CN114192801A - 一种基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法。所述三维双连通结构复合材料包括增强相网络骨架和基体填充骨架，所述增强相网络骨架由增强相杆子搭建而成；首先，设计增强相空间形态、体积占比、增强相杆子直径和增强相杆子横截面形状，构建增强相网络骨架和基体填充骨架；然后使用选区激光熔化方法制备增强相网络骨架，然后填充基体粉末，压实、烧结得到所述三维双连通结构复合材料；本发明提出一种基于增材制造的复合材料制备方法，实现3D增强骨架的高度可设计化、定制化，再结合后续烧结工艺，制备出致密无缺陷三维双连通结构复合材料。

Description

一种基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，具体设计一种基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是基于离散-堆积原理，利用分层切片软件将待成形零件模型进行分层切片、扫描填充，由数控系统控制完成粉末或丝材逐层熔化、凝固以及逐层累加，最终完成零件快速成形制造。基于激光技术成形材料包括金属、非金属、复合材料、生物材料甚至是生命材料，而基于激光与粉末的增材制造技术已形成两类典型成形工艺，以激光沉积技术(Laser Deposition Manufacturing，LMD)为代表的同步送粉激光沉积制造术和以选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)为代表的粉末床成形技术。LDM利用高能激光熔化同步供给的粉末在基板上逐层沉积成形构件，沉积层厚度为毫米尺度，制造速度快，面向大型构件的一体化制造需求，但成形件通常需要进行后续精整加工，以达到结构控形及尺寸精度的要求。SLM利用高能激光选择性熔化处于松散状态的粉末薄层(厚度通常为10～100μm)，基于粉床逐层精细铺粉、激光逐层熔凝堆积的方式，可成形任意复杂形状的高致密度构件，对特殊复杂结构(如悬垂结构、薄壁结构、复杂曲面、空间点阵等)制造的适用程度高，实现复杂构件直接精密净成形。
工业领域应用材料除单一金属和非金属材料外，多使用结构和性能更为优异的金属基复合材料和陶瓷基复合材料以满足实际需求。金属基复合材料(Metal MatrixComposites，MMCs)是指采用相应的制备工艺，将不同种类、不同形态的陶瓷、非金属增强相分布在金属基体中而获得的复合材料，按使用特点可分为结构复合材料(强度、模量等为主)和功能复合材料(耐磨、导热、阻尼、屏蔽等)；也可按增强体的类别来分类，如连续纤维增强金属基复合材料和非连续增强金属基复合材料(包括颗粒、晶须和短切纤维等)；按金属基体的不同则可分为铝基、镁基、铜基、锌基、钛基、铁基、高温合金基、金属间化合物基及难熔金属基复合材料等，有时把金属迭层材料也纳入此范畴。它具有高的比强度和比刚度、耐高温、耐磨损、横向性能及层间剪切强度高，并具有高的热稳定性和体积稳定性，在航空航天、医学医疗、汽车制造等领域得到广泛应用。陶瓷基复合材料(Ceramic MatrixComposites，CMCs)是指在陶瓷基体中引入第二相材料，使其增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷(Multiphase Composite Ceramic)或复相陶瓷(Diphase Ceramic)，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。它具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，成为理想的高温结构材料。但由于陶瓷材料本身具有脆性的弱点，作为结构材料使用时缺乏足够的可靠性，因此改善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。
