CN113102775A - 一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法 - Google Patents

一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，包括如下步骤：1）将构件模型导入到专业的切片软件中进行路径规划，并与增材制造系统进行通信，同时将基板打磨光滑并进行装夹固定；2）将铝合金和增稠剂在所述增材制造系统里进行共同沉积，在电弧搅拌作用下提高铝合金熔池黏度；3）熔池凝固形成铝构件后，将发泡剂分散溶液均匀喷涂在铝构件表面；4）待下层铝构件沉积之前和冷却至层间温度后，在铝构件表面继续喷涂发泡剂分散溶液；5）重复上述步骤2）至步骤4），直到铝构件打印完成，从而形成具有特定形状的泡沫铝构件。本发明能够实现发泡、制备一体化成型，减少了工艺复杂性，提高了生产效率。

Description

一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法
技术领域
本发明涉及泡沫铝制备技术领域，具体涉及一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法。
背景技术
泡沫铝是在纯铝或者铝合金中添加发泡剂，经过发泡工艺制成的具有含有大量闭合空隙的铝基金属材料，其兼顾了金属和泡沫材料特征，具有良好的吸能减震、抗腐蚀、隔音降噪、抗电子屏蔽的作用。其密度仅为金属铝的10%~40%，抗弯比刚度为钢的1.5倍，阻尼性能为金属铝的5~10倍，隔音系数在0.8以上，导热系数较低，相当于大理石材料。由于其优异的物理、力学性能，在航空航天、交通运输和建筑结构工业等领域得到广泛应用。传统制备泡沫铝工艺包括：固态金属烧结法、液态金属凝固法、金属沉积法、二次发泡法、金属空心球法等。
公开号为CN105135947A的发明专利公开了一种包含梯度分布的泡沫铝层的轻质复合防弹板，该轻质复合防弹板由面板和背板通过胶粘剂粘合在一起，该面板为陶瓷板；背板包括纤维增强树脂基复合材料层和泡沫铝层；该泡沫铝层呈梯度分布且置于两层纤维增强树脂基复合材料层之间，通过胶粘剂粘合在一起，该泡沫铝层的孔隙率沿着弹体入射方向逐渐减小。采用该方法制备的梯度材料各层之间结合强度不够。公开号为CN106583739A的发明专利公开了一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板及其制造方法，首先将铝粉或铝合金粉与发泡剂氢化钛粉均匀混合得到混合粉末，再将下面板合金粉末、混合粉末和上面板合金粉末依次装入钢模具中，三种粉体呈层状分布，然后置于热压机中热压致密化获得可发泡的夹心板预制件，最后预制件加热发泡，获得具有梯度界面的泡沫铝夹心板，采用该方法虽然能够制备夹心板材，但难以实现梯度材料复杂构件的制备。
传统工艺制备泡沫铝构件方法大都是先制备泡沫铝，再通过机械加工获得所需零件，加工工艺复杂，效率低，小批量的复杂构件难以制备。此外，泡沫铝制备过程难以任意控制和调整结构参数，无法实现具有梯度结构的泡沫铝构件的制备，从而限制了泡沫铝材料在仿生结构中的应用，因此开发泡沫铝合金新的制备工艺意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，用于实现泡沫铝合金构件的高效小批量制造，解决常规增材方法加工困难，加工工序复杂的缺点；同时基于增材制造的逐层沉积特性，实现泡沫铝梯度材料、非均质仿生材料的制备。
为了达到上述的目的，本发明提供了如下技术方案：
一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，包括如下步骤：1）将构件模型导入到专业的切片软件中进行路径规划，并与增材制造系统进行通信，同时将基板打磨光滑并进行装夹固定；2）将铝合金和增稠剂在所述增材制造系统里进行共同沉积，在电弧搅拌作用下提高铝合金熔池黏度；3）熔池凝固形成铝构件后，将发泡剂分散溶液均匀喷涂在铝构件表面；4）待下层铝构件沉积之前和冷却至层间温度后，在铝构件表面继续喷涂发泡剂分散溶液；5）重复上述步骤2）至步骤4），直到铝构件打印完成，从而形成具有特定形状的泡沫铝构件。
增材制造作为新兴的材料制备方法，可以实现材料的逐层逐道沉积，在制备梯度材料方面具有重要潜力。采用增材制造技术制备泡沫铝合金构件可实现材料制备和成形的一体化加工过程，极大的提高生产效率，适用于小批量的泡沫铝合金构件生产。增材制造的逐层沉积特性能够实现泡沫铝材料气孔的梯度分布，能够完成梯度材料、非均质仿生结构材料的制备。
