至少为一层，且每一层的所述铝合金层的厚度为0.1-1mm；所述铝铁合金子层和所述铝陶瓷子层分别由多个子层所构成。
6.一种如权利要求1所述金属基材功能件的增材加工制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤S1.构建金属基材功能件的增材加工三维模型，将所述的增材加工三维模型导入至多电弧增材加工设备中，且所述多电弧增材加工设备包括多个焊枪；
步骤S2.在不同焊枪内分别装载铝系列药芯金属丝；
步骤S3.基于所述增材加工三维模型，融化焊枪内的所述铝系列药芯金属丝，在基板上以得到所述金属基材功能件；且所述步骤S3进一步详细包括，基于所述增材加工三维模型，融化焊枪内的所述铝系列药芯金属丝，在基板上顺序形成所述铝合金层、所述铝铁合金层和所述铝陶瓷层，且所述铝合金层、所述铝铁合金层和所述铝陶瓷层形成过程中处于电磁场内；所述铝系列药芯金属丝包括由铝箔包裹的变形铝合金药芯、铝铁金属药芯和铝陶瓷金属药芯；所述步骤S1之前还包括铝系列药芯金属丝制备步骤，且所述铝系列药芯金属丝制备步骤为，基于气雾化制粉法分别对铝、铁和氧化铝进行制粉，以得到铝粉、铁粉和氧化铝粉，将三者配比分别形成机械混合，以分别得到形铝合金药芯、铝铁金属药芯和铝陶瓷金属药芯；所述步骤S3操作处于氩气保护中，且所述基材为变形铝板；且，所述步骤S3与所述步骤S2之间还包括，对所述基材进行预热，且预热的温度为100-200℃。
7.如权利要求6所述的一种金属基材功能件的增材加工制备方法，其特征在于，所述电磁场的电流为 0.5-10A，且所述电磁场的频率为1-10Hz。
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