CN108788406A - 一种轻金属基复合材料构件及其制备方法 - Google Patents

一种轻金属基复合材料构件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻金属基复合材料构件及其制备方法，属于金属复合材料制备与成型技术领域。本发明采用非熔化极惰性气体保护焊电弧作为热源在经过表面预处理的轻金属基板上增材制造，制得轻金属基复合材料构件；增材制造的送料方式包括：利用惰性保护气体将零维的颗粒增强体沿非熔化极焊枪轴向吹入液态熔池中实现同轴送粉，同时将含有一维/二维的线状/片状增强体的复合焊丝从焊枪前进侧连续送至液态熔池实现旁轴送丝。本发明可以直接制造具有复杂结构大尺寸复合材料构件，后续无需加工或加工量少，实现材料制备成型一体化；采用不同维度的混杂增强体可以实现材料更优越的力学性能、还降低原料的成本；工艺参数少且易于实现自动化智能制造。

Description

一种轻金属基复合材料构件及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属复合材料制备技术领域，具体涉及一种轻金属基复合材料构件及其制备方法。
背景技术
通过向镁、铝、钛等轻金属及其合金中加入高强度、高弹性模量、高熔点的纤维、晶须或颗粒等增强体制成复合材料后，其力学性能有显著的提高，同时还保留了原有的密度小、阻尼性能好等优点，具有更高的比强度、比刚度、耐高温、耐磨损以及较低的热膨胀系数、更好的尺寸稳定性等优异的物理和力学性能。现有的金属基复合材料制备方法主要有粉末冶金法、搅拌铸造法、液态浸渍法、挤压铸造法、喷射沉积法及原位合成法等几种。复合材料构件的成型，需要进行加工变形、焊接等。然而，镁、铝、钛合金自身变形性能较差，加入硬质增强体后，成形性能更加恶化，极易出现开裂、颗粒断裂和界面脱粘等问题；另外，复合材料难于焊接。这些都成为制约轻金属基复合材料大规模应用的主要障碍。
有报道采用激光作为热源，激光沉积制备铝基复合材料构件，该方法对于轻质金属材料的增材仍存在以下问题，采用激光作为沉积热源，沉积效率较慢，不能很好地完成大规模复杂构件的快速制造；激光沉积的产品孔隙率较高，有色金属铝表面对于激光的反射率太高，大量激光能量将被浪费；该方法使用颗粒增强体，增强效果不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻金属基复合材料构件及其制备方法，以解决现有轻金属复合材料生产效率低、加工难度大以及增强效果不佳的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种轻金属基复合材料构件的制备方法，采用非熔化极惰性气体保护焊电弧作为热源在经过表面预处理的轻金属基板上增材制造，制得轻金属基复合材料构件；增材制造的送料方式包括：利用惰性保护气体将零维的颗粒增强体沿非熔化极焊枪轴向吹入液态熔池中实现同轴送粉方式，同时将含有一维/二维的线状/片状增强体的复合焊丝从焊枪前进侧连续送入液态熔池实现旁轴送丝方式。
本发明采用电弧增材制造制备轻金属复合材料构件，后续加工量少能够实现复杂构件的一体化成型，克服镁、铝、钛合金复合材料加工难度大、成形性能恶化的缺陷。并且本发明采用非熔化极惰性气体保护焊(GTAW)电弧作为热源，其燃烧稳定，热量集中，液态熔池始终受到惰性气体(例如氩气)保护，可避免外界环境造成污染。同时，本发明采用“同轴送粉和旁轴送丝”相结合的方式加入增强体，使得增强体均匀分散在熔池中，同轴送丝的填丝模式既能够保证熔敷金属的稳定过渡，又能能够实现较好的致密性及熔敷效率。此外，本发明采用的GTAW外加焊丝方式保证增材体向基体过渡的可靠性并实现较高的体积分数，熔敷过程中液态熔池受电磁搅拌力、外加超声场作用以及凝固后层间滚压大塑性变形，可以实现增强体均匀分布。而且，由于本发明采用电弧增材制造，其工艺参数相对其它增材制造方法较少，且参数可控性较强，完全可以实现自动化或者智能化过程的镁基复合材料零部件的制备。
