CN113695571A - 一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，属于增材制造技术领域。所得Cf/Mg复合材料中碳纤维体积比为10%~30%，碳纤维与镁基体界面结合良好。其制备方法为：（1）以镁合金丝材与碳纤维为原料，对镁合金丝材与碳纤维进行表面清理；（2）将表面处理后的两种丝材进行绞线，通过不同直径匹配获得不同碳纤维含量的绞线；（3）以复合绞线为原料，利用非熔化极气体保护焊设备、自动送丝设备进行电弧增材制造；（4）将所得打印件进行退火处理，消除内应力。本发明实现了利用电弧增材制造技术制备Cf/Mg复合材料；借助电弧增材技术克服了传统制备技术对构件形状、尺寸的限制；以复合绞线为原料提高了碳纤维分布的均匀性。

Description

一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法。
背景技术
碳纤维增强镁基复合材料（Cf/Mg复合材料）综合了镁合金基体与碳纤维的优势，表现出密度低、比强度高、比模量高、热膨胀系数低等优势，成为轻量化、高性能结构材料开发的热点之一，在航空、航天、国防军工、高速轨道交通等领域都具有广阔的应用前景。然而，实际获得应用的Cf/Mg复合材料远落后于期望。其原因在于，传统制造工艺（如真空吸渗挤压）通常需要特殊的模具或装备，机械加工容易产生纤维拔出或层间撕裂等缺陷，因此限制了连续纤维复合材料构件的制备与多样性，难以满足不同领域的需求。
近年来，3D打印（增材制造）技术的快速发展为复杂形状构件的材料-结构一体化设计、近净成形制备提供了技术基础。而送丝3D打印技术为连续纤维增强复合材料提供了新的发展方向。该技术在连续纤维增强高分子材料领域取得显著进步，并由Markforged、Stratasys、Arevo等公司开发出了各具特色的3D打印技术、设备及产品。然而，3D打印Cf/Mg复合材料的研究工作却鲜有报道，其原因在于目前用于制备Cf/Mg复合材料的原料很难直接应用于3D打印技术；另一方面是3D打印过程中高能束流与碳纤维、镁合金相互作用，增加了界面反应与界面微观组织调控难度，增大了碳纤维表面受损的风险，非常不利于材料的组织与性能调控。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，以实现高性能、多样化Cf/Mg复合材料构件的制造，进一步扩大Cf/Mg复合材料的应用范围。本发明解决了电弧增材制造Cf/Mg复合材料原料、界面微观组织与性能调控等问题，提供性能良好的Cf/Mg复合材料及增材制造技术，为实现Cf/Mg复合材料构件个性化定制提供技术支撑。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，所述复合材料是以镁合金丝材和碳纤维为原料，通过绞线获得的用于电弧增材制造的复合丝材；
所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，利用丙酮分别清理镁合金丝材与碳纤维表面的油污和胶质；
步骤二，将表面处理后的镁合金丝材和碳纤维进行绞线，通过不同直径搭配控制碳纤维含量在10%~30%，最终复合绞线直径在1.0~1.8mm之间；
步骤三，以复合绞线为原料，利用非熔化极气体保护焊设备、自动送丝设备进行电弧增材制造，按照预设路径逐层堆积成形出打印件；
步骤四，将步骤三所得打印件在石墨粉覆盖条件下进行退火处理，以消除内应力。
进一步，所述步骤一中，所用镁合金丝材的直径为0.3~0.6mm。
进一步，所述步骤一中，所用镁合金丝材是经过退火处理的软态丝。
进一步，所述步骤一中，所用碳纤维的单丝直径为6.9μm。
进一步，所述步骤二中，将表面处理后的碳纤维螺旋缠绕在镁合金丝材表面，然后将缠绕碳纤维的镁合金丝材与镁合金丝材进行绞线。
进一步，所述步骤二中，所得复合绞线为“1+6”结构，缠绕碳纤维的镁合金丝材处于中心位置，其余6根镁合金丝材围绕碳纤维进行绞合。
进一步，所述步骤三中，电弧增材制造所用参数为：电流类型为交流电、电流大小120~160A、打印速度0.5~1.0m/min、送丝速度2~3m/min，保护气体为氩气且流量为20L/min；沉积过程中，待每层沉积结束后，焊枪熄弧并抬升，而后从成形件尾部以500mm/min的速度往返至头部，然后堆积下一层材料。
进一步，所述步骤四中，退火处理中，退火温度为100~200℃，保温时间为1~3小时，之后空冷至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明以复合绞线为原料进行电弧增材制造，碳纤维处于绞线中心位置，避免了电弧冲击对碳纤维造成损伤或断裂，使碳纤维的复合强化作用得到最大程度发挥。
2、本发明利用电弧增材制造微熔池、逐层堆积的特点，结合工艺参数调控，使碳纤维与镁合金能够充分接触、润湿，界面处合金元素分布均匀，界面结合效果良好，充分发挥界面的载荷传递作用，达到碳纤维复合强化的目的。
