本發(fā)明涉及3D打印復合材料制備技術領域，特別是一種利用超聲波固結(jié)技術制造非晶/金屬箔微疊層復合材料的制備方法。

背景技術：

非晶合金由于其特殊的長程無序、短程有序的原子結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出比常規(guī)晶態(tài)金屬更加優(yōu)異的性能，如高強度、高模量、良好的耐磨耐蝕性、優(yōu)異的磁學性能等，在航空、航天、軍事及民用領域具有非常廣泛的應用前景。但由于非晶合金室溫塑性差，且當前可制備的塊體非晶材料臨界尺寸小，使得非晶合金的廣泛應用受到極大限制。通過非晶及其復合材料超聲波固結(jié)積累制造技術可實現(xiàn)低溫下非晶、金屬箔間的冶金焊合，并基于此通過積累增材、銑削減材等步驟實現(xiàn)非晶/金屬復層三維零件的3D制造，迄今為止尚未見報道。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，從而克服非晶材料臨界尺寸小、室溫塑性差、限制其作為結(jié)構(gòu)材料的缺陷。

為解決以上技術問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供的一種非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，提取零件的分層數(shù)據(jù)，在金屬箔材基底上采用超聲波焊接逐層將非晶帶材與金屬箔材焊接結(jié)合，并按照設定的零件輪廓逐層對焊接后的非晶/金屬疊層復合材料進行切削，最終獲得由非晶/金屬微疊層復合材料構(gòu)成的零件結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的基本構(gòu)思是非晶及其復合材料超聲波固結(jié)積累制造技術可實現(xiàn)低溫下非晶、金屬箔間的冶金焊合，利用積累增材制造獲得非晶/金屬疊層復合材料，再通過數(shù)控銑削完成對復合材料的減材制造過程，從而實現(xiàn)非晶/金屬復層三維零件的3D制造。

進一步地，所述的非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，包括步驟：

一，首先對非晶帶材及金屬箔材表面進行表面處理；

二， 在電磁吸附基板上先鋪放一張金屬箔，通過電磁力或夾具將其位置固定；

三，對成型零件進行三維數(shù)據(jù)采集及切片處理得到若干層水平層數(shù)據(jù)，設定非晶帶材的疊放方向和疊放路徑，其中，疊放方向包括X方向、Y方向和介于X、Y方向之間的角度，疊放路徑包括開始和結(jié)束時的疊放位置；

四，進行超聲波焊接，滾動超聲波發(fā)生器沿設定的疊放路徑在非晶/金屬箔材表面滾動，非晶帶材與金屬箔在軋制壓力作用以及超聲波振動作用下實現(xiàn)焊合；

五，完成一層非晶/金屬箔焊接后切割該復合層至所需的零件輪廓；

六，重復步驟三至五，直到完成非晶/金屬微疊層復合材料零件的成形；

七，對成形零件進行后處理，獲得非晶/金屬微疊層復合材料。

進一步地，步驟一中，采用化學清洗結(jié)合機械研磨方式對非晶帶材及金屬箔材表面進行表面處理，具體是將非晶帶材及金屬箔材的表面采用質(zhì)量濃度為3％的鹽酸酒精清理，再用砂紙對非晶帶材及金屬箔材表面進行粗磨，再用羊毛氈分別對非晶帶材及金屬箔材從橫向、縱向和45°方向上進行打磨，隨后放置于超聲波清洗機中清洗，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗箔材表面，直到徹底清洗干凈后使用吹風機將表面吹干。

進一步地，步驟三中，非晶帶材在與金屬箔層上疊放時，同層非晶帶材成相互平行的方向鋪滿鋁箔層，非晶帶材間距≤0.1mm；非晶帶材的疊放角度從第一層向上沿順時針方向逐層遞加，不同層中非晶帶材疊放角度應與相鄰層間夾角≤10°。

進一步地，步驟四中，按設定好的疊放方向轉(zhuǎn)動基板至相應的角度，沿所設定的疊放路徑利用超聲波滾焊方式逐條將非晶帶材焊接至金屬箔上，直至非晶帶材覆蓋整個金屬箔材表面。

