CN111992719A - 一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于熔丝高效增材制造技术领域，公开了一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统及制备方法，本发明首先将复合材料待加工部位三维建模，接着进行分层切片，通过控制组件调整打印参数，接着将待加工钢基板固定，开启热源和过渡材料用送丝组件，完成过渡层的一层熔融沉积，然后开启热源和钛丝用送丝组件，完成钛层的一层熔融沉积，根据待加工部位的需要，分别调整过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件的开启和关闭，完成多层钢钛复合材料的熔丝高效增材；本发明所采用的技术柔性高、灵活性更强、周期短，对环境友好，本发明制备的钢钛复合材料可以为钢‑钛双层复合也可以为钢‑钛‑钢‑钛多层复合，复合层数和方式不受限制。
Description
技术领域
本发明属于熔丝高效增材制造技术领域，尤其涉及一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统及制备方法。
背景技术
钛及钛合金密度小、比强度高、具有良好的塑形和韧性，足够的抗腐蚀性和高温强度，在航空航天、生物医疗、石油化工领域都有广泛的应用。钢是国民经济中使用最多的材料，具有高强度、刚性好、导热性好，但耐腐蚀性能差。钛钢复合材料则具有了两种材料共同的优点，既具备了耐腐蚀性、高强度，且价格低廉，是一种性价比极高的新型复合材料。但由于铁在钛中溶解度极低，易形成脆性相金属间化合物，使得钢钛复合材料制备工艺相对复杂。
传统的钢钛复合材料制备方法多为基于扩散原理的爆炸复合法或轧制压接法。爆炸复合法是将两种材料的厚板中间添加过渡材料，利用爆炸巨大的冲击力将相邻接触面金属相互扩散实现冶金结合的过程，制备工艺危险系数高，仅适合厚板加工；轧制压接法一般只能用于钢板一面复合钛板的双层复合板。两种工艺的共同局限性在于适合大尺寸厚规格的板材加工，且制备生产流程长，需要经历原材料冶炼——单一材质板材成型——复合成型多道工序。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统及制备方法，克服了现有技术中的缺陷。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种钢钛复合材料熔丝高效增材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）将复合材料待加工部位三维建模后，利用分层切片软件对三维建模得到的三维模型进行分层切片及打印路径规划，并通过控制组件输出运动机构可识别的运动指令代码；
步骤2）通过控制组件调整热源组件和送丝组件的打印参数，其中打印参数包括热源功率、送丝速度和气体流量；
步骤3）将待加工钢基板固定于加工仓内运动机构的回转台上，运动机构的回转台和机械臂根据输入的运动指令代码协同运动实现钢基板沿X、Y、Z方向正负向移动；
步骤4）将加工仓进行真空处理形成真空仓，或者充入惰性气体形成惰性气体仓；
步骤5）通过控制组件开启热源组件、送丝组件和运动机构，运动机构协同热源组件和送丝组件按照步骤1）中打印路径规划运行，其中送丝组件包括过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件；
步骤6）开启热源组件和过渡材料用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，运动机构协同热源组件和送丝组件自初始位置按照运动指令代码运行，完成过渡层的一层熔融沉积，关闭热源组件和过渡材料用送丝组件，运动机构沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤7）间隔30~60sec，待过渡层完全凝固后，开启热源组件和钛丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钛合金丝材，完成钛层的一层熔融沉积，关闭热源组件和钛丝用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤8）间隔30~60sec，待钛层完全凝固后，再次开启热源组件和过渡材料用送丝组件，根据步骤2）设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，完成过渡层的二层熔融沉积，关闭热源组件和过渡材料用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤9）间隔30~60sec，待过渡层完全凝固后，开启热源组件和钢丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钢丝材，完成钢层的一层熔融沉积，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤10）重复步骤6）~9），完成多层钢钛复合材料的熔丝高效增材。