本发明利用惰性保护气体吹入零维的颗粒增强体，以及将一维/二维的线状/片状增强体预制到复合焊丝中，由此在轻金属基板中添加多种维度的增强体，通过多维度增强，明显提高了轻金属基板的强度、硬度等力学性能。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，非熔化极惰性气体保护焊的焊接工艺参数包括：焊接电流为50-350A，送丝速度为0.1-2m/min，保护气体流量为10-25L/min，复合焊丝直径为0.5-4mm，沉积速度为0.01-20kg/h，复合焊丝倾角为5°-25°，非熔化极金属直径为1.8-3.2mm。对于镁基板焊接电流优选为80-120A；铝及其合金制成的基板，其焊接电流预选位100-120A。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，非熔化极惰性气体保护焊为钨极惰性气体保护焊或等离子弧焊。非熔化极金属为钨金属。非熔化极可以是钨极或石墨，钨极可以是铈钨极或钍钨极。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述同轴送粉方式的具体过程为：将烘干的颗粒增强体置于与电弧保护气体输送管路连接的送粉器中，送粉器按照50-300mg/s的送粉率将颗粒增强体输送至电弧保护气体输送管路中并通过管路中的惰性气体吹入至液态熔池中。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，复合焊丝的基体材质与轻金属基板的材质相同或同属于轻金属材质。
本发明选用与母材同质或近似的材料作为复合焊丝基体，可以减小基材的稀释率，降低由于内应力过高产生裂纹倾向。例如，在铝合金基板上增材制造，可以采用铝、镁、钛及其合金作为复合焊丝的基体材料。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，零维的颗粒增强体为SiC、Al2O3、TiC、WC、ZrO2、B4C、石墨和金刚石中的一种或多种组合，并且颗粒增强体的粒径为纳米级或微米级。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述复合焊丝的制备过程包括：将轻金属基体与一维/二维的线状/片状增强体混合并成型为丝材，线状/片状增强体占复合焊丝的质量百分比为1-15％，线状/片状增强体为碳纳米管、晶须和石墨烯中的一种或多种组合。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述晶须为Al2O3、BeO、SiC和SiN中的一种或多种组合。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述制备方法包括以下具体步骤：
(1)表面预处理：对待沉积的轻金属基板表面进行打磨，去除基板表面的油污，然后风干；
(2)制备复合焊丝：将轻金属基体与线状/片状增强体通过粉末冶金、搅拌铸造或挤压铸造的方式制备块体材料，然后将块体材料挤压成直径为0.5-4mm的复合焊丝；其中，线状/片状增强体占复合焊丝的质量百分比为1-15％，线状/片状增强体为碳纳米管、晶须和石墨烯中的一种或多种组合，晶须为Al2O3、BeO、SiC和SiN中的一种或多种组合；
(3)非熔化极惰性气体保护焊电弧增材制造：
(31)同轴送粉：将烘干的颗粒增强体置于与电弧保护气体输送管路连接的送粉器中，送粉器按照50-300mg/s的送粉率将颗粒增强体输送至电弧保护气体输送管路中并通过管路中的惰性气体吹入至液态熔池中，零维的颗粒增强体为SiC、Al2O3、TiC、WC、ZrO2、B4C、石墨、和金刚石中的一种或多种组合，并且颗粒增强体的粒径为纳米级或微米级；
(32)旁轴送丝：利用自动送丝机，将步骤(2)制备的复合焊丝送至焊枪运动方向正前方的液态熔池；
(33)电弧沉积：采用非熔化极惰性气体保护焊方式进行沉积，其焊接工艺参数包括：焊接电流为50-350A，送丝速度为0.1-2m/min，保护气体流量为10-25L/min，沉积速度为0.01-20kg/h，复合焊丝倾角为5°-25°，非熔化极金属直径为1.8-3.2mm；