步骤3）中喷涂发泡剂分散溶液，在不送丝的情况下能够利用电弧的热量实现铝合金的发泡。步骤4）中继续喷涂发泡剂分散溶液，能够避免由于电弧热源作用使得已经制备完成的泡沫铝出现塌陷。
进一步的，步骤2）中，所述铝合金和所述增稠剂在所述增材制造系统里进行共同沉积的步骤为：铝合金丝由送丝机送入到熔池中，所述增稠剂由送粉系统送入到熔池中，沉积完成后，采用电弧进行多次表面快速扫描。电弧的多次表面扫描，能够加速沉积速度。
进一步的，所述扫描的方向与增材的方向垂直。
进一步的，所述送丝机送出的铝合金丝直径为1.0mm-1.6mm，所述增稠剂为MnO2、Ca、Mg、SiC、Al2O3中的任意一种与铝合金粉末的混合物。
进一步的，所述增稠剂成分配比的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 795513DEST_PATH_IMAGE002
为增稠剂中MnO2、Ca、Mg、SiC、Al2O3中的任意一种的含量，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为铝丝的密度，
Figure 774971DEST_PATH_IMAGE004
为送丝速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为铝合金丝直径，
Figure 898916DEST_PATH_IMAGE006
为送粉速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为常用增稠剂含量，所述增稠剂含量为1.5-2%。
进一步的，所述发泡剂分散溶液中的发泡剂为化学镀镍后的Ni/TiH2复合粉末；所述发泡剂分散溶液为化学镀镍后的Ni/TiH2复合粉末均匀的分散在丙酮或者乙醇溶液中经超声处理形成发泡剂分散溶液，所述发泡剂分散溶液为悬浊液，所述悬浊液中的固液体积比为(1-5):100，所述发泡剂分散溶液的喷涂厚度为200μm-300μm。本发明能够通过控制发泡剂分散溶液的浓度实现不同孔径泡沫铝合金制备，本发明将悬浊液体积比设置为(1-5):100，制备的泡沫铝构件材料的平均孔径为0.8mm-1.3mm，能够很好的实现梯度泡沫铝构件的制备。同时通过发泡剂的定制性添加实现非均质仿生结构的打印。通过超声处理，能够使发泡剂在丙酮或者乙醇溶液中充分分散，避免沉底，同时使喷涂构件时更加均匀，其中超声处理时间可以为20-40min，超声频率为100-150HZ。本发明喷涂发泡剂分散溶液可以选用专门的喷涂装置，如喷枪、喷壶等，能够更好更均匀的进行喷涂，从而促进构件更好的发泡。
进一步的，步骤1）中所述基板为铝合金，所述基板厚度大于15mm，能够减少基板变形对增材过程的影响。
进一步的，步骤2）中所述电弧为等离子弧或者TIG热源，增材过程中铝构件单层沉积厚度为1.5mm-2mm。单层沉积厚度设置为1.5mm-2mm，能够更好的实现逐层沉积进而实现梯度泡沫铝合金构件的制备。
进一步的，步骤4）中所述层间温度为100℃-200℃。以保证发泡剂粉末和构件表面有附着力，避免在后续的增材过程中被吹飞。
进一步的，还包括步骤6），所述步骤6）为增材完成后将基板进行切除，然后将泡沫铝构件置于550℃-600℃环境下进行热处理，保温2小时后进行水冷。
在增材的过程中，随着电弧的移动，构件会受到局部不均匀加热，同时使铝丝与靠近电弧区域的基板熔化，与熔池相邻的高温区材料发生热胀冷缩，但会受到周围冷态金属的制约不能自由收缩，从而产生应力。同时，熔池凝固，焊缝金属冷却收缩也会受到制约，应力也会产生。这样随着逐层的熔敷，都会有新的应力产生，因此增材构件内部会存在一定的内应力。随着构件内部应力的积累，构件薄弱处可能会产生裂纹。本发明通过对增材完成后的热处理，能够去除增材应力，避免构件产生裂纹，同时促进发泡剂进一步分解。
本发明所提供的一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明通过电弧增材制造方法制备泡沫铝构件能够实现发泡、制备一体化成型，减少了工艺复杂性，提高了生产效率，可用于小批量的泡沫铝构件的制备。
本发明通过调控发泡剂含量、送丝速度等，同时利用增材制造的逐层沉积特性，能够实现梯度泡沫铝合金、非均质仿生泡沫铝合金构件的制备。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作详细说明。
实施例1
