CN112276294A - 一种异质网格结构层状复合材料及其双丝电弧增材制造方法 - Google Patents

一种异质网格结构层状复合材料及其双丝电弧增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异质网格结构层状复合材料及其双丝电弧增材制造方法，该异质网格结构层状复合材料，由若干沉积层堆叠形成；所述沉积层包括若干数量相同形状、相等体积、沿横向和纵向均交替排列的硬质材料子单元和软质材料子单元；相邻所述沉积层之间的各硬质材料子单元和软质材料子单元均为交替排列；本发明利用增材制造技术层状堆积的特点，在单层沉积过程中，通过计算机程序编译送丝方式，使焊丝呈间歇性过渡，从而在单沉积层中实现异质材料的交替制备，在整体试样表现为异质网格层状复合材料。

Description

一种异质网格结构层状复合材料及其双丝电弧增材制造方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体来说涉及一种异质网格结构层状复合材料及其双丝电弧增材制造方法。
背景技术
金属基层状复合材料是利用复合技术将两种或多种物理、化学与机械性能不同的金属之间实现牢固冶金结合而得到的新型材料，金属基层状复合材料综合了各组员的优点，其协同增强的特殊效应使其具有单一组员无法比拟的优异综合性能。典型的金属基层状复合材料包括金属-金属类、金属-金属间化合物类和金属-陶瓷类，其主要的制备方法包括(1)沉积技术，如气相沉积、激光沉积、磁控溅射和电镀等；(2)复合技术，如轧制、挤压、钎焊、搅拌摩擦焊、扩散连接等。利用这些制备技术已经问世的金属基层状复合材料有Al-Cu叠轧板、Al包Cu、Mo-Cu、Mg-Al、Al-Ti-Al、Ni-Ni3Al、Ti-Ti3Al、Al-Al2O3等材料。此外，近年来快速发展的以激光粉末床和电子束粉末床为代表的增材制造技术，利用控制粉末的成分也易于实现沿沉积方向有梯度成分及梯度性能变化的新型层状复合材料。
层状复合材料利用能量耗散机制，其结构设计通过增加裂纹偏转降低高强低韧组员因韧性差而发生突发性断裂的致命弱点，减小材料的原始裂纹缺陷对力学性能的影响，减弱缺陷敏感性。然而，受限于上述制备方法，这些金属基层状复合材料仅具有单一维度的复合结构，对于多组元的协同增强效应提升有限。制备三维的异质网格层状复合材料则能最大程度利用能量耗散原理提升复合材料的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种异质网格结构层状复合材料及其双丝电弧增材制造方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种异质网格结构层状复合材料，由若干沉积层堆叠形成；
所述沉积层包括若干数量相同形状(近似长方体)、相等体积、沿横向和纵向均交替排列的硬质材料子单元和软质材料子单元；
相邻所述沉积层之间的各硬质材料子单元和软质材料子单元均为交替排列；
即任意位置处的硬质材料子单元其前后左右上下(若存在)均为软质材料子单元，任意位置处的软质材料子单元其前后左右上下(若存在)均为硬质材料子单元；
所述的硬质材料子单元和所述软质材料子单元之间形成有过渡冶金界面，过渡冶金界面为硬质材料与软质材料焊接过程中形成的混合态金属结构。
在上述技术方案中，所述硬质材料子单元的材料为Ni3Al、NiAl、Fe3Al、TiAl、Al3Ti金属间化合物材料中的至少一种。
在上述技术方案中，所述软质材料子单元为纯镍及镍基合金、纯钛及钛合金、纯铁及铁合金中的至少一种。
在上述技术方案中，所述硬质材料子单元和软质材料子单元，在简化为长方体的条件下，尺寸为：长8-10mm，宽8-10mm，厚2-3mm。
在上述技术方案中，所述过渡冶金界面层的厚度为300-500μm。
一种异质网格结构层状复合材料的双丝电弧增材制造方法，包括如下步骤：