近年来，在国家航空航天重大需求和前沿科学探索的双重驱动下，金属构件激光增材制造研究在材料、结构、工艺、技术、性能/功能等多方面呈创新发展之势。从航空航天领域日益增强的工程需求出发，面向极端严苛环境的航空航天构件的服役性能要求不断提升，故要求构件的强度、韧性、刚度等力学性能指标显著提高，并要求构件具有防热、隔热、减振、抗辐射等特殊功能。基于前沿科学探索与发展角度，发表于Science的《金属的未来》一文指出：现代工业要求结构材料具有高的强度、断裂韧性及刚度，同时尽可能减重，即要求材料的比强度更高；在提高材料比强度的同时，不损害其韧性和塑性等性能，对提高材料的工程应用竞争力至关重要。与此同时，多材料(如具有可控增强结构的金属基复合材料)是解决传统金属材料比强度和比刚度低、耐蚀性差等劣势的重要途径。与前沿科学探索相一致，金属基复合材料是先进结构材料发展的重要研究方向之一，也是激光增材制造中重要的应用材料。
自20世纪90年代以来，金属基/陶瓷基复合材料大多数研究活动都集中在增强相均匀离散分布上，但预期的性能显著改善并没有实现。它们在工业上的广泛应用仍然受到其强度提高有限和损伤容忍度(延性和断裂韧性)严重降低的限制。Hashin和Shtrikman发现了在一定的相体积分数下各向同性两相复合材料的有效弹性模量和电导率等性能的最佳可能边界(H-S边界)。当增强相均匀离散分布时，复合材料的性能不可避免地接近H-S下界，特别是当强化体积分数在中低范围时。复合材料的损伤容忍度可以通过延迟裂纹萌生、钝化裂纹和降低裂纹扩展速率来提高，一种有效的方法是在刚性相周围引入韧性相来约束和钝化裂纹并承担应变。
为了深入挖掘复合材料的性能潜力,提高复合材料的强度和塑韧性的配合,基于增材制造技术本身精密化、净成形的优势，国内外许多学者通过调控增强体微观空间非均匀分布制备金属基复合材料，其中由于铝自20世纪末以来应用广泛，研究最为深入，相继制备出了增强体棒状富集、网络互穿、离散富集分布的铝基复合材料。此外，在镁基、钛基、铜基、铁基复合材料中，除了制备出与铝基复合材料增强体类似分布状态之外，还成功制备出了增强体环状富集增强镁基复合材料、准连续网状增强钛基复合材料。与传统增强体均匀分布的金属基复合材料相比，这种调控增强体空间非均匀分布制备的金属基复合材料具有更佳的综合力学性能，但以上有关增强体的调控均是在二维微观层面上。
值得一提的是，基于有限元分析和拓扑变换也得到相似结论，复合材料的性能更直接地依赖于增强相的连续体积分数而不是其整体体积分数，一个有规律的非均匀增强分布可能导致更优越的复材性能提升效率。受到已有结论的启发，近年来研究学者试图调整增强体的3D分布和优化结构参数，对三维结构增强复合材料的制备进行了尝试。Dong等人通过将熔融铜渗透到细小的Cr3C2泡沫预制体中，制造了具有双连通微结构的Cr3C2/Cu复合材料。复合材料显示出3D连续的Cr3C2增强网络和3D连续的Cu基体网络，二者形成互穿。制备的复合材料的维氏硬度为2716MPa，比纯铜高约3倍，弹性模量提高到约205GPa，接近ROM计算的理论上的粘结值，可以说是目前改进各向同性复合材料中效果最为显著的。同样，Travitzky等人通过将熔融铝反应渗透到多孔Al2O3-TiO2预制体中，成功制备了具有双连通微结构Al2O3/TiAl复合材料，复材断裂韧性和强度达到优异组合，这与Al2O3晶粒的裂纹偏转和相对韧性金属间基质的裂纹桥接有关，当然连续的金属间网络结构在裂纹扩展过程中会激发一些塑性变形，这也有利于断裂韧性。制备双连通微结构复合材料，除了使用上述渗透法外，还多采取挤压铸造法，例如Xing等首先利用聚氨酯泡沫塑料制备了3D-SiC网络，然后通过挤压铸造制备了3D-SiCn/Cu复合材料；Peng等通过将熔融的6061Al合金挤压铸造到预制的Al2O3泡沫陶瓷中，制备了双连通Al2O3/6061Al复合材料。