优选的，所述钢钛复合材料为钢层-过渡层-钛层-过渡层-钢层的双层复合结构，或者钢层-过渡层-钛层-过渡层-钢层……-过渡层-钛层-过渡层-钢层的多层复合结构，其中钢钛复合材料厚度大于2mm，所述钛层的单层厚度≥1mm，钢层的单层厚度≥1mm，过渡层的厚度为0.5~1.2mm，稀释率低于3%，所述钢钛复合材料的结构为平面结构或者曲面结构。
优选的，一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统，所述高效增材制造系统用于制备所述的钢钛复合材料熔丝高效增材，所述高效增材制造系统包括加工仓、运动机构、热源组件、送丝组件和控制组件，其中运动机构、热源组件和送丝组件均设置于加工仓内，所述运动机构包括回转台和机械臂，其中机械臂设置于回转台一侧面，所述热源组件包括法兰、热源控制器和热源输出端，其中法兰将机械臂与热源控制器连接，所述热源控制器下端设置有热源输出端，其中热源输出端与热源控制器电连接，所述送丝组件的送丝端位于热源输出端正下方，其中回转台、机械臂、热源控制器和送丝组件分别与控制组件电连接。
优选的，所述过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件均包括金属丝、校直机构和丝盘，其中丝盘设置于加工仓内的固定支架上，所述校直机构设置于丝盘下方，并且校直机构固定于机械臂一侧面，所述金属丝缠绕于丝盘上接着穿过校直机构延伸至热源组件的热源输出端正下方，所述丝盘通过驱动电机驱动，其中驱动电机与控制组件电连接。
优选的，所述过渡材料用送丝组件的金属丝为过渡金属丝材，其中过渡金属丝材为铌-铜合金、钽-铜合金丝材，其中过渡金属丝材的直径≤0.8mm；所述钛丝用送丝组件的金属丝为钛合金丝材，其中钛合金丝材的直径≥1.2mm；所述钢丝用送丝组件的金属丝为钢丝材，其中钢丝材的直径≥1.2mm。
优选的，所述加工仓连接真空组件，通过真空组件抽真空形成真空仓，真空仓真空度不高于10-2Pa。
优选的，所述加工仓与氩气填充组件的气体管路连接，氩气填充组件通过气体管路给加工仓充入惰性气体形成惰性气体仓，惰性气体仓的水氧含量不高于50ppm，惰性气体仓能充入纯度99.999%的高纯氩气。
优选的，所述热源输出端为等离子电弧、自由电弧、电子束或激光中的一种或两种组合。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
（1）本发明将增材制造技术与传统材料的制备技术相结合，摈弃了传统复合材料制备技术造成的环境污染和加工周期长的缺点，本发明所涉及的复合材料结构不受限制，可以为平直板材也可以为曲面结构；与传统制备技术相比较，本发明所采用的技术柔性高、灵活性更强、周期短，对环境友好；本发明制备的钢钛复合材料可以为钢-钛双层复合也可以为钢-钛-钢-钛多层复合，复合层数和方式不受限制；
（2）本发明钢层和钛层之间设置有过渡层，过渡层的厚度为0.5~1.2mm，厚度较小，层间稀释率低于3%，本发明设置的过渡层由于层间稀释率低、厚度小，并且层间为冶金结合，因此层间结合强度好，制备的复合材料品质高；
（3）本发明所述的熔丝高效增材制造系统设置有三种送丝组件，分别输送过渡金属丝材、钛合金丝材和钢丝材，可以根据需要进行相应丝材的熔融，不需要频繁更换，另外由于各层的厚度要求不同，因此选择不同的丝径，可以更好的配合热源熔融得到不同厚度的层厚，本发明制备方法简单，制备成本低，实际应用效果好；
（4）本发明加工环境为真空或高纯惰性气体环境，有效避免了复合材料氧化、污染，制备复合材料纯净度高，有效避免了压延制备过程中界面氧化问题，是一种高效低能耗制备方式。
附图说明
图1、本发明一种钢钛复合材料熔丝高效增材的制备方法工艺流程图；
图2、本发明一种钢钛复合材料熔丝高效增材的制备方法的钢钛变厚度双层复合材料工艺流程图；
图3、本发明一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统的结构示意图；
图4、本发明钢钛复合材料的结构示意图；
附图标记说明
1、加工仓，2、回转台，3、钢基板，4、过渡层，5、钛层，6、钢层，7、固定支架，8、校直机构，9、金属丝，10、丝盘，11、机械臂，12、法兰，13、热源控制器，14、气体管路，15、热源输出端，16、驱动电机，17、真空组件，18、氩气填充组件。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
