CN115555583B - 一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置及方法，包括粉芯丝材成型机构、固相增材制造机构和增材制造零件；粉芯丝材成型机构包括水平方向依次布置的折弯部件、填粉部件和成型部件，折弯部件工作部位、填粉部件工作部位和成型部件的工作部位加装有粉芯丝材原料；固相增材制造机构包括旋转部件和非旋转部件，旋转部件和非旋转部件转动连接。该装置及方法规避了增强相与基体间的过度冶金反应，提高了增强相的分布均匀性，且可连续制备粉芯丝材完成大尺寸构件的连续固相增材制造，具有增材制造零件性能高、生产成本低、工艺易实现、过程可靠性好、适用性广泛等特点。

Description

一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及固相增材制造技术领域，特别是涉及一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置及方法。

背景技术

空天科技领域的快速发展对金属材料性能的进一步提升提出了更高的要求，为了同时满足轻量化、高刚度、高强度、高韧性等一系列优良综合力学性能，金属基复合材料成为了一类极有发展潜力的战略性新材料。特别是以碳质纳米相(包括但不限于石墨烯、碳纳米管、富勒烯等)为增强相的金属基复合材料，其独特的一维、二维超大比表面积结构，带来了显著的金属强韧化效果，十分适宜做增强相材料。然而，这一类材料却往往难以适用于目前新兴的增材制造加工技术，如激光选区熔覆、激光选区烧结、电弧增材制造等。这是由于这一类工艺方法需要经历一次材料熔化再凝固的过程，该过程的高温会使得碳质纳米相发生氧化甚至结构破损，从而严重降低碳质纳米相的强韧化效果。更进一步的，对于最常见的铝基复合材料，液相过程中熔融态的铝会与碳之间发生冶金反应形成Al₄C₃易水解金属间化合物，通过传统熔化再凝固增材制造手段获取的碳质纳米相增强铝基复合材料往往在潮湿环境下仅需几周、甚至几天即会发生整体结构的崩溃坍缩。这使得传统熔化再凝固增材制造技术几乎难以应用于这一类金属基复合材料的有效制备。

固相增材制造技术作为一种新生的增材制造技术，因其结构制造过程中无熔化再凝固行为，可有效地避免气孔、裂纹等缺陷，并抑制高热输入带来的晶粒粗化、异质相间过度反应等问题，有效突破了上述传统熔化再凝固增材制造的本征瓶颈，可适用于金属基复合材料的制备。然而，通过固相增材制造技术目前仍存在一定的技术障碍。首先是原料难以获取，完全基于粉末的固相增材目前尚未得到突破，而采用非粉末方案的固相增材制造技术又面临着原料板材、棒材、丝材的制备方式难以绕过熔化再凝固方案(如搅拌/挤压铸造、熔渗等工艺)制备的流程，这依然会导致液相过程带来的一系列问题。其次是尺寸问题，在忽略成本高昂的前提下，可以采用固相烧结(如热压烧结、等离子体放电烧结等工艺)的方式来规避液相过程，但通过这一类方案制备的金属基复合材料增材制造原料尺寸通常受到设备的严格限制，导致有限的原料难以实现连续的增材制造过程。最后，由于增强相和基体通常拥有不同的密度，在熔化过程中，二者往往会在重力的作用下发生相分离，导致材料组织的不均匀性，从而严重损害材料的综合力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置，包括粉芯丝材成型机构、固相增材制造机构和增材制造零件；

所述粉芯丝材成型机构包括水平方向依次布置的折弯部件、填粉部件和成型部件，所述折弯部件工作部位、所述填粉部件工作部位和所述成型部件的工作部位加装有粉芯丝材原料；

所述固相增材制造机构包括旋转部件和非旋转部件，所述旋转部件和非旋转部件转动连接。

优选的，所述折弯部件包括两组第一辊轮，所述粉芯丝材原料位于两组所述第一辊轮之间；所述填粉部件包括漏斗，所述漏斗内部加装有经过预混合处理的金属基复合材料粉末，所述漏斗的出口的位于所述粉芯丝材原料正上方；所述成型部件包括两组第二辊轮之间。

优选的，所述粉芯丝材原料初始形态为金属薄带状，所述粉芯丝材原料的截面呈平板状。

优选的，所述旋转部件包括第一夹持柄、过渡件、进给送料螺杆和搅拌针；所述过渡件顶部与所述第一夹持柄固定连接，所述过渡件的底部与所述送料螺杆端部固定连接；所述搅拌针固定设置在所述送料螺杆远离所述过渡件的一端。