制备双连通微结构的复合材料的传统路线包括泡沫预制体的准备和后续的渗透或挤压铸造工艺过程。无论是金属泡沫还是陶瓷泡沫的制备，大多采用在粉末中添加发泡剂或造孔剂，经烧结，泡剂挥发、孔剂离开基体而形成气孔。以镍金属泡沫和碳化硅陶瓷泡沫为例，其是由胞体和支杆组成，在宏观上形成三维网络结构，但胞体的大小、形状和分布以及支杆的粗细和长短具有随机性，除造孔剂颗粒的形状和大小影响外，还受烧结温度的影响，这将导致后续加工过程中泡沫的渗透性和强度受到限制，不具有可靠性。目前，尚无可直接设计增强体3D分布以实现三维结构增强/增韧复合材料制备技术。
综合以上分析，复合材料增加增强体的连通度可以发挥更好的加强效果，从而提高刚度、弹性模量、强度和硬度，而增加基体的连通度可以激发更好的增韧效果，从而提高基体主导的性能，例如韧性、延展性和可变形性。三维双连通微结构增强体和基体都是三维连续的，形成两个相互贯通的三维网络，均具有最佳连通度，复材将同时表现出高强化和高增韧效果。这里的挑战是制备可控的多孔增强骨架，筛选和结合后续制造工艺，完成全系列三维双连通结构复合材料的制备。
发明内容
本发明将提供解决上述问题的完整方案，提出一种基于增材制造的复合材料制备方法，实现3D增强骨架的高度可设计化、定制化，再结合后续烧结工艺，制备出致密无缺陷三维双连通结构复合材料。
本发明的技术方案之一，一种基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，所述三维双连通结构复合材料包括增强相网络骨架和基体填充骨架，所述增强相网络骨架由增强相杆子搭建而成；具体包括以下步骤(流程图如图1所示)：
(1)设计增强相空间形态、体积占比、增强相杆子直径和增强相杆子横截面形状，构建增强相网络骨架和基体填充骨架；
(2)步骤A或步骤B；
其中，步骤A：使用选区激光熔化方法制备增强相网络骨架，然后填充基体粉末，压实、烧结得到所述三维双连通结构复合材料；
步骤B：使用选区激光熔化方法制备三维双连通结构复合材料的基体填充骨架，然后填充增强相粉末，压实、烧结得到所述三维双连通结构复合材料。
进一步地，根据三维双连通结构复合材料的形状及强度等性能要求，设计增强相空间形态(增强相的形状)、体积占比(增强相的总体与三维双连通结构复合材料体积比)、增强相杆子直径(增强相杆子横截面的尺寸)和增强相杆子横截面形状，构建增强相网络骨架和基体填充骨架；
进一步地，所述步骤(1)中：
所述增强相空间形态为以圆柱的中心线为中心线对称分布(例如图2-3所示)；
所述增强相体积占三维双连通结构复合材料的5-90％；
所述增强相杆子直径为0.1-1mm(例如图4-5)；
所述增强相杆子横截面形状为圆形、矩形、菱形中的任意一种；
更进一步的，所述增强相杆子设置内部支杆尺寸的过渡设计(图6所示)；
更进一步的，所述增强相网络骨架由相同设计的单元体构成，单元体外形设计相同，支杆尺寸和数量固定，可对其内部支杆的连接方式进行调整(图7所示)；
更进一步的，还可设计内部支杆连接点尺寸(图8所示)，3D“增强”网络支杆连接点尺寸从左至右逐渐增大；
更进一步的，可对内部支杆连接点进行精细化设计(如连接点有无凹槽)(图9所示)；
更进一步的，单元体外形设计相同，其中支杆尺寸、数量和连接方式固定，可对支杆组合呈现的效果进行设计，可凹可凸，如图10所示；
更进一步的，单元体外形设计相同，其中支杆尺寸、数量和连接方式固定，可对胞体数量进行设计，如图11，3D“增强”网络胞体数量从左至右逐渐增多；
更进一步的，单元体结构参数固定，可对其彼此间的联结形式进行设计，如图12，宏观上三维增强相骨架呈“蜂窝筒”状，基于此制得的复合材料模拟了工程上的钢筋混凝土结构，将比传统意义上长纤维增强/增韧的优势更为明显，且结构耐久性更为突出所述增强相网络骨架为蜂窝状。
本发明技术方案中，一方面通过对三维“增强相”骨架的整体单元体构型设计，另一方面对其内部支杆尺寸、数量、连接方式、连接点精细化设计以及胞体数量等细节调整，包括单元体整体放缩以及彼此间的联结方式可调可控，多元多角度的做到了三维“增强相”网络设计自由化、高度定制化。
进一步地，所述步骤A中所述的选区激光熔化方法包括：
步骤A1.对增强相网络骨架的三维模型进行分层处理，确定预选择区域，平铺一层增强相粉末；
