CN110216288B - 一种通过电弧增材制造进行铝碳化硅复合材料丝材打印的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过电弧增材制造进行铝碳化硅复合材料丝材打印的方法，所述复合材料由下述配比的物质组成：质量分数为5~15%的碳化硅，余量为铝合金。所述的复合材料经铝碳化硅复合材料铸锭拉拔成丝，以及丝材打印成形这两步法完成。本发明的复合材料具有较高的比强度、比刚度、弹性模量，可广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域复杂结构件的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过电弧增材制造进行铝碳化硅复合材料丝材打印的方法，属于金属基复合材料及增材制造领域。
背景技术
铝碳化硅复合材料兼具铝合金及碳化硅陶瓷的特点，相比于普通铝合金，其韧性稍有降低，但是比强度、比刚度、弹性模量、耐摩擦性能大幅提高，热膨胀系数减小，尺寸稳定性提高，因此铝碳化硅复合材料在航空航天、汽车、船舶等领域都有着巨大的应用前景。
然而，由于材料中增强相的存在，铝碳化硅复合材料的机加工不易，很难达到较高的尺寸精度，且加工过程中损失的料重较大，这就造成了材料成本的浪费。基于此，开发一种增材制造方法来制备铝碳化硅复合材料具有迫切的现实意义。
电弧增材制造技术是一种用电弧为载能束的增材制造技术，通过丝材的添加，逐层堆叠熔化的丝材，从而形成金属零件。它具有沉积率高，丝材利用率高，成型尺寸大，整体制造周期短，成本低等优点。
如何将铝碳化硅复合材料坯锭制备成适于电弧增材制造的丝材以及丝材打印过程中如何控制工艺参数是打印成形的关键。本发明要解决的两个难点，一是铝基复合材料由于加入的增强颗粒为陶瓷相，它们之间的热膨胀系数差异往往较大，这就导致在拉拔过程中产生较大的应力而出现裂纹；二是解决打印过程中的问题，保证丝材在打印中顺利成形。
CN2017101591144提供了一种生物医用镁合金丝的制备方法，属于金属材料领域，通过将镁和锌熔化后，经过搅拌、精炼处理，浇铸成合金铸锭，再将合金铸锭进行均匀化处理，或者不经热处理直接进行等通道挤压，最后将等通道挤压的镁锌合金进行多道次拉拔加工成丝材。当丝材拉拔完成后，得到单相的过饱和固溶体，其强度和延伸率都要高于没有经过等通道挤压的直接拉拔得到的丝材，即满足了强度和塑性的需要，也使得材料的耐蚀性得到大幅的提升。
CN2018105218716公开了一种电弧增材制造方法，根据成形目标零件的材料要求选用相应的热源类型、成形丝材和基板的材料类型，建立成形目标零件的 CAD几何模型，提取STL模型，对STL模型进行分析，对STL模型进行切片处理，自动规划成形路径，生成打印所需的G代码文件，并将G代码传输至打印机，设置打印参数，启动打印设备，设置打印零件的形状尺寸，按照规划路径逐层进行金属薄层打印；待打印机将全部层片打印完毕，焊枪息弧，即可得到成形目标零件。
CN2018115123869公开了一种铝合金悬空结构件电弧增材制造方法，包括：对铝合金悬空结构件的待增材区域进行预处理；将预处理后的铝合金悬空结构件固定于工作平台上；设定起弧点、收弧点位置及增材路径；其中，所述增材路径包括多层待增材层；利用焊机对所述多层待增材层中的第一层进行增材制造；设定所述预处理后的铝合金悬空结构件的线能量达到预设能量值；沿垂直所述增材路径的方向偏移，利用所述焊机进行下一层的堆积，以形成90°的水平悬空结构；重复执行上述步骤，以形成符合预设条件的铝合金悬空结构件。本发明采用层间偏移的方法使熔敷金属重力与表面张力二力平衡从而实现悬空结构成形，能够提高电弧增材材料的利用率，缩短电弧增材制造周期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过电弧增材制造进行铝碳化硅丝材打印的方法，其特征在于，所述复合材料由下述配比的物质组成：质量分数为5～15％的碳化硅，余量为铝合金。
本发明的优选技术方案中，所述复合材料中碳化硅的质量分数为5-15％，优选为5-7.5％。