优选的，所述搅拌针包括若干个凸起，每个凸起呈圆台状。

优选的，所述非旋转部件包括轴筒、第二夹持柄、低位进料孔、高位进料孔和轴肩；所述第二夹持柄位于轴筒外侧顶部；所述低位进料孔与所述高位进料孔均开设在所述轴筒侧壁并与所述轴筒内部连通；所述轴肩固定设置在所述轴筒底部；所述低位进料孔和所述高位进料孔均与所述进给送料螺杆相对应。

优选的，所述进给送料螺杆转动连接在所述轴筒内部；所述进给送料螺杆的螺纹为圆形螺纹或梯形螺纹，螺纹头数为1～3头，进给送料螺杆外径比固相增材制造机构轴筒内壁直径小0.3～1.5mm。

优选的，所述增材制造零件包括一块增材基板和沿堆积方向向上堆积的固相制造层。

优选的，粉芯丝材直径d、送丝速度f、增材制造层高h、增材制造层宽w、行进速度v满足下述关系：

4.0vhw<πfd²≤4.5vhw

一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造方法，包括以下步骤：

a、所述粉芯丝材原料首先经过折弯部件辊压呈V型截面薄带；再经过填粉部件在V型截面薄带状的粉芯丝材原料内填入预混合的金属基复合材料原料，然后由成型部件辊压成圆形截面的粉芯丝材；

b、所述圆形截面的粉芯丝材沿送丝方向从所述非旋转部件的所述低位进料孔或所述高位进料孔送入，同时所述旋转部件沿轴线高速旋转，通过所述非旋转部件和所述旋转部件之间的相对旋转使金属基复合材料粉芯丝材破碎与形变发热，使其进入热塑化状态；

c、随后圆形截面的粉芯丝材在所述进给送料螺杆的作用下向下运动，使热塑化的金属基复合材料原料流入所述搅拌针周围，并在所述搅拌针的强塑性变形作用下固结成形，在所述轴肩的抹平作用下成为平整的固相增材制造层。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明突破了现在液相增材制造对于金属基复合材料适用性差的技术瓶颈，规避了增强相与基体间的过度冶金反应，提高了增强相的分布均匀性，且可连续制备粉芯丝材完成大尺寸构件的连续固相增材制造，具有增材制造零件性能高、生产成本低、工艺易实现、过程可靠性好等特点；

(2)本发明适用于包括但不限于以铝、镁、铜、锌、钛等为基体的金属基复合材料固相增材制造，具有适用性广泛的特性，且可进一步推广至多金属夹心丝材以实现多金属相增材制造；

(3)本发明可实现复杂结构金属基复合材料零件的增材式搭建，极大地拓宽了金属基复合材料的应用广度和深度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置结构示意图；

图2为本发明金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造方法示意图；

图3为本发明旋转部件结构示意图；

图4为本发明非旋转部件结构示意图；

图5为本发明固相增材制造机构结构示意图。

其中：1、粉芯丝材成型机构；101、折弯部件；102、填粉部件；103、成型部件；104、粉芯丝材原料；2、固相增材制造机构；201、旋转部件；20101、第一夹持柄；20102、过渡件；20103、进给送料螺杆；20104、搅拌针；202、非旋转部件；20201、第二夹持柄；20202、低位进料孔；20203、高位进料孔；20204、轴肩；3、增材制造零件；301、增材基板；302、固相制造层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-5，本发明提供一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置，包括粉芯丝材成型机构1、固相增材制造机构2和增材制造零件3；

粉芯丝材成型机构1包括水平方向依次布置的折弯部件101、填粉部件102和成型部件103，折弯部件101工作部位、填粉部件102工作部位和成型部件103的工作部位加装有粉芯丝材原料104；经过折弯部件101辊压作用下折弯成V形截面，随后通过填粉部件102漏斗向V型金属薄带内填加经过预混合处理的金属基复合材料粉末，在之后通过成型部件103辊压成型为圆形截面状粉芯丝材，用于后续固相增材制造；

固相增材制造机构2包括旋转部件201和非旋转部件202，旋转部件201和非旋转部件202转动连接。

折弯部件101包括两组第一辊轮，粉芯丝材原料104位于两组第一辊轮之间；填粉部件102包括漏斗，漏斗内部加装有经过预混合处理的金属基复合材料粉末，漏斗的出口的位于粉芯丝材原料104正上方；成型部件103包括两组第二辊轮之间。金属基复合材料粉末预混合处理可选地采用球磨或是超声混合的方式进行，所用的基体粉末包含但不限于铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、钛及钛合金等，所用的增强相粉末包含但不限于碳质纳米相石墨烯、碳纳米管、富勒烯、石墨微片、氟化石墨烯等、纳米碳化硅颗粒/纤维、纳米氮化硼颗粒/纤维、纳米氧化物等，预混合过程中如果基体粉末或增强相粉末对空气敏感可采用氩气等惰性气体进行保护。