步骤A2.利用激光束逐层熔化粉末床预选择区域，粉末熔化得到设计形状；
步骤A3.粉末床高度下降,其上重新平铺一层粉末，重复铺粉和熔化的过程堆积得到增强相网络骨架；
进一步地，所述步骤B中所述的选区激光熔化方法包括：
步骤B1.对基体填充骨架的三维模型进行分层处理，确定预选择区域，平铺一层基体粉末；
步骤B2.利用激光束逐层熔化粉末床预选择区域，粉末熔化得到设计形状；
步骤B3.粉末床高度下降,其上重新平铺一层粉末，重复铺粉和熔化的过程堆积得到基体填充骨架。
选区激光熔化技术通过三维模型的分层处理，利用激光束逐层熔化粉末床预选择区域，粉末熔化得到设计形状，随后粉末床按照设定的高度下降,其上被刮刀平铺一层新粉末，重复铺粉和熔化的过程，多次堆积以制造三维的实体组件。因此可直接成形各类结构复杂零件，为复合材料三维“增强相”骨架的自由化设计、高度化定制提供了优势条件。
进一步地，所述步骤A1和B1中，分层处理包括：根据三维数模，保存成为STL格式的文件，将该文件导入到分层切片软件中，设定层厚，将三维模型分层成为一系列二维的轮廓，得到二维轮廓文件数据，粉末铺设厚度为前述的层厚；例如：设定层厚为0.1mm每层，将三维数模分层为一系列二维的轮廓，如骨架高度为10mm，层厚为0.1mm，将骨架分层成为100个二纬轮廓，此时粉末铺设厚度为0.1mm。
进一步地，所述步骤A2和B2中，利用激光束逐层熔化粉末床预选择区域条件为根据分层得到二维轮廓文件中数据，即前述中100层中的数据，先根据第一层的数据中激光束照射粉末表面，使需要熔化的区域熔化，再铺第二层粉末，根据第二层的数据激光束照射粉末表面，使需要熔化的区域熔化，直至到最后一层；
进一步地，所述步骤A3和B3中，粉末床高度下降尺寸为：层厚。
进一步地，所述步骤A中：所述基体粉末粒径为10μm-45μm，填充方法为超声振动，超声振动条件为频率15KHz-25KHz，振动幅值为2μm-10μm，作用时间1min-30min；
进一步地，所述步骤B中：增强相粉末粒径为10μm-45μm，填充方法为超声振动，超声振动条件为频率15KHz-25KHz，振动幅值为2μm-10μm，作用时间1min-30min。
进一步地，所述增强相粉末为金属粉末和/或陶瓷粉末，所述基体粉末为金属粉末和/或陶瓷粉末。
进一步地，所述压实条件为粉末中空隙率小于30％，所述烧结条件为：真空环境5-20℃/min升温速率升温至烧结温度，保温5min-24h；所述烧结温度高于基体粉末熔点10-50℃。
本发明的技术方案之二，上述基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法所制备的三维双连通结构复合材料
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明基于选区激光熔化技术分层制造成形原理，实现从3D增强骨架高度定制化成形到三维双连通结构复合材料制备的全流程制备。三维双连通结构复合材料中的增强相和基体两相都是三维连续的，为了统一，本发明中涉及的增强金属基复合材料或增韧陶瓷基复合材料的增强相和基体相概念，我们将作为基体材料的相定义为“基体”相，而添加到基体材料中以提高性能的另一相定义为“增强”相，它可能用于提高复合材料的强度或韧性/延展性，甚至物理或化学性能。基于这一观点，微观尺度上的单个颗粒/晶须/短纤维等和中观尺度上的富含颗粒/晶须/短纤维的复合材料区域都可以被视为复合材料中的“增强相”，“增强”相和“基体”相本身都可以是“复合物”；增强相和基体可是陶瓷、金属或是金属、陶瓷或是金属、金属或是陶瓷、陶瓷。
结合前沿科学设想和实际科研探索，本发明提出了先增材制造3D“增强相”网络骨架、再加入“基体”压实后烧结成致密无缺陷三维双连通结构复合材料的零件工艺方法或是根据体积比，可以先增材制造基体，再填充增强相，压实后烧结成致密无缺陷三维双连通结构复合材料零件的工艺方法。本发明方法中，涉及到的增材制造过程中用于制备3D“增强相”骨架的粉末，可以是单一/多种金属粉末、单一/多种陶瓷粉末、陶瓷金属混合粉末，甚至是上述粉末中的任意组合，用增材制造的方式，制造出上述三维“增强相”骨架。