本发明的优选技术方案中，所述复合材料中碳化硅颗粒的中值粒径为 3～30μm，更优选为3-10μm，还优选为3-5μm。
本发明的优选技术方案中，所述复合材料的铝基体合金的组成(质量分数)为Si9.0～11.0％，Mg 0.2～0.45％，Zn≤0.1％，Fe≤0.55％，Ti≤0.15％， Mn≤0.45％，O≤0.1％，余量为Al；其余元素单个含量≤0.05％，其余元素合计总含量≤0.15％。
本发明的优选技术方案中，所述通过电弧增材制造进行铝碳化硅复合材料丝材打印的方法，经铝碳化硅复合材料铸锭拉拔成丝，以及丝材打印成形这两步法完成。
本发明的优选方案中，所述拉拔成丝过程，先将复合材料铸锭进行均匀化热处理，再进行等通道挤压，最后拉拔成丝。
本发明的优选方案中，上述均匀化热处理的温度为150～300℃，优选为 150～250℃；均匀化热处理的时间为4～15h，优选为4～12h。
本发明的优选方案中，上述等通道挤压的温度为350～550℃，优选为 400～500℃。
本发明的优选方案中，上述拉拔成丝过程，先将挤压后的材料预热一段时间，拉拔温度在500℃左右，单道次变形量在10～30％，拉拔速度为10～50mm/s。
本发明的优选技术方案中，所述丝材打印成形过程使用电弧增材制造方法，具体包括以下步骤：对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印。
本发明的优选技术方案中，所述打印过程中的送丝速度为5～20mm/s，优选为5～10mm/s。
本发明的优选技术方案中，所述打印过程中每层焊枪提升高度为 1～3.5mm，优选为1～2.5mm。
本发明的优选技术方案中，所述打印过程成形时应留有加工余量。
本发明采用电弧增材制造方法制备铝碳化硅复合材料，先将铝碳化硅复合材料铸锭拉拔成丝，再对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；打印结束后，简单处理工件表面，可得复合材料打印件。
本发明的目的在于提供一种航空航天、汽车、船舶等领域复杂结构件的制备方法。
本发明的优选技术方案中，所述结构件选自抗热形变结构件、耐磨结构件、轻量化航空航天结构件、机器人结构件中的任一种。
为了清楚地表述本发明的保护范围，本发明对下述术语进行如下界定。
中值粒径以激光粒度仪测量粉体粒度D50值来衡量，表示粉末中在中值粒径的粉末数量占粉末总量的50％。
本发明铝碳化硅复合材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率等参照GB/T 228-2002标准规定进行检测。
本发明的3D打印方式为电弧增材制造方法，即由送丝装置送丝，焊枪熔化丝材进行焊接，逐层打印，如此往复，最终由若干层叠加形成铝基复合材料打印件。
与现有技术相比，该方法直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，再通过送丝进行逐层打印，可以实现工件的高效快速成形，适用于大尺寸且形状较复杂的构件。
采用本发明的另一个显著优势是可以实现材料的近净成形，不仅提高了原材料的使用率，还能简化复合材料的加工过程，从而节省加工成本，提高材料的利用效率。
本发明制备的复合材料具有较高的比刚度、比强度，可广泛应用于制备航空航天、汽车、船舶等领域的结构件。
具体实施方式
以下将结合实施例具体说明本发明，本发明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明的实质。
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清晰的理解，现详细说明本发明的具体实施方式：
本发明以下的各个实施例中打印用的丝材均为同种工艺制备的铝碳化硅复合材料铸锭拉拔制成，拉拔前后复材尺寸相同，打印所使用的设备也相同。
实施例1：
一种用电弧增材制造进行铝碳化硅复合丝材打印的方法，包括下述步骤：
1)将质量分数为5％的铝碳化硅复合材料铸锭在150℃条件下保温6h；