如图1所示，一种钢钛复合材料熔丝高效增材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）将复合材料待加工部位三维建模后，利用分层切片软件对三维建模得到的三维模型进行分层切片及打印路径规划，并通过控制组件输出运动机构可识别的运动指令代码；
步骤2）通过控制组件调整热源组件和送丝组件的打印参数，其中打印参数包括热源功率、送丝速度和气体流量；
步骤3）将待加工钢基板3固定于加工仓1内运动机构的回转台2上，运动机构的回转台2和机械臂11根据输入的运动指令代码协同运动实现钢基板3沿X、Y、Z方向正负向移动；
步骤4）将加工仓1进行真空处理形成真空仓，或者充入惰性气体形成惰性气体仓；
步骤5）通过控制组件开启热源组件、送丝组件和运动机构，运动机构协同热源组件和送丝组件按照步骤1）中打印路径规划运行，其中送丝组件包括过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件；
步骤6）开启热源组件和过渡材料用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，运动机构协同热源组件和送丝组件自初始位置按照运动指令代码运行，完成过渡层4的一层熔融沉积，关闭热源组件和过渡材料用送丝组件，运动机构沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤7）间隔30~60sec，待过渡层4完全凝固后，开启热源组件和钛丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钛合金丝材，完成钛层5的一层熔融沉积，关闭热源组件和钛丝用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤8）间隔30~60sec，待钛层5完全凝固后，再次开启热源组件和过渡材料用送丝组件，根据步骤2）设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，完成过渡层4的二层熔融沉积，关闭热源组件和过渡材料用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤9）间隔30~60sec，待过渡层4完全凝固后，开启热源组件和钢丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钢丝材，完成钢层6的一层熔融沉积，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤10）重复步骤6）~9），完成多层钢钛复合材料的熔丝高效增材。
所述三维建模为现有技术，现有方法中可进行三维建模的均可使用，所述分层切片软件为现有技术。
实施例2
优选的，如图4所示，所述钢钛复合材料为钢层-过渡层-钛层-过渡层-钢层的双层复合结构，或者钢层-过渡层-钛层-过渡层-钢层……-过渡层-钛层-过渡层-钢层的多层复合结构，其中钢钛复合材料厚度大于2mm，所述钛层5的单层厚度≥1mm，钢层6的单层厚度≥1mm，过渡层4的厚度为0.5~1.2mm，稀释率低于3%，所述钢钛复合材料的结构为平面结构或者曲面结构。
实施例3
优选的，如图3所示，本发明公开了一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统，所述高效增材制造系统包括加工仓1、运动机构、热源组件、送丝组件和控制组件，其中运动机构、热源组件和送丝组件均设置于加工仓1内，所述运动机构包括回转台2和机械臂11，其中机械臂11设置于回转台2一侧面，所述热源组件包括法兰12、热源控制器13和热源输出端15，其中法兰12将机械臂11与热源控制器13连接，所述热源控制器13下端设置有热源输出端15，其中热源输出端15与热源控制器13电连接，所述送丝组件的送丝端位于热源输出端15正下方，其中回转台2、机械臂11、热源控制器13和送丝组件分别与控制组件电连接。
所述运动机构的回转台2可根据运动指令代码实现沿X、Y、Z方向正负向移动，可进行熔融金属的平面熔融沉积，所述运动机构的机械臂11可相对于回转台2实现沿X、Y、Z方向正负向移动，回转台2也可带动机械臂11实现沿X、Y、Z方向正负向移动。
所述控制组件为PLC控制组件。
实施例4
优选的，如图3所示，所述过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件均包括金属丝9、校直机构8和丝盘10，其中丝盘10设置于加工仓1内的固定支架7上，所述校直机构8设置于丝盘10下方，并且校直机构8固定于机械臂11一侧面，所述金属丝9缠绕于丝盘10上接着穿过校直机构8延伸至热源组件的热源输出端15正下方，所述丝盘10通过驱动电机16驱动，其中驱动电机16与控制组件电连接。