从粉体填充三维“增强相”骨架孔隙后到获得致密无缺陷的三维双连通结构复合材料需经高温烧结过程，从根本上说，烧结是粉末发生扩散传质产生致密化，把粉状物料转变为致密体的工艺过程。无压烧结是指在常压下，通过对制品加热而烧结的一种方法，这是最常用、也是最简单的一种烧结方式，其特点在于设备简单、成本较低，易于工业化生产，而且可以烧结具有不同形状、大小的材料，但挑战在于如何利用烧结过程中材料致密化和晶粒生长的关系来合理调节烧结制度，进而解决烧结过程中晶粒异常长大等问题。压力辅助烧结是在烧结的同时施加一定的外压来提高烧结过程中的驱动力，以降低烧结温度、缩短烧结时间，实现致密化的同时抑制晶粒生长，特别是热等静压烧结和震荡压力烧结对解决长期困扰纳米陶瓷烧结的粉体团聚难题提供了较好的办法。电磁辅助烧结则充分利用电磁波与样品的相互作用来实现极快速加热，在较短的时间内完成烧结，从而达到控制晶粒生长的目的，效果较好，但设备昂贵，成本较高。本发明中具体复合材料烧结技术的选择还要结合材料体系本身的物理化学性质来做实际考虑。即控制加热温度使填充材料熔化而骨架不熔化，二者发生固体液体扩散而成为致密的双连通复合材料。
本发明先增材制造三维“增强相”骨架，后填充“基体相”粉末进行烧结，制备三维双连通结构复合材料，其中“增强”相和“基体”相都是三维连续的，形成两个相互贯通的三维网络，实现二者的最佳接触，将最大程度的发掘复合材料的性能，有望成为复材强化效果和增韧效果相谐的最优组合。
本发明提供一种三维双连通结构复合材料制备方法，基于增材制造技术粉床逐层精细铺粉、激光逐层熔凝堆积的工艺特点和可直接成形任意复杂结构高致密度构件的技术优势，通过对“增强相”骨架的三维结构设计和增材制造，实现其空间结构化分布。通过增强相的体积含量比例和尺寸，实现双连接复材的力学性任意可调、可设计。
本发明旨在实现对复合材料三维“增强相”骨架的自由化设计、高度化定制，从整体构型到内部细节均可灵活设计，由此制得的复合材料中“增强相”和“基体相将形成两个相互贯通的三维网络，实现二者的最佳效益，最大程度的发掘复合材料的性能，有望同时表现出高强化效果和高增韧效果。
本发明提供先增材制造三维“增强相”骨架，后填充“基体相”粉末烧结获得致密三维双连通结构复合材料的制备方法，发挥两种材料复合的优点，使制造的零件强度高、韧性好、质量轻。面向工业领域，特别是航空航天构件对材料的轻质、高强高韧的要求，本发明为其提供了设计制造的新思路和新途径，也为开发具有真正多功能性能的材料提供了可能性。
通过控制加热温度和保温时间，控制界面层的厚度和界面生成物的数量，来提高力学性能。界面层是指：骨架为材料A，基体为材料B，在加热时A和B接触的部分会发生一定的反应生成AB的某种化合物，将A和B接触处叫界面层，反应生成的某种或某几种化合物叫界面生成物。通过控制温度高低和保温时间可以控制的生成物多少及厚度，从而实现力学性能可控。
附图说明
图1为本发明基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法流程图；
图2为本发明所述增强相空间形态为以圆柱的中心线为中心线对称分布的部分设计示范效果图；
图3为本发明所述增强相空间形态为以圆柱的中心线为中心线对称分布的部分设计示范效果图；
图4为本发明增强相杆子直径为0.1-1mm的部分设计示范效果图(图示从左至右依次增大)；
图5为本发明增强相杆子直径为0.1-1mm的部分设计示范效果图(图示从左至右依次增大)；
图6为本发明所述增强相杆子设置内部支杆尺寸的过渡设计部分设计示范效果图；
图7为本发明所述增强相网络骨架由相同设计的单元体构成的部分设计示范效果图(图示左为内部无连接点，右为内部有连接点)；
图8为本发明所述增强相网络骨架设计内部支杆连接点尺寸的部分设计示范效果图(从左至右依次增大)；
图9为本发明所述增强相网络骨架对内部支杆连接点进行精细化设计的部分设计示范效果图(图示左为连接点无凹槽，右为连接点有凹槽)；