3、本发明利用电弧增材制造技术实现连续纤维增强镁合金复杂构件的设计与高效制备，克服传统复合材料制备技术对模具的依赖以及对构件尺寸、形貌的限制，为推广镁基复合材料应用提供新思路。
附图说明
图1为本发明制备的缠绕碳纤维的镁合金丝材；
图2为本发明制备的Cf/AZ91复合绞线形貌图（其中缠绕碳纤维的镁合金丝材位于复合绞线中心）；
图3为本发明实施例1制备的Cf/AZ91复合材料的低倍微观组织；
图4为本发明实施例1制备的Cf/AZ91复合材料的高倍微观组织；
图中：1、镁合金丝材；2、碳纤维。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案及效果做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明实施例中使用镁合金基体为AZ91合金，碳纤维使用T300-3000、T300-6000、T700-12000型碳纤维。
实施例1
本实施例的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法为：
以直径为0.5mm的退火态AZ91合金丝材（镁合金丝材1）与T300-3000型碳纤维2（单丝直径6.9μm）为原料，分别利用丙酮超声清理其表面的油污和胶质。
将表面处理后的两种丝材进行绞线，将碳纤维螺旋缠绕在AZ91合金丝材表面，如图1所示，6根镁合金丝材围绕含碳纤维的AZ91合金丝材进行绞合，获得“1+6”结构的复合绞线，如图2所示。通过不同直径搭配控制碳纤维含量为15%，最终复合绞线直径为1.5mm。
以复合绞线为原料，通过自动送丝机配合非熔化极气体保护焊设备进行电弧增材制造，所用参数包括：电流类型为交流电、电流大小为140A、打印速度0.7m/min、送丝速度2m/min，保护气体为氩气且流量为20L/min。沉积过程中，待每层沉积结束后，焊枪熄弧并抬升，而后从成形件尾部以500mm/min的速度往返至头部，然后堆积下一层材料。
将所得打印件在石墨粉覆盖条件下进行退火处理，以消除内应力，退火温度150℃，保温时间2小时，之后空冷至室温。
本实施例制备的Cf/AZ91复合材料的低倍微观组织和高倍微观组织如图3和4所示。由图3和图4可知，首先上述工艺实现了镁合金包覆碳纤维束的效果；其次镁合金能够渗透到碳纤维束内部，使碳纤维单丝与镁合金基体保持良好界面结合。
实施例2
本实施例的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法为：
以直径为0.3mm的退火态AZ91合金丝材（镁合金丝材1）与T300-3000型碳纤维2（单丝直径6.9μm）为原料，分别利用丙酮超声清理其表面的油污和胶质。
将表面处理后的两种丝材进行绞线，将碳纤维螺旋缠绕在AZ91合金丝材表面，如图1所示，6根镁合金丝材围绕含碳纤维的AZ91合金丝进行绞合，获得“1+6”结构的复合绞线，如图2所示。通过不同直径搭配控制碳纤维含量在20%，最终复合绞线直径为1.0mm。
以复合绞线为原料，通过自动送丝机配合非熔化极气体保护焊设备进行电弧增材制造，所用参数包括：电流类型为交流电、电流大小为120A、打印速度1.0m/min、送丝速度3m/min，保护气体为氩气且流量为20L/min。沉积过程中，待每层沉积结束后，焊枪熄弧并抬升，而后从成形件尾部以500mm/min的速度往返至头部，然后堆积下一层材料。
将所得打印件在石墨粉覆盖条件下进行退火处理，以消除内应力，退火温度200℃，保温时间1小时，之后空冷至室温。
实施例3
本实施例的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法为：
以直径为0.6mm的退火态AZ91合金丝材（镁合金丝材1）与T300-6000型碳纤维2（单丝直径6.9μm）为原料，分别利用丙酮超声清理其表面的油污和胶质。
将表面处理后的两种丝材进行绞线，将碳纤维螺旋缠绕在AZ91合金丝材表面，如图1所示，6根镁合金丝材围绕含碳纤维的AZ91合金丝进行绞合，获得“1+6”结构的复合绞线，如图2所示。通过不同直径搭配控制碳纤维含量在12%，最终复合绞线直径为1.8mm。
以复合绞线为原料，通过自动送丝机配合非熔化极气体保护焊设备进行电弧增材制造，所用参数包括：电流类型为交流电、电流大小为150A、打印速度0.8m/min、送丝速度2.5m/min，保护气体为氩气且流量为20L/min。沉积过程中，待每层沉积结束后，焊枪熄弧并抬升，而后从成形件尾部以500mm/min的速度往返至头部，然后堆积下一层材料。
将所得打印件在石墨粉覆盖条件下进行退火处理，以消除内应力，退火温度100℃，保温时间3小时，之后空冷至室温。
实施例4
本实施例的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法为：