一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，包括如下步骤：1）将构件模型导入到专业的切片软件中进行路径规划，并与增材制造系统进行通信，同时将厚度为20mm的铝合金基板打磨光滑并进行装夹固定；2）采用等离子弧丝粉混合沉积在增材制造系统进行铝合金与增稠剂的共同沉积，沉积厚度为1.5mm，具体为铝合金丝由送丝机送入到熔池中，送丝机送出的铝合金丝直径为1.6mm，增稠剂由送粉系统送入到熔池中，沉积完成后，采用电弧进行多次表面快速扫描，扫描的方向与增材的方向垂直，在电弧搅拌作用下提高铝合金熔池黏度；3）熔池凝固形成铝构件后，将发泡剂分散溶液采用喷枪均匀喷涂在铝构件表面，喷涂厚度为200μm；4）待下层铝构件沉积之前和冷却至层间温度为200℃后，在铝构件表面继续喷涂发泡剂分散溶液，喷涂厚度为200μm；5）重复上述步骤2）至步骤4），直到铝构件打印完成，从而形成具有特定形状的泡沫铝构件；6）增材完成后将基板进行切除，然后将泡沫铝构件置于550℃环境下进行热处理，保温2小时后进行水冷。
其中，本实施例1增稠剂选用的是Al-Al2O3混合粉末，Al2O3含量为10%；发泡剂分散溶液为化学镀镍后的Ni/TiH2复合粉末分散在乙醇溶液中经超声处理而得，其中超声处理时间为20min，超声频率为100Hz，发泡剂分散溶液浓度为5g/100ml；铝合金丝材为1.6mm的纯铝丝材；增材过程中送丝速度为5m/min，沉积速度为20mm/s，保护气流量为25L/min，丝材干伸长10mm，增材电流为100A，送粉速度为7g/min；扫描过程参数：电流80A，扫描速度为30mm/s；发泡过程增材工艺参数为电流60A，扫描速度为10mm/s。
本实施例1制备的泡沫铝构件的平均孔径为1.3mm，孔隙率为70%。
实施例2
一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，包括如下步骤：1）将构件模型导入到专业的切片软件中进行路径规划，并与增材制造系统进行通信，同时将厚度为30mm的铝合金基板打磨光滑并进行装夹固定；2）采用等离子弧丝粉混合沉积在增材制造系统进行铝合金与增稠剂的共同沉积，沉积厚度为2mm，具体为铝合金丝由送丝机送入到熔池中，送丝机送出的铝合金丝直径为1.0mm，增稠剂由送粉系统送入到熔池中，沉积完成后，采用电弧进行多次表面快速扫描，扫描的方向与增材的方向垂直，在电弧搅拌作用下提高铝合金熔池黏度；3）熔池凝固形成铝构件后，将发泡剂分散溶液采用喷壶均匀喷涂在铝构件表面，喷涂厚度为300μm；4）待下层铝构件沉积之前和冷却至层间温度为100℃后，在铝构件表面继续喷涂发泡剂分散溶液，喷涂厚度为300μm；5）重复上述步骤2）至步骤4），直到铝构件打印完成，从而形成具有特定形状的泡沫铝构件；6）增材完成后将基板进行切除，然后将泡沫铝构件置于600℃环境下进行热处理，保温2小时后进行水冷。
其中，本实施例2增稠剂选用的是Al-MnO2混合粉末，MnO2含量为15%；发泡剂分散溶液为化学镀镍后的Ni/TiH2复合粉末分散在乙醇溶液中经超声处理而得，其中超声处理时间为40min，超声频率为150Hz，发泡剂分散溶液浓度为1g/100ml；铝合金丝材为1.0mm的纯铝丝材；增材过程中送丝速度为5m/min，沉积速度为20mm/s，保护气流量为25L/min，丝材干伸长10mm，增材电流为100A，送粉速度为10g/min；扫描过程参数：电流80A，扫描速度为30mm/s；发泡过程增材工艺参数为电流60A，扫描速度为10mm/s。
本实施例2制备的泡沫铝构件的平均孔径为0.8mm，孔隙率为75%。
实施例3
一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，包括如下步骤：1）将构件模型导入到专业的切片软件中进行路径规划，并与增材制造系统进行通信，同时将厚度为40mm的铝合金基板打磨光滑并进行装夹固定；2）采用等离子弧丝粉混合沉积在增材制造系统进行铝合金与增稠剂的共同沉积，沉积厚度为1.8mm，具体为铝合金丝由送丝机送入到熔池中，送丝机送出的铝合金丝直径为1.3mm，增稠剂由送粉系统送入到熔池中，沉积完成后，采用电弧进行多次表面快速扫描，扫描的方向与增材的方向垂直，在电弧搅拌作用下提高铝合金熔池黏度；3）熔池凝固形成铝构件后，将发泡剂分散溶液采用喷枪均匀喷涂在铝构件表面，喷涂厚度为250μm；4）待下层铝构件沉积之前和冷却至层间温度为150℃后，在铝构件表面继续喷涂发泡剂分散溶液，喷涂厚度为250μm；5）重复上述步骤2）至步骤4），直到铝构件打印完成，从而形成具有特定形状的泡沫铝构件；6）增材完成后将基板进行切除，然后将泡沫铝构件置于580℃环境下进行热处理，保温2小时后进行水冷。