实施例5
优选的，所述过渡材料用送丝组件的金属丝9为过渡金属丝材，其中过渡金属丝材为铌-铜合金、钽-铜合金丝材，其中过渡金属丝材的直径≤0.8mm；所述钛丝用送丝组件的金属丝9为钛合金丝材，其中钛合金丝材的直径≥1.2mm；所述钢丝用送丝组件的金属丝9为钢丝材，其中钢丝材的直径≥1.2mm。
优选的，所述加工仓1连接真空组件17，通过真空组件17抽真空形成真空仓，真空仓真空度不高于10-2Pa。
优选的，所述加工仓1与氩气填充组件18的气体管路14连接，氩气填充组件18通过气体管路14给加工仓1充入惰性气体形成惰性气体仓，惰性气体仓的水氧含量不高于50ppm，惰性气体仓能充入纯度99.999%的高纯氩气。
优选的，所述热源输出端15为等离子电弧、自由电弧、电子束或激光中的一种或两种组合。
实施例6
结合图1和图4对本发明做进一步详细描述，一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造方法，具体实施步骤如下：
步骤1）将待打印尺寸为800×800×4mm复合材料三维建模后，利用分层切片软件对三维模型进行分层切片及打印路径规划，并通过控制组件输出运动机构可识别的运动指令代码；根据工艺窗口设计分层切片层厚，设置钛层5、钢层6和过渡层4的厚度均为1mm，运动机构运动速度为350mm/min，过渡金属丝材的直径为0.8mm，过渡金属丝材选择铌-铜合金丝材，钢丝材和钛合金丝材直径均为1.2mm。
步骤2）通过控制组件调整热源组件和送丝组件的打印参数，其中热源输出端15为等离子电弧，打印参数包括等离子电弧热源功率为3.3kW、送丝速度3m/min、气体流量16L/min；
步骤3）将厚度5mm的待加工钢基板3固定于加工仓1内运动机构的回转台2上，运动机构的回转台2和机械臂11根据输入的运动指令代码协同运动实现钢基板3沿X、Y、Z方向正负向移动；
步骤4）将加工仓1内环境用惰性气体净化处理，保证加工仓1内水氧含量不高于50ppm，惰性气体仓充入纯度99.999%的高纯氩气；
步骤5）通过控制组件开启热源组件、送丝组件和运动机构，运动机构开启后不关闭，运动机构协同热源组件、送丝组件按照步骤1）中打印路径规划运行，其中送丝组件包括过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件；
步骤6）开启热源组件和过渡材料用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，运动机构协同热源组件和送丝组件自初始位置按照运动指令代码运行，完成1mm过渡层4的一层熔融沉积，关闭热源组件和过渡材料用送丝组件，运动机构沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤7）间隔50sec，待过渡层4金属完全凝固后，开启热源组件和钛丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钛合金丝材，完成1mm钛层5的一层熔融沉积，关闭热源组件和钛丝用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤8）间隔50sec，待钛层5金属完全凝固后，再次开启热源组件和过渡材料用送丝组件，根据步骤2）设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，完成1mm过渡层4熔融沉积，关闭热源组件和过渡材料用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤9）间隔50sec，待过渡层4金属完全凝固后，开启热源组件和钢丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钢丝材，完成1mm钢层6的一层熔融沉积，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤10）完成厚度9mm的双层钢钛复合材料的熔丝高效增材，得到平面结构并且基板厚度5mm+4mm复合层。
实施例7
结合图2对本发明做进一步详细描述，一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造方法，具体实施步骤如下：