典型球磨工艺如下：称取10g的单层石墨烯与1990g平均粒径10μm的7050铝合金粉末，装入搅拌球磨机的水冷密封型不锈钢球磨罐中，加入50～90g聚乙二醇M_n 2000作为过程控制剂，加入直径为10mm的不锈钢珠作为研磨球，球料比10：1，密封罐体并往复“抽真空-充入高纯氩”3～5次以排出管中氧气、二氧化碳、水蒸气等气体，随后进行搅拌球磨处理，转速100～300rpm，球磨时间2～20h，得到预混合粉体。随后将预混合粉末放置于高纯氩保护下加热至430℃保持0.5小时，将过程控制剂完全挥发，获得预混合好的金属基复合材料粉体。

典型超声混合工艺如下：称取10g的单层石墨烯与990g平均粒径10μm的T2紫铜粉末，将其浸入3L乙醇或异丙醇中进行超声处理，超声时间30～200min，得到预混合粉体。随后将预混合粉末放置于真空干燥箱中抽真空并加热至80℃保持12小时，获得预混合好的干燥金属基复合材料粉体。

粉芯丝材原料104初始形态为金属薄带状，粉芯丝材原料104的截面呈平板状。粉芯丝材原料104包括但不限于铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、钛及钛合金等，其材质应与所用的金属基复合材料粉末基体相一致或接近，厚度0.01～1.00mm，宽度应为期望获得的粉芯丝材的直径的3.14倍，所制备的粉芯丝材直径包括但不限于1.2、1.6、2.0、2.4、3.0mm等。

旋转部件201包括第一夹持柄20101、过渡件20102、进给送料螺杆20103和搅拌针20104；过渡件20102顶部与第一夹持柄20101固定连接，过渡件20102的底部与送料螺杆端部固定连接；搅拌针20104固定设置在送料螺杆远离过渡件20102的一端；第一夹持柄20101用于与包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备的旋转主轴转子部分相连，上设有一侧铣平面用于侧固式装夹，过渡部用于连接夹持柄与进给送料螺杆20103并实现旋转部件201的装夹定位，上设有用于安装拆卸的拆卸槽，进给送料螺杆20103用于将送入的金属基复合材料粉芯丝材向下送料挤压，并在搅拌针20104的强塑性变形作用下成型为固相增材制造层。

搅拌针20104包括若干个凸起，每个凸起呈圆台状。

非旋转部件202包括轴筒、第二夹持柄20201、低位进料孔20202、高位进料孔20203和轴肩20204；第二夹持柄位于轴筒外侧顶部；低位进料孔20202与高位进料孔20203均开设在轴筒侧壁并与轴筒内部连通；轴肩20204固定设置在轴筒底部；低位进料孔20202和高位进料孔20203均与进给送料螺杆20103相对应；第二夹持柄20201用于与包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备的主轴非旋转定子部分相连，上设有圆周均布的数个通孔用于定位装夹，低位进料孔20202和高位进料孔20203分别位于非旋转部件202的较低位置和较高位置，用于将金属基复合材料粉芯丝材送入旋转部件201和非旋转部件202间隙处，并在进给送料螺杆20103的作用下向下挤压，由搅拌针20104搅拌成形，随后在轴肩20204的抹平作用下形成平整的固相增材制造层。

进给送料螺杆20103转动连接在轴筒内部；进给送料螺杆20103的螺纹为圆形螺纹或梯形螺纹，螺纹头数为1～3头，进给送料螺杆20103外径比固相增材制造机构2轴筒内壁直径小0.3～1.5mm；保证送料准确性。

增材制造零件3包括一块增材基板301和沿堆积方向向上堆积的固相制造层302。

为保证增材制造层成形致密性并避免固相增材制造机构2堵塞，粉芯丝材直径d、送丝速度f、增材制造层高h、增材制造层宽w、行进速度v满足下述关系：

4.0vhw<πfd²≤4.5vhw

工作过程：包括以下步骤：

a、粉芯丝材原料104首先经过折弯部件101辊压呈V型截面薄带；再经过填粉部件102在V型截面薄带状的粉芯丝材原料104内填入预混合的金属基复合材料原料，然后由成型部件103辊压成圆形截面的粉芯丝材；

b、圆形截面的粉芯丝材沿送丝方向从非旋转部件202的低位进料孔20202或高位进料孔20203送入，同时旋转部件201沿轴线高速旋转，通过非旋转部件202和旋转部件201之间的相对旋转使金属基复合材料粉芯丝材破碎与形变发热，使其进入热塑化状态；