進一步地，所述的鐵基非晶帶材，其成分為：Fe_73.5Si_13.5B_9.5Cu₁Nb_2.5，厚度為30μm，寬度為25 mm。

進一步地，所述的金屬箔材選自鐵金屬箔材和鋁金屬箔材中的一種，其厚度為650μm，長度×寬度為150×150mm。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種非晶/金屬微疊層復合材料，所述的材料由上述方法制備得到。

本發(fā)明的有益效果為：（1）選取普通商用非晶、金屬帶材作為原材料，利用成本低廉的原材料，通過層層疊加制造方法制備結(jié)構(gòu)功能一體化的大塊體非晶/金屬微疊層復合材料。該復合材料中存在的微米級多界面效應能克服非晶合金室溫塑性差、斷裂韌性低的劣勢。（2）超聲波固結(jié)過程是固態(tài)焊接成形過程，溫度低（僅為一般是金屬熔點的25%~50%），因此材料內(nèi)部的殘余內(nèi)應力低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，省去了后期可能會導致非晶組織晶化的去應力退火工藝。（3）該方法與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，易實現(xiàn)由非晶/金屬微疊層復合材料構(gòu)成的三維復雜形狀零件的制造，可實現(xiàn)溝槽、孔洞、泡沫結(jié)構(gòu)、蜂巢結(jié)構(gòu)等復雜結(jié)構(gòu)的數(shù)控加工一體化，還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與性能要求實現(xiàn)疊層梯度化加工成型。（4）超聲波焊接不僅可以獲得焊合界面的冶金結(jié)合，且在焊接過程中超聲波可有效擊碎箔材表面的氧化膜、鈍化膜等，使焊材界面處露出新鮮表面，同時通過滾焊提供的下壓力促進新鮮表面的緊密連接結(jié)合，從而制備出大尺寸的非晶基微疊層復合材料。

附圖說明

圖1 本發(fā)明成形裝置結(jié)構(gòu)裝置示意圖。

圖中：1-換能器， 2-滾動聲極，3-已成型的非晶/金屬微疊層復合材料，4-待成型的非晶帶材，5-電磁吸附基板，6-數(shù)控銑刀，7-成型平臺，8-成型平臺轉(zhuǎn)軸。

圖2是實施例1制得的非晶/鐵箔微疊層復合材料顯微組織。

圖3是實施例2制得的非晶/鋁箔微疊層復合材料界面硬度分布曲線。

圖4是實施例2制得的非晶/鋁箔微疊層復合材料顯微組織及界面硬度壓痕分布圖。

圖5是實施例2制得的非晶/鋁箔微疊層復合材料的金屬及非晶層硬度壓痕對比圖。

具體實施方式

微疊層復合材料（Micro-Laminate）是依據(jù)仿生學原理，模擬自然界中貝殼的結(jié)構(gòu)，以高硬度、高彈性模量的非晶箔帶材作為強性層與塑性、韌性較好的金屬鋁箔層交替疊加，利用層層疊加制造方法獲得大塊體非晶復合材料；同時通過微米級層間距帶來的多界面效應克服非晶合金室溫塑性差、斷裂韌性低的劣勢，以期獲得具有高強度、高比模量、高韌性等優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)功能一體化非晶/金屬微疊層復合材料。

超聲波固結(jié)疊層制造是一種固態(tài)自由成型工藝，采用超聲波工藝焊接金屬箔、帶材，制造3D金屬結(jié)構(gòu)。超聲波焊接是在超聲頻率機械振動能量和靜壓力共同作用下，連接同種或異種金屬、半導體、塑料等的特殊焊接方法。超聲波焊接金屬材料時，既不向工件輸送電流，也不引入高溫熱源，只是聲極在壓力作用下做縱向超聲振動，以激振力作用于工件上，使被焊金屬之間產(chǎn)生高頻摩擦，瞬間激活金屬晶格中的金屬原子產(chǎn)生相互擴散，從而達到材料的焊合。由于超聲波固結(jié)適于焊接金屬箔、帶材，因此可以將超聲波焊接過程與積累制造過程相結(jié)合，用于制備具有疊層結(jié)構(gòu)的復合材料或零件。

