CN112775437A

CN112775437A - 一种轻金属基复合材料部件及其制备方法

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Publication number: CN112775437A
Application number: CN202011537335.9A
Authority: CN
Inventors: 尹冬弟; 万有富; 郭阳阳; 江志伟
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2040-12-23
Also published as: CN112775437B

Abstract

本发明提供了一种轻金属基复合材料部件及其制备方法，其制备方法为：将增强体调成糊状，得增强体糊，然后将增强体糊按照设计路径沉积在轻金属基体表面，形成增强体层，再将金属带材按照同样路径压在增强体层上面形成金属带材层，重复上述操作，形成叠层，最后利用电弧热将形成的叠层融化形成熔池，冷却凝固，制得，其中增强体层的涂覆量为5‑50mg/cm²。该制备方法可有效解决现有的制备方法存在的工艺复杂，材料利用率低的问题。

Description

一种轻金属基复合材料部件及其制备方法

技术领域

本发明属于轻金属基复合材料制造技术领域，具体涉及一种轻金属基复合材料部件及其制备方法。

背景技术

镁合金、铝合金轻金属材料具有密度低、比强度、比刚度高等优点，被广泛地应用于制造工业中，逐渐成为最具应用前景的轻质有色金属材料。近年来，随着航空航天等工业技术的高速发展，对轻金属高性能块体复合材料的要求越来越高。采用复合强化是提高镁、铝合金综合性能的一种有效途径。通过向镁合金中加入高强度、高弹性模量、高熔点的纤维、晶须或颗粒等制成镁、铝基复合材料后，镁、铝合金的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。镁、铝基复合材料制备和加工已经成为新材料研发的重要领域。然而当硬质增强体加入较软基体后，使复合材料的组织变化与控制较传统材料更加复杂，如果加工工艺不当则容易出现开裂、颗粒断裂和界面脱粘等问题，进一步恶化颗粒增强镁、铝基复合材料的热加工性，导致镁、铝基复合材料的热加工难以进行。开发新型镁、铝基复合材料制备和成型工艺成为研制综合性能优越的镁、铝基复合材料所面临的关键问题。

电弧增材制造是一种新型制造技术，利用电弧的热量将丝状或带状金属材料加热熔化逐层堆积形成三维实体工件。近年来，金属增材制造技术发展迅速，这主要是因为采用增材制造技术可以实现整体件的近净成形，降低成本、缩短制造周期、降低能耗。电弧增材制造过程中，熔化成液态的填充丝材在熔池受到电磁场、热场、流场作用，充分搅拌并快速凝固，成型件由全焊缝金属组成，化学成分均匀、致密度高；在多层堆积过程中，零件经历多次加热，得到多次淬火和回火，可以消除宏观偏析、内部性能不一致等问题。如果能将电弧增材技术应用到镁铝复合材料制备技术中，便可有效解决现有的镁基复合材料制备过程工艺复杂、材料利用率低等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种轻金属基复合材料部件及其制备方法，该制备方法可有效解决现有的制备方法存在的工艺复杂，材料利用率低的问题。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轻金属基复合材料部件的制备方法，将增强体调成糊状，得增强体糊，然后将增强体糊按照设计路径沉积在轻金属基体表面，形成增强体层，再将金属带材按照同样路径压在增强体层上面形成金属带材层，重复上述操作，形成叠层，最后利用电弧热将形成的叠层融化形成熔池，冷却凝固，制得，其中增强体层的涂覆量为5-50mg/cm²。

进一步地，轻金属基体和金属带材的材质均为金属镁。

上述方案中，增强体可改变金属带材的性质，在保留镁金属原有的密度小，阻尼性能好的优点的前提下，进一步提高部件的比强度、比刚度、耐高温、耐磨损等性能，制备过程中，先将增强体调成糊状，糊状的增强体便于涂覆固定在轻金属基体上，同时，还可以起到一定的粘接作用，用于将金属带材进行固定，方便后续进行电弧焊接过程，简化操作流程，提高操作方便性；增强体糊和金属带材叠加的层数可根据所需的厚度进行调整，具有可调性，提高操作的方便性；最后再利用电弧热将所形成的叠层融化形成熔池即可，融化过程中，利用电弧电磁力的搅拌作用将夹在中间层的增强体均匀分散，使形成的部件致密性高、化学成分均匀，整个制备工艺原理简单，便于操作，原料利用率高，极少出现原料浪费的现象。本发明中可根据轻金属器件的需要，调整增强体层的涂覆量。

