CN111515399A - 一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔融堆积增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔融堆积增材制造方法，本发明是面对金属增材制造工艺提出的，该工艺将金属微喷熔滴成形与TIG电弧相结合，同时以气载粉的方式将陶瓷颗粒通过送粉管送入熔池，与基体材料结合形成陶瓷颗粒增强的金属基复合结构。成形过程中，首先利用高频电磁感应将坩埚中的金属基体材料加热到熔融态，熔体在压电陶瓷激振杆的作用下经喷嘴流出形成直径约2mm大小的熔滴，熔滴0.5‑1m/s的冲击速度落入金属基板表面TIG电弧所形成的熔池中。变极性TIG焊枪与金属基板呈65°倾角，电弧弧长约7mm，基板保持水平运动。同时，通过送粉器将陶瓷颗粒增强相以气载粉的方式从外部送入熔池中，凝固后形成陶瓷颗粒增强的金属基复合材料结构。

Description

一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔融堆积增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔融堆积增材制造成形方法，具体涉及SiC增强铝基复合材料熔融堆积成形方法。
背景技术
SiC是一种常见的陶瓷相，因为它熔点高，刚度高，硬度高，具有良好的热稳定性，室温下耐腐蚀能力强和低热膨胀系数的特点，是一种理想的复合材料增强相。为了增加单一金属的强度等力学性能，SiC颗粒增强金属基复合材料可以充分发挥每种材料各自的优势，使陶瓷颗粒与金属基体发生界面反应，从而改变金属基体的微观组织，提高基体材料的力学性能。但是，对复合材料而言，陶瓷颗粒与金属基体能否良好的浸润，颗粒是否分布均匀，对材料成型后的强度、硬度都起着至关重要的作用。所以成形工艺的选择成为影响陶瓷颗粒增强金属基复合材料的关键因素之一。目前用于制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料的工艺有多种，包括粉末冶金法、原位合成法、搅拌铸造法、激光熔覆技术等。
粉末冶金法是一种通过普通球磨和机械合金化等技术将陶瓷增强材料和金属基体粉末充分混合后使用磨具将混合物料压制以获得所需的形状，最后将坯体加热到熔点以下的高温进行烧结最终凝固的方法。其优点在于能够实现近净形状的生产，并可以合成含有较高体积分数增强颗粒的复合材料，在某些情况下能够制备液相法无法制备的复合材料。但由于化学性质的不同，使用材料不同对烧结过程中的扩散过程产生很大影响，导致致密化不完全。许多情况下，为了增强扩散过程来实现完全致密化常常要用到热压烧结工艺，而热压烧结工艺增加了产品成本，降低了生产速率，也可能损坏增强体。对于SiCp/Al基复合材料等，粉末冶金技术相比液相法仍然昂贵，只适用于生产小而简单的形状。
原位合成是指通过化学反应，在基体中直接合成增强体的一项技术，其中的增强体是原位元素或元素与化合物之间发生放热反应形成的。增强相一般先要经过单独的预处理，增强相的尺度受到起始粉末尺寸的限制，粉末尺寸一般在几微米到数十微米之间，很少小于1μm。还需要克服增强体与基体的界面反应，以及由于增强体表面污染导致的增强体与基体的润湿性差等缺点。
搅拌铸造法是一种经典的加工方法，因为它相对简单、灵活，适用于大批量生产。在搅拌铸造技术的常规工艺中，将基体材料在容器中熔化，然后将熔融金属充分搅拌，形成涡流，并通过涡流侧引入增强颗粒。但搅拌铸造易发生陶瓷颗粒的团聚和沉积、机械搅拌过程中陶瓷颗粒的断裂和熔体的局部凝固。此外，旋涡的形成不仅将增强颗粒卷入熔体中，而且还将在熔体表面形成的所有杂质卷入其中。涡流也会将空气带入金属液中，随着溶体粘度的增加，卷入的气体难以去除。