超聲波焊接技術與傳統(tǒng)的疊層復合材料制造方法（如鑄造，擴散焊接和噴射沉積技術等）相比具有顯著的優(yōu)勢：

第一，超聲波焊接工藝成型溫度較低。焊接界面的摩擦熱溫度僅為金屬箔材熔點的四分之一到一半左右，在零件制造的離散過程中，這部分熱量幾乎可以忽略不計。這一工藝特點特別適合于對溫度十分敏感的非晶合金的焊接成型，成型溫度低于熔點有利于保持非晶箔材中原子長程無序的非平衡結(jié)構(gòu)。此外，也不必擔心凝固收縮帶來的尺寸誤差，殘余應力，以及液態(tài)成形中常出現(xiàn)的脆性金屬間化合物和異質(zhì)金屬的互溶問題。第二，在金屬箔表面有氧化膜或鈍化膜時，如鋁合金、不銹鋼等，超聲波能量打碎并分散表面氧化膜和雜質(zhì)，形成原子連接，因此不必考慮被焊金屬材料間的界面潤濕性問題。第三，超聲波制造結(jié)合了增材制造和去除制造的優(yōu)勢，可以用來制造復雜的3D 結(jié)構(gòu)零件，并且具有高精度和高的表面質(zhì)量，還可以對具有復雜外形及內(nèi)部通道的零件進行成型，從而實現(xiàn)多種材料的同時疊層制造。此外，堆疊制造過程中還可在內(nèi)部埋入加強纖維、形狀記憶合金纖維、光纖、傳感器等電子元件獲得智能疊層復合材料。

基于此，本發(fā)明選取已實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)的鐵基非晶帶材（Fe-Si-B 非晶合金）與低成本的鋁箔材為原材料，結(jié)合超聲波積累制造優(yōu)勢，提出一種利用超聲波積累制造制備結(jié)構(gòu)功能一體化大尺寸非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法。

在本發(fā)明一種典型的實施方式中，一種非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，包括步驟：提取零件的分層數(shù)據(jù)，在金屬箔材基底上采用超聲波焊接逐層焊接鐵基非晶帶材，并按照設定的零件輪廓逐層對焊接后的非晶/金屬箔進行切割，最終獲得非晶/金屬微疊層復合材料。

在一種相對具體是實施方式中，本發(fā)明所述的非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，包括步驟：

步驟一，首先對非晶帶材及金屬箔材表面進行表面處理。

在該步驟中，優(yōu)選地采用化學清洗結(jié)合機械研磨方式對非晶帶材及金屬箔材表面進行表面處理，具體是將非晶帶材及金屬箔材的表面采用質(zhì)量濃度為3％的鹽酸酒精清理，再用砂紙對非晶帶材及金屬箔材表面進行粗磨，再用羊毛氈分別對非晶帶材及金屬箔材從橫向、縱向和45°方向上進行打磨，隨后放置于超聲波清洗機中清洗，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗箔材表面，直到徹底清洗干凈后使用吹風機將表面吹干。該方法一方面可去除工業(yè)生產(chǎn)箔材表面的氧化物及油污等雜質(zhì)，另一方面通過機械研磨增加箔材表面積，增大接觸界面以及相對摩擦系數(shù)。在基臺上預鋪的金屬箔材表面也需按上述方法進行表面處理。

步驟二，在電磁吸附基板上先鋪放一張金屬箔，通過電磁力或夾具將其位置固定。

步驟三，對成型零件進行三維數(shù)據(jù)采集及切片處理得到若干層水平層數(shù)據(jù)，設定非晶帶材的疊放方向和疊放路徑，其中，疊放方向包括X方向、Y方向和介于X、Y方向之間的角度，疊放路徑包括開始和結(jié)束時的疊放位置。