步骤1）将待打印尺寸为800×800×6mm复合材料三维建模后，利用分层切片软件对三维模型进行分层切片及打印路径规划，并通过控制组件输出运动机构可识别的运动指令代码；根据工艺窗口设计分层切片层厚，设置钛层5厚度为1.2mm，过渡层4厚度为1.2mm，运动机构运动速度为350mm/min，过渡金属丝材的直径为0.8mm，过渡金属丝材选择铌-铜合金丝材，钛合金丝材直径为1.2mm。
步骤2）通过控制组件调整热源组件和送丝组件的打印参数，其中热源输出端15为等离子电弧，打印参数包括等离子电弧热源功率为3.3kW、送丝速度3m/min、气体流量16L/min；
步骤3）将厚度5mm的待加工钢基板3固定于加工仓1内运动机构的回转台2上，运动机构的回转台2和机械臂11根据输入的运动指令代码协同运动实现钢基板3沿X、Y、Z方向正负向移动；
步骤4）加工仓1为真空仓，其中真空仓真空度不高于10-2Pa，
步骤5）通过控制组件开启热源组件、送丝组件和运动机构，运动机构开启后不关闭，运动机构协同热源组件、送丝组件按照步骤1）中打印路径规划运行，其中送丝组件包括过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件；
步骤6）开启热源组件和过渡材料用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，运动机构协同热源组件和送丝组件自初始位置按照运动指令代码运行，完成厚度1.2mm过渡层4的一层熔融沉积，关闭热源和过渡材料用送丝组件，运动机构沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤7）间隔50sec，待过渡层4金属完全凝固后，开启热源组件和钛丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钛合金丝材，完成1.2mm钛层5的一层熔融沉积，关闭热源和钛丝用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤8）重复步骤7）4次，直至完成厚度4.8mm钛层5的复合层打印；
步骤9）完成厚度11mm的单层钢钛复合材料任意结构的熔丝高效增材。
实施例8
结合图1和图4对本发明做进一步详细描述，一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造方法，具体实施步骤如下：
步骤1）将待打印尺寸为800×800×1.6mm复合材料三维建模后，利用分层切片软件对三维模型进行分层切片及打印路径规划，并通过控制组件输出运动机构可识别的运动指令代码；根据工艺窗口设计分层切片层厚，设置钛层5厚度为1mm，过渡层4厚度为0.6mm，运动机构运动速度为350mm/min，钛合金丝材直径为1.2mm，过渡金属丝材的直径为0.8mm，过渡金属丝材选择钽-铜合金丝材。
步骤2）通过控制组件调整热源组件和送丝组件的打印参数，其中热源输出端15为等离子电弧，打印参数包括等离子电弧热源功率为3.3kW、送丝速度3m/min、气体流量16L/min；
步骤3）将厚度5mm的待加工钢基板3固定于加工仓1内运动机构的回转台2上，运动机构的回转台2和机械臂11根据输入的运动指令代码协同运动实现钢基板3沿X、Y、Z方向正负向移动；
步骤4）将加工仓1内环境用惰性气体净化处理，保证加工仓1内水氧含量不高于50ppm，惰性气体仓充入纯度99.999%的高纯氩气；
步骤5）通过控制组件开启热源组件、送丝组件和运动机构，运动机构协同热源组件、送丝组件按照步骤1）中打印路径规划运行，其中送丝组件包括过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件；
步骤6）开启热源组件和过渡材料用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，运动机构协同热源组件和送丝组件自初始位置按照运动指令代码运行，完成0.6mm过渡层4的一层熔融沉积，关闭热源组件和过渡材料用送丝组件，运动机构沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤7）间隔50sec，待过渡层4金属完全凝固后，开启热源组件和钛丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钛合金丝材，完成1mm钛层5的一层熔融沉积，关闭热源和钛丝用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤8）完成钢基板3厚度5mm，钛层5厚度为1mm，总厚度6.6mm的单层钢钛复合材料任意结构的熔丝高效增材。
对比例1
利用现有爆炸复合法制备的复合材料。
厚度300mm钢钛单层复合材料毛坯板材具体实施步骤为：
步骤1）炸药准备，根据钢钛复合材料类型选用炸药；
步骤2）爆炸现场焊前安装、安插警戒旗；