步骤一、原材料准备：分别准备基板材料、主要成分为软质材料子单元的焊丝A，可与焊丝A反应生成硬质材料子单元的焊丝B。
步骤二、设备准备：分别准备两台独立送丝的送丝机，一台工业数据采集与控制板卡，一台计算机，一台非熔化极气体保护焊焊机及焊枪，一台可实现路径规划的工业六轴关节焊接机器人。其中工业数据采集与控制板卡连接两台独立送丝的送丝机，工业数据采集与控制板卡与计算机相连接；焊枪与非熔化极气体保护焊焊机相连，焊枪装配在工业六轴关节焊接机器人上。
步骤三、送丝程序编译：利用工业数据采集与控制板卡对装有焊丝A和焊丝B的两台独立送丝机分别进行控制，使焊丝A以匀速进行送进，编译程序C使得焊丝B以波形图C1送进；编译程序D使得焊丝B以波形图D1送进；
步骤四、材料制备：
1)根据复合材料构件外形，对工业六轴关节焊接机器人进行路径规划；
2)将打磨、清洗、烘干后的基板固定于工作台上；
3)启动程序C，启动机器人带动电弧热源配合送丝机自动填丝完成沉积层单元的制备；
4)启动程序D，启动机器人带动电弧热源配合送丝机自动填丝完成下一个沉积层单元的制备；
5)重复进行步骤3)和4)直至复合材料构件完全成型。
本发明的优点和有益效果为：
1.利用增材制造技术层状堆积的特点，在单层沉积过程中，通过计算机程序编译送丝方式，使焊丝呈间歇性过渡，从而在单沉积层中实现异质材料的交替制备，在整体试样表现为异质网格层状复合材料。
2.利用双丝送进系统，可以适用于金属-金属层状材料和金属-金属间化合物材料。装置完全依托于现有焊接设备与市场现有商业焊丝，无须额外的设备研发费用，所述电弧填丝过程均由六轴关节机器人编制程序控制，可进行自动化操作，工作效率高。
3.相对于仅具有单一维度的复合结构金属基层状复合材料，本发明异质网格结构层状复合材料获得了多组元间的协同增强效应提升，进一步减小材料的原始裂纹缺陷对力学性能的影响，减弱缺陷敏感性，最大程度利用能量耗散原理提升复合材料的综合性能。
附图说明
图1为本发明实验装置装配示意图。
图2a为焊丝B送进波形图C1。
图2b为焊丝B送进波形图D1。
图3为异质网格层状复合材料结构组成示意图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种异质网格结构层状复合材料，由若干沉积层堆叠形成；
所述沉积层包括若干数量相同形状(近似长方体)、相等体积、沿横向和纵向均交替排列的硬质材料子单元和软质材料子单元；
相邻所述沉积层之间的各硬质材料子单元和软质材料子单元均为交替排列；
即任意位置处的硬质材料子单元其前后左右上下(若存在)均为软质材料子单元，任意位置处的软质材料子单元其前后左右上下(若存在)均为硬质材料子单元；
所述的硬质材料子单元和所述软质材料子单元之间形成有过渡冶金界面，过渡冶金界面为硬质材料与软质材料焊接过程中形成的混合态金属结构。
所述硬质材料子单元的材料为Ni3Al；所述软质材料子单元为纯镍。所述硬质材料子单元和软质材料子单元，在简化为长方体的条件下，尺寸为：长10mm，宽8-10mm，厚2-3mm。所述过渡冶金界面层的厚度为300-500μm。
实施例2
一种Ni-Ni3Al异质网格结构层状复合材料的双丝电弧增材制造方法，包括如下步骤：
(1)原材料准备：以直径为1.2mm的纯Ni焊丝与纯Al焊丝为原材料，制备Ni-Ni3Al异质网格层状复合材料。
(2)设备准备：分别准备两台独立送丝的送丝机，一台研华USB-4718A工业数据采集与控制板卡，一台计算机，一台TransTig5000型非熔化极气体保护焊焊机及水冷焊枪，钨极直径为2.4mm，焊接电流为120安培，机器人带动电弧热源以2毫米每秒的扫描速度，一台可实现路径规划的ABB-2600型工业六轴关节焊接机器人。其中工业数据采集与控制板卡连接两台独立送丝的送丝机，工业数据采集与控制板卡与计算机相连接；焊枪与非熔化极气体保护焊焊机相连，焊枪装配在工业六轴关节焊接机器人上。