c、随后圆形截面的粉芯丝材在进给送料螺杆20103的作用下向下运动，使热塑化的金属基复合材料原料流入搅拌针20104周围，并在搅拌针20104的强塑性变形作用下固结成形，在轴肩20204的抹平作用下成为平整的固相增材制造层，同时搅拌针20104也可以起到搅拌摩擦当前增材制造层和上一增材制造层界面的作用，提高界面的结合强度。固相增材制造机构2以一定行进速度沿行进方向运动，并沿堆积方向逐渐抬起，最终形成完整的固相增材制造零件3。在此过程中，金属基复合材料全程不发生熔化，是全固相的增材制造过程。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置，其特征在于：包括粉芯丝材成型机构(1)、固相增材制造机构(2)和增材制造零件(3)；

所述粉芯丝材成型机构(1)包括水平方向依次布置的折弯部件(101)、填粉部件(102)和成型部件(103)，所述折弯部件(101)的工作部位、所述填粉部件(102)的工作部位和所述成型部件(103)的工作部位加装有粉芯丝材原料(104)；

所述固相增材制造机构(2)包括旋转部件(201)和非旋转部件(202)，所述旋转部件(201)和非旋转部件(202)转动连接；

所述折弯部件(101)包括两组第一辊轮，所述粉芯丝材原料(104)位于两组所述第一辊轮之间；所述填粉部件(102)包括漏斗，所述漏斗内部加装有经过预混合处理的金属基复合材料粉末，所述漏斗的出口的位于所述粉芯丝材原料(104)正上方；所述成型部件(103)包括两组第二辊轮之间；

所述增材制造零件(3)包括一块增材基板(301)和沿堆积方向向上堆积的固相制造层(302)；

粉芯丝材直径d、送丝速度f、增材制造层高h、增材制造层宽w、行进速度v满足下述关系：

4.0vhw<πfd²≤4.5vhw；

所述旋转部件(201)包括第一夹持柄(20101)、过渡件(20102)、进给送料螺杆(20103)和搅拌针(20104)；所述过渡件(20102)顶部与所述第一夹持柄(20101)固定连接，所述过渡件(20102)的底部与所述送料螺杆端部固定连接；所述搅拌针(20104)固定设置在所述送料螺杆远离所述过渡件(20102)的一端；

所述非旋转部件(202)包括轴筒、第二夹持柄(20201)、低位进料孔(20202)、高位进料孔(20203)和轴肩(20204)；所述第二夹持柄(20201)位于轴筒外侧顶部；所述低位进料孔(20202)与所述高位进料孔(20203)均开设在所述轴筒侧壁并与所述轴筒内部连通；所述轴肩(20204)固定设置在所述轴筒底部；所述低位进料孔(20202)和所述高位进料孔(20203)均与所述进给送料螺杆(20103)相对应。

2.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置，其特征在于：所述粉芯丝材原料(104)初始形态为金属薄带状，所述粉芯丝材原料(104)的截面呈平板状。

3.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置，其特征在于：所述搅拌针(20104)包括若干个凸起，每个凸起呈圆台状。

4.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置，其特征在于：所述进给送料螺杆(20103)转动连接在所述轴筒内部；所述进给送料螺杆(20103)的螺纹为圆形螺纹或梯形螺纹，螺纹头数为1～3头，进给送料螺杆(20103)外径比固相增材制造机构(2)轴筒内壁直径小0.3～1.5mm。

5.一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造方法，基于权利要求1-4任一项的一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置，其特征在于：包括以下步骤：

a、所述粉芯丝材原料(104)首先经过折弯部件(101)辊压呈V型截面薄带；再经过填粉部件(102)在V型截面薄带状的粉芯丝材原料(104)内填入预混合的金属基复合材料原料，然后由成型部件(103)辊压成圆形截面的粉芯丝材；

b、所述圆形截面的粉芯丝材沿送丝方向从所述非旋转部件(202)的所述低位进料孔(20202)或所述高位进料孔(20203)送入，同时所述旋转部件(201)沿轴线高速旋转，通过所述非旋转部件(202)和所述旋转部件(201)之间的相对旋转使金属基复合材料粉芯丝材破碎与形变发热，使其进入热塑化状态；

c、随后圆形截面的粉芯丝材在所述进给送料螺杆(20103)的作用下向下运动，使热塑化的金属基复合材料原料流入所述搅拌针(20104)周围，并在所述搅拌针(20104)的强塑性变形作用下固结成形，在所述轴肩(20204)的抹平作用下成为平整的固相增材制造层。