激光熔覆是制备金属基颗粒增强复合材料的理想方法之一。与传统的堆焊、喷涂相比,激光熔覆技术具有稀释率低,气孔和裂纹缺陷少、组织致密、能量集中、热影响区小等优点。送粉式激光熔覆技术容易实现自动化控制,激光能量吸收率高、加工成形性良好,但对粉的质量要求比较高,熔覆层孔隙率比较大,粉的利用率不高,直接带来的结果是成本高,同时造成粉尘污染。送丝式激光熔覆技术制备的表面层致密度好,气孔率几乎为零。采用丝材能够节省材料,成本低,制备的表面层具有较大的厚度。
分析比较几种不同方法可知，粉末冶金法、原位合成法两种复合材料制备方法都需要对粉末状的基体或增强相进行不同形式的预处理和充分混合，制备成本较高。搅拌铸造法易产生颗粒混合不均匀，夹气和夹杂等现象。而激光熔覆技术加工成形性较好，但还存在粉末利用率不高，带有增强体的基体丝材难以制备，成型效率较低等缺点。
SiC陶瓷颗粒增强金属基复合材料广泛应用于航空航天、汽车以及电子领域。SiC熔点高，刚度高，硬度高，具有好的热稳定性，室温下耐腐蚀能力强和低热膨胀系数的特点。金属基体来源广泛，具有低成本、相对较低的加工温度、低密度、优异的强度、韧性和耐腐蚀性等特点，但力学性能和摩擦性能较差，限制了其更广泛的使用。所以SiC陶瓷颗粒增强金属基复合材料成形的结构既可以保证结构的轻质高强，又可以在一定程度上提高结构的硬度与耐磨性。
目前陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备多采用传统的粉末冶金、原位合成和搅拌铸造工艺，但制备成本昂贵，预处理流程复杂。而激光熔覆工艺虽兼顾了制备与成形，但还存在成型效率低，材料要求高等缺点，已不能满足颗粒增强金属基复合材料成形速率的要求，所以亟需实现简易高效的颗粒植入方式和高速率成形同步的工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种能够提高复合材料力学性能的先进成形方法。该方法利用金属微喷熔滴原理，复合TIG电弧做辅助热源，以气载粉的方式将SiC陶瓷颗粒送入熔滴与基板结合形成的熔池。在保证以上性能的同时，很好地将成形灵活性，成形速率以及设备成本兼顾起来。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔融堆积增材制造方法，将微喷熔滴成形与TIG电弧复合，首先利用高频电磁感应加热将金属基材料加热到熔融态，在压电陶瓷激振杆的作用下，液态金属经喷嘴流出，以熔滴的形式下落到金属基板上，同时焊机起弧，电弧力以与金属基板成40°～70°的倾角作用在熔滴的正下方，使金属基板表面电弧作用的地方形成液态熔池，熔滴与金属基板发生液液结合，同时以气载粉的形式将陶瓷颗粒送入熔池，冷却后形成陶瓷颗粒增强的金属基复合结构，通过控制焊接电流在200-260A，金属基板运动速度在5-8mm/s以及熔滴下落频率为20Hz。
所述的金属基材料是指铝合金基材和镁合金基材，电弧力与金属基板倾角选择为65°，陶瓷颗粒增强项包括SiC、Al2O3、ZrO2、WC或TiB2，金属基板为2024铝合金基板以及个别牌号的镁合金基板。
本发明技术上做了以TIG电弧做辅助热源的金属微喷熔滴工艺的改进，使金属熔滴与金属基板在电弧作用区发生液液结合，同时使用送粉机将SiC陶瓷颗粒以气载粉的方式送入熔池，达到了陶瓷颗粒增强金属基复合材料成形的技术效果。
附图说明
图1是本发明的整体装备示意图；
图2是成型原理示意图。
图中，1、电缸，2、支撑架，3、手套箱，4、直线电机，5、福尼斯TIG焊机，6、工控机，7、控制柜、8、压电控制器，9、送粉机，10、气瓶，11、导柱，12、运动平台，13、TIG焊枪，14、焊枪夹持手柄，15、高压喷射管，16、石墨坩埚，17、感应加热线圈，18、压电陶瓷激振杆，19、金属熔体，20、喷嘴，21、熔滴，22、金属基板，23、SiC陶瓷颗粒，24、沉积层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明的具体设备置于充满氩气的手套箱中，手套箱水氧含量<2ppm以下,水含量<20ppm以下。