(3)送丝程序编译：采用研华USB-4718A板卡实现两个独立的自动送丝机构按照预设波形进行填丝。其中Al丝的送丝速度为50cm/min，Ni丝的送丝速度为150cm/min。每隔5秒，采用板卡实现Al的送丝速度在0和50cm/min切换，Ni丝保持恒定速度。
(4)材料制备：
1)根据复合材料构件外形，对工业六轴关节焊接机器人进行路径规划；
2)将打磨、清洗、烘干后的纯镍基板固定于工作台上；
3)启动程序C，Al丝的初始速度为0cm/min，Ni丝送丝速度恒定为150cm/min，启动机器人带动电弧热源配合送丝机自动填丝完成沉积层单元的制备；
4)启动程序D，Al丝的初始速度为50cm/min，Ni丝送丝速度恒定为150cm/min，启动机器人带动电弧热源配合送丝机自动填丝完成下一个沉积层单元的制备；
5)重复进行步骤3)和4)直至外形尺寸为100mm长、10mm宽、50mm高的“壁”式构件复合材料构件完全成型。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种异质网格结构层状复合材料，其特征在于：由若干沉积层堆叠形成；
所述沉积层包括若干数量相同形状、相等体积、沿横向和纵向均交替排列的硬质材料子单元和软质材料子单元；
相邻所述沉积层之间的各硬质材料子单元和软质材料子单元均为交替排列；
即任意位置处的硬质材料子单元其前后左右上下均为软质材料子单元，任意位置处的软质材料子单元其前后左右上下均为硬质材料子单元；
所述的硬质材料子单元和所述软质材料子单元之间形成有过渡冶金界面，过渡冶金界面为硬质材料与软质材料焊接过程中形成的混合态金属结构。
2.根据权利要求1所述的一种异质网格结构层状复合材料，其特征在于：所述硬质材料子单元的材料为Ni3Al、NiAl、Fe3Al、TiAl、Al3Ti金属间化合物材料中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种异质网格结构层状复合材料，其特征在于：所述软质材料子单元为纯镍及镍基合金、纯钛及钛合金、纯铁及铁合金中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种异质网格结构层状复合材料，其特征在于：所述硬质材料子单元和软质材料子单元尺寸为：长8-10mm，宽8-10mm，厚2-3mm。
5.根据权利要求1所述的一种异质网格结构层状复合材料，其特征在于：所述过渡冶金界面层的厚度为300-500μm。
6.一种异质网格结构层状复合材料的双丝电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、原材料准备：分别准备基板材料、主要成分为软质材料子单元的焊丝A，可与焊丝A反应生成硬质材料子单元的焊丝B；
步骤二、设备准备：分别准备两台独立送丝的送丝机，一台工业数据采集与控制板卡，一台计算机，一台非熔化极气体保护焊焊机及焊枪，一台可实现路径规划的工业六轴关节焊接机器人，其中工业数据采集与控制板卡连接两台独立送丝的送丝机，工业数据采集与控制板卡与计算机相连接；焊枪与非熔化极气体保护焊焊机相连，焊枪装配在工业六轴关节焊接机器人上；
步骤三、送丝程序编译：利用工业数据采集与控制板卡对装有焊丝A和焊丝B的两台独立送丝机分别进行控制，使焊丝A以匀速进行送进，编译程序C使得焊丝B以波形图C1送进；编译程序D使得焊丝B以波形图D1送进；
步骤四、材料制备：
1)根据复合材料构件外形，对工业六轴关节焊接机器人进行路径规划；
2)将打磨、清洗、烘干后的基板固定于工作台上；
3)启动程序C，启动机器人带动电弧热源配合送丝机自动填丝完成沉积层单元的制备；
4)启动程序D，启动机器人带动电弧热源配合送丝机自动填丝完成下一个沉积层单元的制备；
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