步骤3）在制备好150mm厚的钢基板表面清理，铺设上一层炸药；
步骤4）将已清理150mm厚的钛板放置在炸药上；
步骤5）撤离工作人员；
步骤6）雷管引起爆器，引爆炸药，实施爆炸焊接；
步骤7）板材冷却后，完成厚度300mm钢钛复合材料制备。
对比例2
利用现有轧制压接法制备的复合材料。
制备厚度50mm钢钛复合材料板坯：
步骤1）将钢板和钛板表面清理干净，对接面贴合；
步骤2）用焊接的方法将板坯四周封住，在两块板材之间留有一
抽真空的小孔；
步骤3）将贴合的钢-钛板放置真空加工仓内，加工仓内抽真空处理；
步骤4）真空度到达不高于10-2Pa后，采用电子束封焊预留小孔；
步骤5）加热轧制处理，轧制完成后炉内冷却至室温；
步骤6）板材冷却至室温后，切割校直成型。
步骤7）完成厚度50mm钢钛复合材料板坯制备。
本发明实施例6~8制备的钢钛复合材料与传统钢钛复合材料的对比如表1：
表1：本发明实施例6~8制备的钢钛复合材料与对比例1和2制备的复合材料的对比
| 实施例 | 复合材料厚度（mm） | 复合材料结构 | 制备周期 | 界面结合方式 | 环境污染 |
| 实施例6 | 9 | 任意结构 | 3h | 冶金结合 | 无 |
| 实施例7 | 11 | 任意结构 | 4h | 冶金结合 | 无 |
| 实施例8 | 6.6 | 任意结构 | 1h | 冶金结合 | 无 |
| 对比例1 | 300 | 平面结构 | 8h | 固相结合 | 噪音、冲击波等污染 |
| 对比例2 | 50 | 平面结构 | ＞8h | 固相结合 | 无 |
本发明利用高效增材制造系统制备的钢钛复合材料厚度可以为任意厚度和任意结构，对比例1和2的厚度较大并且为平面结构，不能制备厚度较薄的复合材料和任意结构的复合材料，本发明制备周期短，并且界面结合方式为冶金结合，相对于对比例1和2的固相结合，本发明层间结合强度好，制备的复合材料品质高，并且没有环境污染。
本发明将增材制造技术与传统材料的制备技术相结合，摈弃了传统复合材料制备技术造成的环境污染和加工周期长的缺点，本发明所涉及的复合材料结构不受限制，可以为平直板材也可以为曲面结构；与传统制备技术相比较，本发明所采用技术柔性高、灵活性更强、周期短，对环境友好；本发明制备的钢钛复合材料可以为钢-钛双层复合也可以为钢-钛-钢-钛多层复合，复合层数和方式不受限制。
本发明钢层和钛层之间设置有过渡层，过渡层的厚度为0.5~1.2mm，厚度较小，层间稀释率低于3%，本发明设置的过渡层由于层间稀释率低、厚度小，并且层间为冶金结合，因此层间结合强度好，制备的复合材料品质高。
本发明所述的熔丝高效增材制造系统设置有三种送丝组件，分别输送过渡金属丝材、钛合金丝材和钢丝材，可以根据需要进行相应丝材的熔融，不需要频繁更换，另外由于各层的厚度要求不同，因此选择不同的丝径，可以更好的配合热源熔融得到不同厚度的层厚，本发明制备方法简单，制备成本低，实际应用效果好。
本发明加工环境为真空或高纯惰性气体环境，有效避免了复合材料氧化、污染，制备复合材料纯净度高，有效避免了压延制备过程中界面氧化问题，是一种高效低能耗制备方式。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种钢钛复合材料熔丝高效增材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）将复合材料待加工部位三维建模后，利用分层切片软件对三维建模得到的三维模型进行分层切片及打印路径规划，并通过控制组件输出运动机构可识别的运动指令代码；
步骤2）通过控制组件调整热源组件和送丝组件的打印参数，其中打印参数包括热源功率、送丝速度和气体流量；
步骤3）将待加工钢基板（3）固定于加工仓（1）内运动机构的回转台（2）上，运动机构的回转台（2）和机械臂（11）根据输入的运动指令代码协同运动实现钢基板（3）沿X、Y、Z方向正负向移动；
步骤4）将加工仓（1）进行真空处理形成真空仓，或者充入惰性气体形成惰性气体仓；
步骤5）通过控制组件开启热源组件、送丝组件和运动机构，运动机构协同热源组件和送丝组件按照步骤1）中打印路径规划运行，其中送丝组件包括过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件；