以直径为0.4mm的退火态AZ91合金丝材（镁合金丝材1）与T300-6000型碳纤维2（单丝直径6.9μm）为原料，分别利用丙酮超声清理其表面的油污和胶质。
将表面处理后的两种丝材进行绞线，将碳纤维螺旋缠绕在AZ91合金丝材表面，如图1所示，6根镁合金丝材围绕含碳纤维的AZ91合金丝进行绞合，获得“1+6”结构的复合绞线，如图2所示。通过不同直径搭配控制碳纤维含量在25%，最终复合绞线直径为1.2mm。
以复合绞线为原料，通过自动送丝机配合非熔化极气体保护焊设备进行电弧增材制造，所用参数包括：电流类型为交流电、电流大小为160A、打印速度0.5m/min、送丝速度2.5m/min，保护气体为氩气且流量为20L/min。沉积过程中，待每层沉积结束后，焊枪熄弧并抬升，而后从成形件尾部以500mm/min的速度往返至头部，然后堆积下一层材料。
将所得打印件在石墨粉覆盖条件下进行退火处理，以消除内应力，退火温度150℃，保温时间2小时，之后空冷至室温。
实施例5
本实施例的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法为：
以直径为0.4mm的退火态AZ91合金丝材与T300-12000型碳纤维（单丝直径6.9μm）为原料，分别利用丙酮超声清理其表面的油污和胶质。
将表面处理后的两种丝材进行绞线，将碳纤维螺旋缠绕在AZ91合金丝材表面，如图1所示，6根镁合金丝材围绕含碳纤维的AZ91合金丝进行绞合，获得“1+6”结构的复合绞线，如图2所示。通过不同直径搭配控制碳纤维含量在30%，最终复合绞线直径为1.2mm。
以复合绞线为原料，通过自动送丝机配合非熔化极气体保护焊设备进行电弧增材制造，所用参数包括：电流类型为交流电、电流大小为160A、打印速度0.5m/min、送丝速度2.5m/min，保护气体为氩气且流量为20L/min。沉积过程中，待每层沉积结束后，焊枪熄弧并抬升，而后从成形件尾部以500mm/min的速度往返至头部，然后堆积下一层材料。
将所得打印件在石墨粉覆盖条件下进行退火处理，以消除内应力，退火温度150℃，保温时间2小时，之后空冷至室温。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，其特征在于，所述复合材料是以镁合金丝材和碳纤维为原料，通过绞线获得的用于电弧增材制造的复合丝材；
所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，利用丙酮分别清理镁合金丝材与碳纤维表面的油污和胶质；
步骤二，将表面处理后的镁合金丝材和碳纤维进行绞线，通过不同直径搭配控制碳纤维含量在10%~30%，最终复合绞线直径在1.0~1.8mm之间；
步骤三，以复合绞线为原料，利用非熔化极气体保护焊设备、自动送丝设备进行电弧增材制造，按照预设路径逐层堆积成形出打印件；
步骤四，将步骤三所得打印件在石墨粉覆盖条件下进行退火处理，以消除内应力。
2.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤一中，所用镁合金丝材的直径为0.3~0.6mm。
3.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤一中，所用镁合金丝材是经过退火处理的软态丝。
4.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤一中，所用碳纤维的单丝直径为6.9μm。
5.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤二中，将表面处理后的碳纤维螺旋缠绕在镁合金丝材表面，然后将缠绕碳纤维的镁合金丝材与镁合金丝材进行绞线。
6.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤二中，所得复合绞线为“1+6”结构，缠绕碳纤维的镁合金丝材处于中心位置，其余6根镁合金丝材围绕碳纤维进行绞合。
7.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤三中，电弧增材制造所用参数为：电流类型为交流电、电流大小120~160A、打印速度0.5~1.0m/min、送丝速度2~3m/min，保护气体为氩气且流量为20L/min；沉积过程中，待每层沉积结束后，焊枪熄弧并抬升，而后从成形件尾部以500mm/min的速度往返至头部，然后堆积下一层材料。
8.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤四中，退火处理中，退火温度为100~200℃，保温时间为1~3小时，之后空冷至室温。
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