(4)按照预定的规划路径，进行重复逐层堆叠，制得轻金属基复合材料构件。
上述的制备方法制备得到的轻金属基复合材料构件。
本发明具有以下有益效果：
与现有的复合材料制备技术相比，本发明利用高沉积效率的GTAW技术一次性制备成形高性能轻金属基(镁、铝、钛及其合金)复合材料构件，将电弧增材制造技术引入轻金属基复合材料及其构件的制备与成形，可以实现复合材料构件的直接制造，后续加工量少，实现材料制备成型一体化，解决复合材料难于加工的问题。
本发明基于电弧增材制造，采用同轴送粉(颗粒增强体)+旁轴送入复合焊丝(含有一维碳素纤维、晶须和二维片层石墨烯等)方法制备轻金属基复合材料，电弧保护气流可以将颗粒增强体充分分散并给予动能进入液态熔池，预制复合焊丝可以保证轻质碳素增强体和晶须增强体平稳顺利的过渡进入液态熔池，电弧电磁搅拌作用及快速凝固特征可以保证增强体的均匀分布。同时，采用不同维度的增强体可以实现多尺度增强体对基体材料的混杂增强，提高基体性能。
本发明采用“电弧沉积+旁轴送丝”的模式进行增材制造，具有比激光、电子束等其他高能束增材制造技术更高的沉积效率，可以快速制备复合材料。并且，电弧沉积过程稳定，工艺参数种类较其他方式少且可控制性高，送粉速度和复合焊丝增强体含量可以调整，易于实现自动化的智能制造。
附图说明
图1为本发明制备轻金属基复合材料构件的装置的结构示意图；
图2为本发明制备轻金属基复合材料构件的沉积过程原理图。
图中：1-气瓶；2-焊机；3-导管；4-送粉器；5-焊枪；6-送丝装置；7-预制复合焊丝；8-钨极；9-陶瓷嘴；10-送气管；11-增材体；12-轻金属基板；13-水管；14-颗粒增强体；15-线状/片状增强体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明采用非熔化极惰性气体保护焊电弧作为热源在经过表面预处理的轻金属基板增材制造，制得轻金属基复合材料构件；增材制造的送料方式包括：利用惰性保护气体将零维的颗粒增强体沿非熔化极焊枪轴向吹入液态熔池中实现同轴送粉方式，同时将含有一维/二维的线状/片状增强体的复合焊丝从焊枪前进侧连续送入液态熔池实现旁轴送丝方式。
基于本发明的制备方法，本发明提供了图1所示的制备装置的结构示意图，图2为沉积过程的原理图。
如图1所示，本发明的制备轻金属基复合材料构件的装置包括：气瓶1、焊机2、导管3(底线)、送粉器4、焊枪5和送丝装置6。气瓶1、焊机2和焊枪5通过导管3按照常规方式连接和设置。送粉器4与焊枪5的送器管10(电弧保护气体输送管路)连通，用以将颗粒增强体送入至管路内，进而在惰性气体的作用下吹入至液态熔池中。送丝装置6的送丝出口位于焊枪5运动方向的正前方。如图2所示，在沉积过程中，颗粒状的颗粒增强体14通过送气管10在惰性气体的作用下吹入至焊枪5下方的熔池中并且均匀分散。预制复合焊丝7从焊枪5旁侧送入，并且被送至液态熔池的边缘。轻金属基板12表面最后沉积出增材体11，颗粒增强体14和线状/片状增强体15均匀分散在增材体11内。
以下结合实施例对本发明的制备方法进一步说明。
实施例1：
本实施例的制备方法包括以下具体步骤：
(1)表面预处理：对待沉积的轻金属基板表面进行打磨，去除基板表面的油污，然后风干；
(2)制备复合焊丝：将轻金属基体与线状/片状增强体通过粉末冶金、搅拌铸造或挤压铸造的方式制备块体材料，然后将块体材料挤压成直径为0.5mm的复合焊丝；其中，线状/片状增强体占复合焊丝的质量百分比为1％，线状/片状增强体为碳纳米管和石墨烯；
(3)钨极惰性气体保护焊电弧增材制造：
(31)同轴送粉：将烘干的颗粒增强体置于与电弧保护气体输送管路连接的送粉器中，送粉器按照50mg/s的送粉率将颗粒增强体输送至电弧保护气体输送管路中并通过管路中的惰性气体吹入至液态熔池中，零维的颗粒增强体为颗粒粉末状，其为SiC、Al2O3、TiC、WC、ZrO2、B4C、石墨或金刚石，并且颗粒增强体的粒径为纳米级；