2)将处理好的复合材料做等通道挤压，温度为450℃，挤压后变形量为400％；
3)将挤压后的材料预热一段时间后拉拔成丝，拉拔温度在500℃左右，单道次变形量在10％，拉拔速度为20mm/s；
4)将拉拔好的丝材装入机器，对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；
5)运行程序，开始打印，打印参数为送丝速度为5mm/s，每层焊枪提升高度为 2mm；
6)打印完成后取出打印件，简单处理后测试性能。
实施例2：
一种用电弧增材制造进行铝碳化硅复合丝材打印的方法，包括下述步骤：
1)将质量分数为5％的铝碳化硅复合材料铸锭在150℃条件下保温6h；
2)将处理好的复合材料做等通道挤压，温度为450℃，挤压后变形量为400％；
3)将挤压后的材料预热一段时间后拉拔成丝，拉拔温度在500℃左右，单道次变形量在10％，拉拔速度为20mm/s；
4)将拉拔好的丝材装入机器，对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；
5)运行程序，开始打印，打印参数为送丝速度为10mm/s，每层焊枪提升高度为2mm；
6)打印完成后取出打印件，简单处理后测试性能。
实施例3：
一种用电弧增材制造进行铝碳化硅复合丝材打印的方法，包括下述步骤：
1)将质量分数为5％的铝碳化硅复合材料铸锭在150℃条件下保温6h；
2)将处理好的复合材料做等通道挤压，温度为450℃，挤压后变形量为400％；
3)将挤压后的材料预热一段时间后拉拔成丝，拉拔温度在500℃左右，单道次变形量在10％，拉拔速度为20mm/s；
4)将拉拔好的丝材装入机器，对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；
5)运行程序，开始打印，打印参数为送丝速度为15mm/s，每层焊枪提升高度为2mm；
6)打印完成后取出打印件，简单处理后测试性能。
实施例4：
一种用电弧增材制造进行铝碳化硅复合丝材打印的方法，包括下述步骤：
1)将质量分数为5％的铝碳化硅复合材料铸锭在150℃条件下保温6h；
2)将处理好的复合材料做等通道挤压，温度为450℃，挤压后变形量为400％；
3)将挤压后的材料预热一段时间后拉拔成丝，拉拔温度在500℃左右，单道次变形量在10％，拉拔速度为20mm/s；
4)将拉拔好的丝材装入机器，对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；
5)运行程序，开始打印，打印参数为送丝速度为20mm/s，每层焊枪提升高度为2mm；
6)打印完成后取出打印件，简单处理后测试性能。
实施例5：
一种用电弧增材制造进行铝碳化硅复合丝材打印的方法，包括下述步骤：
1)将质量分数为7.5％的铝碳化硅复合材料铸锭在150℃条件下保温6h；
2)将处理好的复合材料做等通道挤压，温度为450℃，挤压后变形量为400％；
3)将挤压后的材料预热一段时间后拉拔成丝，拉拔温度在500℃左右，单道次变形量在10％，拉拔速度为20mm/s；
4)将拉拔好的丝材装入机器，对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；
5)运行程序，开始打印，打印参数为送丝速度为5mm/s，每层焊枪提升高度为 2mm；
6)打印完成后取出打印件，简单处理后测试性能。
实施例6：
一种用电弧增材制造进行铝碳化硅复合丝材打印的方法，包括下述步骤：
1)将质量分数为10％的铝碳化硅复合材料铸锭在150℃条件下保温6h；
2)将处理好的复合材料做等通道挤压，温度为450℃，挤压后变形量为400％；
3)将挤压后的材料预热一段时间后拉拔成丝，拉拔温度在500℃左右，单道次变形量在10％，拉拔速度为20mm/s；
4)将拉拔好的丝材装入机器，对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；
5)运行程序，开始打印，打印参数为送丝速度为5mm/s，每层焊枪提升高度为 2mm；