步骤6）开启热源组件和过渡材料用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，运动机构协同热源组件和送丝组件自初始位置按照运动指令代码运行，完成过渡层（4）的一层熔融沉积，关闭热源组件和过渡材料用送丝组件，运动机构沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤7）间隔30~60sec，待过渡层（4）完全凝固后，开启热源组件和钛丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钛合金丝材，完成钛层（5）的一层熔融沉积，关闭热源组件和钛丝用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤8）间隔30~60sec，待钛层（5）完全凝固后，再次开启热源组件和过渡材料用送丝组件，根据步骤2）设置的打印参数熔融送进的过渡金属丝材，完成过渡层（4）的二层熔融沉积，关闭热源组件和过渡材料用送丝组件，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤9）间隔30~60sec，待过渡层（4）完全凝固后，开启热源组件和钢丝用送丝组件，按照步骤2）中设置的打印参数熔融送进的钢丝材，完成钢层（6）的一层熔融沉积，运动机构再次沿X、Y方向运行回初始位置，同时沿Z方向下降到指令代码设置高度；
步骤10）重复步骤6）~9），完成多层钢钛复合材料的熔丝高效增材。
2.根据权利要求1所述的一种钢钛复合材料熔丝高效增材的制备方法，其特征在于：所述钢钛复合材料为钢层-过渡层-钛层-过渡层-钢层的双层复合结构，或者钢层-过渡层-钛层-过渡层-钢层……-过渡层-钛层-过渡层-钢层的多层复合结构，其中钢钛复合材料厚度大于2mm，所述钛层（5）的单层厚度≥1mm，钢层（6）的单层厚度≥1mm，过渡层（4）的厚度为0.5~1.2mm，稀释率低于3%，所述钢钛复合材料的结构为平面结构或者曲面结构。
3.一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统，其特征在于：所述高效增材制造系统用于制备权利要求1、2任一项所述的钢钛复合材料熔丝高效增材，所述高效增材制造系统包括加工仓（1）、运动机构、热源组件、送丝组件和控制组件，其中运动机构、热源组件和送丝组件均设置于加工仓（1）内，所述运动机构包括回转台（2）和机械臂（11），其中机械臂（11）设置于回转台（2）一侧面，所述热源组件包括法兰（12）、热源控制器（13）和热源输出端（15），其中法兰（12）将机械臂（11）与热源控制器（13）连接，所述热源控制器（13）下端设置有热源输出端（15），其中热源输出端（15）与热源控制器（13）电连接，所述送丝组件的送丝端位于热源输出端（15）正下方，其中回转台（2）、机械臂（11）、热源控制器（13）和送丝组件分别与控制组件电连接。
4.根据权利要求3所述的一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统，其特征在于：所述过渡材料用送丝组件、钛丝用送丝组件和钢丝用送丝组件均包括金属丝（9）、校直机构（8）和丝盘（10），其中丝盘（10）设置于加工仓（1）内的固定支架（7）上，所述校直机构（8）设置于丝盘（10）下方，并且校直机构（8）固定于机械臂（11）一侧面，所述金属丝（9）缠绕于丝盘（10）上接着穿过校直机构（8）延伸至热源组件的热源输出端（15）正下方，所述丝盘（10）通过驱动电机（16）驱动，其中驱动电机（16）与控制组件电连接。
5.根据权利要求4所述的一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统，其特征在于：所述过渡材料用送丝组件的金属丝（9）为过渡金属丝材，其中过渡金属丝材为铌-铜合金或钽-铜合金丝材，其中过渡金属丝材的直径≤0.8mm；所述钛丝用送丝组件的金属丝（9）为钛合金丝材，其中钛合金丝材的直径≥1.2mm；所述钢丝用送丝组件的金属丝（9）为钢丝材，其中钢丝材的直径≥1.2mm。
6.根据权利要求3所述的一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统，其特征在于：所述加工仓（1）连接真空组件（17），通过真空组件（17）抽真空形成真空仓，真空仓真空度不高于10-2Pa。
7.根据权利要求3所述的一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统，其特征在于：所述加工仓（1）与氩气填充组件（18）的气体管路（14）连接，氩气填充组件（18）通过气体管路（14）给加工仓（1）充入惰性气体形成惰性气体仓，惰性气体仓的水氧含量不高于50ppm，惰性气体仓能充入纯度99.999%的高纯氩气。
8.根据权利要求3所述的一种钢钛复合材料熔丝高效增材制造系统，其特征在于：所述热源输出端（15）为等离子电弧、自由电弧、电子束或激光中的一种或两种组合。
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