(32)旁轴送丝：利用自动送丝机，将步骤(2)制备的复合焊丝送至焊枪运动方向正前方的液态熔池；
(33)电弧沉积：采用钨极惰性气体保护焊方式进行沉积，其焊接工艺参数包括：焊接电流为50A，送丝速度为0.1m/min，保护气体流量为10L/min，沉积速度为0.01kg/h，复合焊丝倾角为5°，钨极金属直径为1.8mm；电弧电流优选为脉冲波形；
(4)按照预定的规划路径，进行重复逐层堆叠，制得轻金属基复合材料构件。
实施例2：
本实施例的制备方法包括以下具体步骤：
(1)表面预处理：对待沉积的轻金属基板表面进行打磨，去除基板表面的油污，然后风干；
(2)制备复合焊丝：将轻金属基体与线状/片状增强体通过粉末冶金、搅拌铸造或挤压铸造的方式制备块体材料，然后将块体材料挤压成直径为4mm的复合焊丝；其中，线状/片状增强体占复合焊丝的质量百分比为15％，线状/片状增强体为晶须和石墨烯，晶须为AlO、BeO、SiC或SiN；
(3)钨极惰性气体保护焊电弧增材制造：
(31)同轴送粉：将烘干的颗粒增强体置于与电弧保护气体输送管路连接的送粉器中，送粉器按照300mg/s的送粉率将颗粒增强体输送至电弧保护气体输送管路中并通过管路中的惰性气体吹入至液态熔池中，零维的颗粒增强体为颗粒粉末状，其为SiC、Al2O3、TiC、WC、ZrO2、B4C、石墨和金刚石，并且颗粒增强体的粒径为微米级；
(32)旁轴送丝：利用自动送丝机，将步骤(2)制备的复合焊丝送至焊枪运动方向正前方的液态熔池；
(33)电弧沉积：采用钨极惰性气体保护焊方式进行沉积，其焊接工艺参数包括：焊接电流为350A，送丝速度为2m/min，保护气体流量为25L/min，沉积速度为20kg/h，复合焊丝倾角为25°，钨极金属直径为3.2mm；
(4)按照预定的规划路径，进行重复逐层堆叠，制得轻金属基复合材料构件。
实施例3：
本实施例的制备方法包括以下具体步骤：
(1)表面预处理：对待沉积的轻金属基板表面进行打磨，去除基板表面的油污，然后风干；
(2)制备复合焊丝：将轻金属基体与线状/片状增强体通过粉末冶金、搅拌铸造或挤压铸造的方式制备块体材料，然后将块体材料挤压成直径为2mm的复合焊丝；其中，线状/片状增强体占复合焊丝的质量百分比为8％，线状/片状增强体为碳纳米管、晶须和石墨烯，晶须为AlO、BeO、SiC和SiN；
(3)钨极惰性气体保护焊电弧增材制造：
(31)同轴送粉：将烘干的颗粒增强体置于与电弧保护气体输送管路连接的送粉器中，送粉器按照200mg/s的送粉率将颗粒增强体输送至电弧保护气体输送管路中并通过管路中的惰性气体吹入至液态熔池中，零维的颗粒增强体为颗粒粉末状，其为SiC、Al2O3、TiC、WC、ZrO2、B4C、石墨、和金刚石，并且颗粒增强体的粒径为纳米级；
(32)旁轴送丝：利用自动送丝机，将步骤(2)制备的复合焊丝送至焊枪运动方向正前方的液态熔池；
(33)电弧沉积：采用钨极惰性气体保护焊方式进行沉积，其焊接工艺参数包括：焊接电流为250A，送丝速度为1m/min，保护气体流量为15L/min，沉积速度为10kg/h，复合焊丝倾角为20°，钨极金属直径为2mm；
(4)按照预定的规划路径，进行重复逐层堆叠，制得轻金属基复合材料构件。
综上所示，本发明的制备方法采用电弧沉积，其相比于激光、电子束等高能束具有更高的沉积效率，电弧运行轨迹灵活可控，可制造高性能复杂结构的镁基复合材料，与现有轻金属基复合材料、尤其是镁基复合材料的制备技术相比，本发明可以实现复合材料的直接制造，实现制备成型一体化，解决复合材料难以加工的问题。本发明方法灵活，外加填丝模式既能够保证熔敷金属的稳定过渡，又能能够实现较好的致密性及熔敷效率，可以实现质量相对较轻的纳米碳素增强体稳定过渡至基体；同时，同轴送粉可提供颗粒增强体，送粉量可以调节，可实现增强体体积分数的调节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种轻金属基复合材料构件的制备方法，其特征在于，采用非熔化极惰性气体保护焊电弧作为热源在经过表面预处理的轻金属基板上增材制造，制得轻金属基复合材料构件；增材制造的送料方式包括：利用惰性保护气体将零维的颗粒增强体沿非熔化极焊枪轴向吹入液态熔池中实现同轴送粉方式，同时将含有一维/二维的线状/片状增强体的复合焊丝从焊枪前进侧连续送入液态熔池实现旁轴送丝方式。