图10为本发明所述增强相网络骨架对支杆组合呈现的效果进行设计的部分设计示范效果图(图示左为“凹”效果，右为“凸”效果)；
图11为本发明所述增强相网络骨架对胞体数量进行设计的部分设计示范效果图(图示从左至右依次增多)；
图12为本发明为本发明所述增强相网络骨架对不同联结形式进行设计的部分设计示范效果图；
图13为本发明实施例1工作流程图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
图13为本发明以下实施例的具体工作过程图。
实施例1
(1)确定零件的形状为轴，基体粉为铝合金粉末、增强相粉末为TC4钛合金。强度性能要求为600MPa，铝合金的强度为400MPa，TC4钛合金为900Mpa，根据400×a％+900×b％＝600，a％+b％＝100％，得出a＝0.6，b＝0.4；根据零件轴的形状设计零件的“增强相”空间形态(增强相的形状)为骨架得到一组与轴等长的与轴的中心线平行的圆柱、体积占比(增强相的总体与零件体积比)为40％、杆子直径(增强相杆子横截面的尺寸)为0.8mm、杆子的截面形状为圆形。
(2)选区激光熔化技术对“增强相”空间形态的三维模型进行分层处理，利用激光束逐层熔化粉末床预选择区域，粉末熔化得到设计形状中得出的骨架，即一组平行的圆柱，分层之后为一组圆环，每层激光熔化一组圆，随后粉末床按照设定的高度0.1mm下降,其上被刮刀平铺一层新粉末，重复铺粉和熔化的过程，多次堆积以制造三维的“增强相”实体组件。
(3)向三维的“增强相”实体组件的空隙中填充铝合金粉末，铝合金粉末的颗粒直径为10μm～45μm之间，并用超声振动的方式将粉末振实，具体的，将填好粉末的零件置于超声发生器的上面，使用超声振动作用骨架及粉末，超声频率25KHz，振动幅值为2μm～10μm，作用时间30min，经上述处理后样品孔隙率为25％。
(4)步骤(3)组件置于真空烧结炉中，抽真实到10-1Pa以下，并保持真空使熔化后铝合金内部的气体排出；开始加热，采用20℃/min的速率升温，当烧结炉内温度升高超过铝合金的熔点10℃以上(具体温度为700℃)时停止升温，在此温度下保持一定的时间(时间为20分钟)后开始冷却，冷却方式为随炉冷却以消除内应力。得到最终复合材料产品。
(5)将和步骤(1)-(4)用量相等的基体粉末和增强相粉末进行混合后球磨，压实成型，直接进行步骤(4)真空烧结，得到对比复合材料产品。
对步骤(4)和步骤(5)制备的复合材料产品进行形貌、强度等性能分析，通过X射线检查制造的复材产品内部骨架的形状和尺寸、是否为气孔等缺陷。
结果显示，铝合金粉末完全熔化后凝固成实体，致密的包裹在钛合金骨架周围，无气孔、裂纹等缺陷；拉伸试验表明力学性平均为600Mpa，延伸率达到10％以上，塑性较好，超过基体铝合金的力学性能，实现轻质高强的复合目标。
不使用上述方法，直接以等量的铝合金粉末和增强相粉末球磨混合后压实烧结(所用参数均与前述相同)，得到复合材料，对其进行形貌、强度等性能分析，结果显示：钛合金弥散的分布的铝合金基体内部，并且生成大量的金属间化合物，拉伸试验表明力学性平均为450Mpa，延伸率只有4％，增强效果不明显，且塑性较差。
由此可见，本发明方法制备的复合材料和现有的复合材料制备方法相比优点是增强相骨架的形状任意可控、增强相骨架的尺寸任意可控、增强相分布任意可控、增强相占比任意可控；复合材料在基体材料A和增强相材料B强度之间任意可挖，满足复合材料强度＝A强度×a％+B强度×b％的关系式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述三维双连通结构复合材料包括增强相网络骨架和基体填充骨架，所述增强相网络骨架由增强相杆子搭建而成；
具体包括以下步骤：
(1)设计增强相空间形态、体积占比、增强相杆子直径和增强相杆子横截面形状，构建增强相网络骨架和基体填充骨架；
(2)步骤A或步骤B；
其中，步骤A：使用选区激光熔化方法制备增强相网络骨架，然后填充基体粉末，压实、烧结得到所述三维双连通结构复合材料；