进一步地，增强体糊的制备过程如下：向增强体中加入易挥发液体对增强体进行分散，然后对其进行超声处理形成糊状即可，超声处理功率为250W，频率为40KHz，处理时间为30min。

上述方案中，使用易挥发液体对增强体进行分散，在利用电弧热加热过程中，液体遇高温可快速蒸发，提高增强体的分散性能；采用超声处理的方式对增强体和溶液进行处理，即可提高增强体在溶液中的分散度，提高分散的均匀性。

进一步地，易挥发液体为乙醇或丙酮。

上述方案中，乙醇和丙酮原料易得，价格低廉，挥发性能好，使用乙醇或丙酮作为溶剂，可提高溶解增强体的分散的均匀性，加快后续挥发速度，同时，可降低生产成本。

进一步地，增强体的粒径为纳米或微米级，所述增强体为SiC、Al₂O₃、TiC、WC、ZrO₂、B₄C、石墨、金刚石、碳纳米管、晶须和石墨烯中的至少一种。

上述方案中，纳米级或微米级的增强体可均匀分散于可挥发性溶液中，加热后也可均匀分散于熔池中，提高分散的均匀性和制得的零部件的性能。

进一步地，金属带材的材质与轻金属基体相同，所述金属带材的厚度为0.5-3mm，宽度为3-10mm。

进一步地，增强体层和金属带材层所形成的叠层厚度为过3-5mm。

进一步地，电弧热热源为TIG或等离子弧。

本发明中的电弧热源采用非熔化极惰性气体保护焊，其焊接工艺参数包括：焊接电流为50-350A，焊枪移动速度为0.2-0.5mm/min，保护气体流量为10-25L/min，非熔化极金属直径为1.8-3.2mm；

使得液态熔池始终处于惰性气氛保护(例如氩气或氦气)，可有效阻止周围环境空气的毒害作用。

本发明所产生的有益效果为：

与现有技术相比，本发明基于电弧增材技术，将增强体与部件进行融合，提高所形成部件的性能，操作过程中利用有机溶剂将增强体进行分散，提高增强体与轻金属基，增强体与金属带材的粘附效果，进而提高后续利用电弧热将增强体与金属带材进行融合操作的方便性，简化操作工艺，提高材料的利用率，减少材料浪费。

附图说明

图1为制备装置的结构示意图；

附图标记：1、轻金属基；2、增强体层；3、金属带材；4、弹性压轮；41、弹簧；42、滚轮；5、电弧热源；6、超声震动枪；7、增强体；8、工装台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

附图1为制备该轻金属基复合材料部件制备装置的结构示意图，使用过程中通过弹性压轮将金属带材进行按压固定，然后通过电弧热源对金属带材进行加热形成熔池，冷却后，实现将增强体加入轻金属基中，提高轻金属基的性能的目的，该装置可进一步提高操作的方便性，避免金属带材位置偏移。

实施例1

一种轻金属基复合材料部件的制备方法，具体操作为：对待沉积的镁基基体表面进行打磨，去除镁基基体表面的油污，然后风干；向SiC增强体中加入乙醇，并进行超声处理，超声处理功率为250W，频率为40khz，处理时间为30min，将SiC增强体调成糊状，得SiC增强体糊，然后将SiC增强体糊按照设计路径涂抹沉积在镁基基体表面，形成SiC增强体层，其中SiC增强体的涂覆量为5mg/cm²，再将厚度为0.5mm，宽度为3mm的镁基带材按照同样路径压在增SiC强体层上面形成镁基带材层，重复上述操作，形成厚度为1mm的叠层，最后利用钨极惰性气体保护焊电弧将形成的叠层融化形成熔池，焊接电流为350A，焊枪移动速度为0.5mm/min，保护气体流量为25L/min，钨极金属直径为3.2mm；冷却凝固，制得。

实施例2

一种轻金属基复合材料部件的制备方法，具体操作为：对待沉积的金属基体表面进行打磨，去除基体表面的油污，然后风干；向ZrO2增强体中加入乙醇，并进行超声处理，超声处理功率为250W，频率为40khz，处理时间为30min，将ZrO₂增强体调成糊状，得ZrO₂增强体糊，然后将ZrO₂增强体糊按照设计路径涂抹沉积在镁基基体表面，形成ZrO₂增强体层，其中ZrO₂增强体的涂覆量为45mg/cm²，再将厚度为2mm，宽度为8mm的镁基带材按照同样路径压在增ZrO₂强体层上面形成镁基带材层，重复上述操作，形成厚度为5mm的叠层，最后利用钨极惰性气体保护焊电弧将形成的叠层融化形成熔池，焊接电流为250A，焊枪移动速度为0.3mm/min，保护气体流量为15L/min，钨极金属直径为2mm，冷却凝固，制得。