2.根据权利要求1所述的轻金属基复合材料构件的制备方法，其特征在于，非熔化极惰性气体保护焊的焊接工艺参数包括：焊接电流为50-350A，送丝速度为0.1-2m/min，保护气体流量为10-25L/min，复合焊丝直径为0.5-4mm，沉积速度为0.01-20kg/h，复合焊丝倾角为5°-25°，非熔化极金属直径为1.8-3.2mm。
3.根据权利要求2所述的轻金属基复合材料构件的制备方法，其特征在于，非熔化极惰性气体保护焊为钨极惰性气体保护焊或等离子弧焊。
4.根据权利要求1所述的轻金属基复合材料构件的制备方法，其特征在于，所述同轴送粉方式的具体过程为：将烘干的所述颗粒增强体置于与电弧保护气体输送管路连接的送粉器中，所述送粉器按照50-300mg/s的送粉率将所述颗粒增强体输送至电弧保护气体输送管路中并通过管路中的惰性气体吹入至液态熔池中。
5.根据权利要求1所述的轻金属基复合材料构件的制备方法，其特征在于，所述复合焊丝的基体材质与所述轻金属基板的材质相同或同属于轻金属材质。
6.根据权利要求1-5任一项所述的轻金属基复合材料构件的制备方法，其特征在于，零维的所述颗粒增强体为SiC、Al2O3、TiC、WC、ZrO2、B4C、石墨和金刚石中的一种或多种组合，并且所述颗粒增强体的粒径为纳米级或微米级。
7.根据权利要求1-5任一项所述的轻金属基复合材料构件的制备方法，其特征在于，所述复合焊丝的制备过程包括：将轻金属基体与一维/二维的所述线状/片状增强体混合并成型为丝材，所述线状/片状增强体占所述复合焊丝的质量百分比为1-15％，所述线状/片状增强体为碳纳米管、晶须和石墨烯中的一种或多种组合。
8.根据权利要求7所述的轻金属基复合材料构件的制备方法，其特征在于，所述晶须为Al2O3、BeO、SiC和SiN中的一种或多种组合。
9.根据权利要求1所述的轻金属基复合材料构件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下具体步骤：
(1)表面预处理：对待沉积的轻金属基板表面进行打磨，去除基板表面的油污，然后风干；
(2)制备复合焊丝：将轻金属基体与线状/片状增强体通过粉末冶金、搅拌铸造或挤压铸造的方式制备块体材料，然后将所述块体材料挤压成直径为0.5-4mm的复合焊丝；其中，所述线状/片状增强体占所述复合焊丝的质量百分比为1-15％，所述线状/片状增强体为碳纳米管、晶须和石墨烯中的一种或多种组合，所述晶须为Al2O3、BeO、SiC和SiN中的一种或多种组合；
(3)非熔化极惰性气体保护焊电弧增材制造：
(31)同轴送粉：将烘干的所述颗粒增强体置于与电弧保护气体输送管路连接的送粉器中，所述送粉器按照50-300mg/s的送粉率将所述颗粒增强体输送至电弧保护气体输送管路中并通过管路中的惰性气体吹入至液态熔池中，零维的所述颗粒增强体为SiC、Al2O3、TiC、WC、ZrO2、B4C、石墨、和金刚石中的一种或多种组合，并且所述颗粒增强体的粒径为纳米级或微米级；
(32)旁轴送丝：利用自动送丝机，将步骤(2)制备的复合焊丝送至焊枪运动方向正前方的液态熔池；
(33)电弧沉积：采用非熔化极惰性气体保护焊方式进行沉积，其焊接工艺参数包括：焊接电流为50-350A，送丝速度为0.1-2m/min，保护气体流量为10-25L/min，沉积速度为0.01-20kg/h，复合焊丝倾角为5°-25°，非熔化极金属直径为1.8-3.2mm；
(4)按照预定的规划路径，进行重复逐层堆叠，制得轻金属基复合材料构件。
10.权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到的轻金属基复合材料构件。
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