步骤B：使用选区激光熔化方法制备三维双连通结构复合材料的基体填充骨架，然后填充增强相粉末，压实、烧结得到所述三维双连通结构复合材料。
2.根据权利要求1中所述的基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中：
所述增强相空间形态为以圆柱的中心线为中心线对称分布；
所述增强相体积占三维双连通结构复合材料的5-90％；
所述增强相杆子直径为0.1-1mm；
所述增强相杆子横截面形状为圆形、矩形、菱形中的任意一种。
3.根据权利要求1中所述的基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述增强相网络骨架由相同设计的单元体构成。
4.根据权利要求3中所述的基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述增强相网络骨架为蜂窝状。
5.根据权利要求1中所述的基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，其特征在于，
所述步骤A中所述的选区激光熔化方法包括：
步骤A1.对增强相网络骨架的三维模型进行分层处理，确定预选择区域，平铺一层增强相粉末；
步骤A2.利用激光束逐层熔化粉末床预选择区域，粉末熔化得到设计形状；
步骤A3.粉末床高度下降,其上重新平铺一层粉末，重复铺粉和熔化的过程堆积得到增强相网络骨架；
所述步骤B中所述的选区激光熔化方法包括：
步骤B1.对基体填充骨架的三维模型进行分层处理，确定预选择区域，平铺一层基体粉末；
步骤B2.利用激光束逐层熔化粉末床预选择区域，粉末熔化得到设计形状；
步骤B3.粉末床高度下降,其上重新平铺一层粉末，重复铺粉和熔化的过程堆积得到基体填充骨架。
6.根据权利要求5中所述的基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，其特征在于，
所述步骤A1和B1中，分层处理包括：根据三维数模，保存成为STL格式的文件，将该文件导入到分层切片软件中，设定层厚，将三维模型分层成为一系列二维的轮廓，得到二维轮廓文件数据，粉末铺设厚度为前述的层厚；
所述步骤A2和B2中，利用激光束逐层熔化粉末床预选择区域条件为根据得到二维轮廓文件数据，先根据第一层的数据中激光束照射粉末表面，使需要熔化的区域熔化，再铺第二层粉末，根据第二层的数据激光束照射粉末表面，使需要熔化的区域熔化，重复上述步骤直至到最后一层；
所述步骤A3和B3中，粉末床高度下降尺寸为：为层厚。
7.根据权利要求1所述的基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，其特征在于，
所述步骤A中：所述基体粉末粒径为10μm-45μm，填充方法为超声振动，超声振动条件为频率15KHz-25KHz，振动幅值为2μm-10μm，作用时间1min-30min；
所述步骤B中：增强相粉末粒径为10μm-45μm，填充方法为超声振动，超声振动条件为频率15KHz-25KHz，振动幅值为2μm-10μm，作用时间1min-30min。
8.根据权利要求1所述的基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述增强相粉末为金属粉末和/或陶瓷粉末，所述基体粉末为金属粉末和/或陶瓷粉末。
9.根据权利要求1所述的基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述压实条件为：粉末中空隙率小于30％，所述烧结条件为：真空环境5-20℃/min升温速率升温至烧结温度，保温5min-24h；所述烧结温度高于基体粉末熔点10-50℃。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法所制备的三维双连通结构复合材料。
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