6)打印完成后取出打印件，简单处理后测试性能。
实施例7：
一种用电弧增材制造进行铝碳化硅复合丝材打印的方法，包括下述步骤：
1)将质量分数为12.5％的铝碳化硅复合材料铸锭在150℃条件下保温6h；
2)将处理好的复合材料做等通道挤压，温度为450℃，挤压后变形量为400％；
3)将挤压后的材料预热一段时间后拉拔成丝，拉拔温度在500℃左右，单道次变形量在10％，拉拔速度为20mm/s；
4)将拉拔好的丝材装入机器，对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；
5)运行程序，开始打印，打印参数为送丝速度为5mm/s，每层焊枪提升高度为 2mm；
6)打印完成后取出打印件，简单处理后测试性能。
实施例8：
一种用电弧增材制造进行铝碳化硅复合丝材打印的方法，包括下述步骤：
1)将质量分数为15％的铝碳化硅复合材料铸锭在150℃条件下保温6h；
2)将处理好的复合材料做等通道挤压，温度为450℃，挤压后变形量为400％；
3)将挤压后的材料预热一段时间后拉拔成丝，拉拔温度在500℃左右，单道次变形量在10％，拉拔速度为20mm/s；
4)将拉拔好的丝材装入机器，对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；
5)运行程序，开始打印，打印参数为送丝速度为5mm/s，每层焊枪提升高度为 2mm；
6)打印完成后取出打印件，简单处理后测试性能。
对上述制得的铝碳化硅材料进行力学性能测试，主要是检测材料的抗拉性能、疲劳强度以及摩擦系数，通过对比不同条件制备的材料的力学性能，可以得到材料成形的最佳条件。
上述实施例制得的铝碳化硅复合材料性能测试结果如表1所示：
表1不同激光功率和扫描速率打印的复合材料性能总结
实施例1～8主要为介绍丝材制备及打印流程，顺便探讨复合材料中碳化硅增强相质量分数及打印中送丝速度对最终材料性能的影响。
比较分析实施例1、5～8可见，相同送丝速度条件下，丝材中碳化硅增强相含量越多，打印件的强度和弹性模量越大，伸长率降低。
比较分析实施例1、5～8可见，丝材制备及打印方法可行，碳化硅质量分数在5～15％范围内时，打印件的抗拉强度在350MPa以上，屈服强度在250MPa 以上，伸长率高于5％。
以上为本发明的优选实例，但本发明的实施并不限于上述实例。本领域人员阅读了上述内容后，任何对于本发明的修改和替代，都可被认为处于本发明的权利要求限定范围内。
Claims (2)
1.一种通过电弧增材制造进行铝碳化硅复合材料丝材打印的方法，其特征在于，所述复合材料由下述配比的物质组成：质量分数5~15%的碳化硅，余量为铝合金；
所述铝合金按照质量分数的组成为：Si 9.0~11 .0%，Mg 0 .2~0 .45%，Zn ≤0 .1%，Fe≤0 .55%，Ti ≤0 .15%，Mn ≤0 .45%，O ≤0 .1%，余量为Al；其余元素单个含量≤0.05%，其余元素合计总含量≤0.15%；
所述方法包含以下步骤：
1）将铝碳化硅复合材料铸锭进行均匀化热处理，所述均匀化热处理的温度为150~300℃，均匀化热处理的时间为4~15h；
2）将处理好的复合材料做等通道挤压，所述等通道挤压的温度为350~550℃；
3）将挤压后的材料预热一段时间后拉拔成丝，拉拔温度在500℃，单道次变形量在
10~30%，拉拔速度为10~50mm/s；
4）将拉拔好的丝材装入机器，对打印工件建模，确定增材层高，对零件数模切片；将模
型导入机器，机器根据增材代码执行操作，进行丝材打印；
5）运行程序，开始打印，打印参数为送丝速度为5~20mm/s，每层焊枪提升高度为1~
3.5mm；
6）打印完成后取出打印件，简单处理，得铝碳化硅复合材料制件。
2.根据权利要求1所述的一种通过电弧增材制造进行铝碳化硅复合材料丝材打印的方法，所述复合材料丝材中碳化硅为颗粒状，中值粒径为3~30μm。
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