其中，本实施例3增稠剂选用的是Al-Al2O3混合粉末，Al2O3含量为8%；发泡剂为化学镀镍后的Ni/TiH2复合粉末分散在乙醇溶液中经超声处理而得，其中超声处理时间为30min，超声频率为130Hz，发泡剂分散溶液，浓度为3g/100ml；铝合金丝材为1.8mm的纯铝丝材；增材过程中送丝速度为5m/min，沉积速度为20mm/s，保护气流量为25L/min，丝材干伸长10mm，增材电流为100A，送粉速度为9g/min；扫描过程参数：电流80A，扫描速度为30mm/s；发泡过程增材工艺参数为电流60A，扫描速度为10mm/s。
本实施例3制备的泡沫铝构件的平均孔径为1mm，孔隙率为78%。
在不冲突的情况下，上述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将构件模型导入到专业的切片软件中进行路径规划，并与增材制造系统进行通信，同时将基板打磨光滑并进行装夹固定；2）将铝合金和增稠剂在所述增材制造系统里进行共同沉积，在电弧搅拌作用下提高铝合金熔池黏度；3）熔池凝固形成铝构件后，将发泡剂分散溶液均匀喷涂在铝构件表面；4）待下层铝构件沉积之前和冷却至层间温度后，在铝构件表面继续喷涂发泡剂分散溶液；5）重复上述步骤2）至步骤4），直到铝构件打印完成，从而形成具有特定形状的泡沫铝构件。
2.根据权利要求1所述的电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，步骤2）中，所述铝合金和所述增稠剂在所述增材制造系统里进行共同沉积的步骤为：铝合金丝由送丝机送入到熔池中，所述增稠剂由送粉系统送入到熔池中，沉积完成后，采用电弧进行多次表面快速扫描。
3.根据权利要求2所述的电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，所述扫描的方向与增材的方向垂直。
4.根据权利要求2所述的电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，所述送丝机送出的铝合金丝直径为1.0mm-1.6mm，所述增稠剂为MnO2、Ca、Mg、SiC、Al2O3中的任意一种与铝合金粉末的混合物。
5.根据权利要求4所述的电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，所述增稠剂成分配比的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
为增稠剂中MnO2、Ca、Mg、SiC、Al2O3中的任意一种的含量，
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
为铝丝的密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
为送丝速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
为铝合金丝直径，
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
为送粉速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
为增稠剂含量，所述增稠剂含量为1.5-2%。
6.根据权利要求1所述的电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，所述发泡剂分散溶液中的发泡剂为化学镀镍后的Ni/TiH2复合粉末；所述化学镀镍后的Ni/TiH2复合粉末均匀的分散在丙酮或者乙醇溶液中经超声处理形成发泡剂分散溶液，所述发泡剂分散溶液为悬浊液，所述悬浊液中的固液体积比为(1-5):100；所述发泡剂分散溶液的喷涂厚度为200μm-300μm。
7.根据权利要求1所述的电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，步骤1）中所述基板为铝合金，所述基板厚度大于15mm。
8.根据权利要求1所述的电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，步骤2）中所述电弧为等离子弧或者TIG热源，增材过程中铝构件单层沉积厚度为1.5mm-2mm。
9.根据权利要求1所述的电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，步骤4）中所述层间温度为100℃-200℃。
10.根据权利要求1所述的电弧增材制造制备泡沫铝构件的方法，其特征在于，还包括步骤6），所述步骤6）为增材完成后将基板进行切除，然后将泡沫铝构件置于550℃-600℃环境下进行热处理，保温2小时后进行水冷。
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