实施例3

一种轻金属基复合材料部件的制备方法，具体操作为：对待沉积的金属基体表面进行打磨，去除基体表面的油污，然后风干；向金刚石增强体中加入丙酮，并进行超声处理，超声处理功率为250W，频率为40khz，处理时间为30min，将金刚石增强体调成糊状，得金刚石增强体糊，然后将金刚石增强体糊按照设计路径涂抹沉积在镁基基体表面，形成金刚石增强体层，其中金刚石增强体的涂覆量为30mg/cm²，再将厚度为1mm，宽度为5mm的镁基带材按照同样路径压在金刚石增强体层上面形成镁基带材层，重复上述操作，形成厚度为4mm的叠层，最后利用钨极惰性气体保护焊电弧将形成的叠层融化形成熔池，焊接电流为50A，焊枪移动速度为0.2mm/min，保护气体流量为10L/min，钨极金属直径为1.8mm，冷却凝固，制得。

对比例1

一种轻金属基复合材料部件的制备方法，具体操作为：对待沉积的金属基体表面进行打磨，去除基体表面的油污，然后风干；向金刚石增强体中加入水，并进行超声处理，超声处理功率为250W，频率为40khz，处理时间为30min，将金刚石增强体调成糊状，得金刚石增强体糊，然后将金刚石增强体糊按照设计路径涂抹沉积在轻金属基体表面，形成金刚石增强体层，其中金刚石增强体的涂覆量为4mg/cm²，再将厚度为1mm，宽度为5mm的金属带材按照同样路径压在增金刚石强体层上面形成金属带材层，重复上述操作，形成厚度为6mm的叠层，最后利用钨极惰性气体保护焊电弧将形成的叠层融化形成熔池，焊接电流为50A，焊枪移动速度为0.2mm/min，保护气体流量为10L/min，钨极金属直径为1.8mm，冷却凝固，制得。

试验例

分别对实施例1-3和对比例1中制得的轻金属基部件进行检测，可知实施例1-3中的部件表面均未出现裂缝和脱粘的情况，对比例1中的部件表面也未出现脱粘和裂缝现象，但是对比例1部件表面的平整度不如实施例1-3中的平整度，证明对比例中用水作为增强体溶剂时会影响部件的性能。通过本申请中的制备过程可以看出，本申请的制备方法整体操作过程简单，方便进行，材料在制备过程中的利用率相对较高。

Claims

1.一种轻金属基复合材料部件的制备方法，其特征在于，将增强体调成糊状，得增强体糊，然后将增强体糊按照设计路径沉积在轻金属基体表面，形成增强体层，再将金属带材按照同样路径压在增强体层上面形成金属带材层，重复上述操作，形成叠层，最后利用电弧热将形成的叠层融化形成熔池，冷却凝固，制得，其中增强体层的涂覆量为5-50mg/cm²。

2.如权利要求1所述的轻金属基复合材料部件的制备方法，其特征在于，所述轻金属基体和金属带材的材质均为金属镁。

3.如权利要求1所述的轻金属基复合材料部件的制备方法，其特征在于，所述增强体糊的制备过程如下：向增强体中加入易挥发液体对增强体进行分散，然后对其进行超声处理形成糊状即可。

4.如权利要求3所述的轻金属基复合材料部件的制备方法，其特征在于，所述易挥发液体为乙醇或丙酮。

5.如权利要求1所述的轻金属基复合材料部件的制备方法，其特征在于，所述增强体的粒径为纳米或微米级，所述增强体为SiC、Al₂O₃、TiC、WC、ZrO₂、B₄C、石墨、金刚石、碳纳米管、晶须和石墨烯中的至少一种。

6.如权利要求1所述的轻金属基复合材料部件的制备方法，其特征在于，所述金属带材的材质与轻金属基体相同，所述金属带材的厚度为0.5-3mm，宽度为3-10mm。

7.如权利要求1所述的轻金属基复合材料部件的制备方法，其特征在于，所述增强体层和金属带材层所形成的叠层厚度为3-5mm。

8.如权利要求1所述的轻金属基复合材料部件的制备方法，其特征在于，所述电弧热热源为TIG或等离子弧。

9.如权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到轻金属基复合材料部件。