高频电磁感应加热器将坩埚熔炼***加热到700℃以使坩埚内的金属充分熔化。同时由压电控制器产生一定频率的振动作用在压电陶瓷上，使压电陶瓷产生位移,挤压膜片改变坩埚内熔液体积,迫使熔体流出喷嘴形成微滴。计算机控制***控制的三维运动平台由X、Y直线电机和旋转电机驱动的电缸组成。金属基板固定在由二维直线电机带动的运动平台上，平台带有隔热板、冷却板以及加热板等负载。带抱闸的伺服旋转电机通过减速器使直线电缸推动平台做Z向运动。喷嘴一侧TIG焊枪提供的前置电弧热源以65°倾角作用在金属基板上，焊枪由焊枪夹持机构固定在手套箱后板上，与基板保持8mm的起弧距离，喷嘴与基板表面垂直距离37.5mm。在喷嘴另一侧，通过侧向送粉嘴将陶瓷颗粒增强相送入熔池中，与落入熔池的熔滴结合，凝固后得到SiC颗粒增强的金属基复合成形层。
参见图1，2，本发明主要包括手套箱3以及手套箱里的微喷熔滴装置、TIG焊装置以及送粉装置及其运动控制***，其中密封手套箱安装在支撑架2上。直线电机4安装在运动平台12上，平台由电缸1推动沿导柱11做Z向运动。金属基板安装在直线电机上，基板随直线电机做X、Y方向平面运动。基板上方的石墨坩埚16外套有高频电磁感应线圈17，坩埚下部与喷嘴20相连。喷嘴一侧分别是与基板倾角为65°的TIG焊焊枪和SiC颗粒高压喷射管，颗粒由管嘴喷出与熔滴21结合。熔滴由位于石墨坩埚内的压电陶瓷激振杆18产生，压电陶瓷激振杆的位移由压电控制器8输出的波形控制。
本发明依据金属3D打印原理，在原有的金属微喷熔滴工艺基础上引入TIG电弧作为辅助热源，首先利用高频电磁感应加热将2024铝合金金属基体加热到熔融态，在压电陶瓷的激振作用下，金属熔滴在喷嘴处断裂，下落到2024铝合金基板上，同时焊机起弧，电弧力以与基板成65°倾角作用在熔滴的正下方，使基板表面电弧作用的地方发生局部液化，形成熔池。熔滴与基板发生液液结合的同时以高压气载粉的形式将SiC陶瓷颗粒送入熔池，冷却后形成陶瓷颗粒增强的铝基复合成形层。通过控制焊接电流、基板运动速度、熔滴下落频率以及送粉速率，可以使得成形质量稳定可靠，使成形件同时具备良好的表面形貌及优良的力学性能。
本发明的焊枪通过焊枪夹持机构固定在手套箱3的背板上，调整焊枪13与基板22的角度到65°，使焊枪夹持手柄14平行于基板，焊枪钨针尖端与基板保持8mm起弧距离，喷嘴末端与基板间距37.5mm，熔滴以20Hz频率下落到成形基板上，基板运动速度控制在5-8mm/s，焊接电流使用200-260A，基板加热到280-320℃，可获得该工艺最佳成形效果。

Claims (2)

1.一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔融堆积增材制造方法，其特征在于：将微喷熔滴成形与TIG电弧复合，首先利用高频电磁感应加热将金属基材料加热到熔融态，在压电陶瓷激振杆的作用下，液态金属经喷嘴流出，以熔滴的形式下落到金属基板上，同时焊机起弧，电弧力以与金属基板成40°～70°的倾角作用在熔滴的正下方，使金属基板表面电弧作用的地方形成液态熔池，熔滴与金属基板发生液液结合，同时以气载粉的形式将陶瓷颗粒送入熔池，冷却后形成陶瓷颗粒增强的金属基复合结构，通过控制焊接电流在200-260A，金属基板运动速度在5-8mm/s以及熔滴下落频率为20Hz。
2.根据权利要求1所述一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料熔融堆积增材制造方法，其特征在于：所述的金属基材料是指铝合金基材和镁合金基材，电弧力与金属基板倾角选择为65°，陶瓷颗粒增强项包括SiC、Al2O3、ZrO2、WC或TiB2，金属基板为2024铝合金基板以及个别牌号的镁合金基板。
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