優(yōu)選地，在該步驟中，非晶帶材在與金屬箔層上疊放時，同層非晶帶材成相互平行的方向鋪滿鋁箔層，非晶帶材間距≤0.1mm；非晶帶材的疊放角度從第一層向上沿順時針方向逐層遞加，不同層中非晶帶材疊放角度應與相鄰層間夾角≤10°。該步驟中，非晶帶材疊放路徑通過計算機軟件進行設定，

步驟四，進行超聲波焊接，滾動超聲波發(fā)生器沿設定的疊放路徑在非晶/金屬箔材表面滾動，非晶帶材與金屬箔在軋制壓力作用以及超聲波振動作用下實現(xiàn)焊合。超聲波滾焊過程包括利用軋輥式超聲波發(fā)生器為箔材焊合提供靜壓力，在界面微區(qū)域產(chǎn)生塑性變形；同時利用大功率超聲波換能器的振動作用，一方面通過箔材間凈摩擦使非晶帶材/金屬界面產(chǎn)生“咬合”，另一方面通過摩擦生熱為界面焊合提供一定溫度，通過協(xié)調(diào)和控制超聲波發(fā)生器功率，軋輥壓下量以及界面的焊合溫度三個工藝參數(shù)，實現(xiàn)箔材的焊合。

優(yōu)選地，在步驟四中，按設定好的疊放方向轉(zhuǎn)動基板至相應的角度，沿所設定的疊放路徑利用超聲波滾焊方式逐條將非晶帶材焊接至金屬箔上，直至非晶帶材覆蓋整個金屬箔材表面。

步驟五，完成一層非晶/金屬箔焊接后切割該復合層至所需的零件輪廓。

在步驟三至步驟五之間，首先將非晶/金屬微疊層復合材料三維CAD模型通過計算機分層，得到若干水平層數(shù)據(jù)；步驟五中在完成每一層的超聲波焊接后，采用CNC數(shù)控銑削加工，逐層將非晶/金屬微疊層復合材料構(gòu)成的零件輪廓銑削成形。

步驟六，重復步驟三至五，直到完成非晶/金屬微疊層復合材料零件的成形；

步驟七，對成形零件進行后處理，獲得非晶/金屬微疊層復合材料。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的鐵基非晶帶材，其成分為：Fe_73.5Si_13.5B_9.5Cu₁Nb_2.5，厚度為30μm，寬度為25mm。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的金屬箔材選自鐵金屬箔材和鋁金屬箔材中的一種，其厚度為650μm，長度×寬度為150×150mm。

以上方法中所述的超聲波焊接設備主要包括：9kW大功率超聲波發(fā)生器，推-挽式超聲波換能器，電機械換能耦合裝置（包括水冷系統(tǒng)）。

在以上制備方法是基礎上，本發(fā)明還提供一種通過以上方法制得的非晶/金屬微疊層復合材料。

本發(fā)明選取的是已實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的鐵基非晶帶材（Fe-Si-B 非晶合金）與低成本的鋁、鐵箔材為原材料，提出一種利用超聲波積累制造制備結(jié)構(gòu)功能一體化大尺寸非晶/金屬微疊層復合材料的方法。超聲波焊接實現(xiàn)焊合的能量是通過超聲波機械振動和對結(jié)合界面施加壓力的方式共同作用獲得的，其與超聲波聲極功率，焊合時間、焊合金屬相對摩擦系數(shù)以及焊接材料的阻尼系數(shù)相關。其中焊合材料的摩擦系數(shù)及阻尼系數(shù)在本發(fā)明方法中為固定值，由此，本發(fā)明通過控制和協(xié)調(diào)超聲波聲極功率、焊合時間、以及施加壓力等參數(shù)，是超聲波功率既能夠保證破碎金屬及非晶箔材表面的氧化物層，又能夠與滾焊壓力配合，借助塑性變形與超聲波振動提供的能量相結(jié)合實現(xiàn)非晶箔材與金屬箔材間的冶金結(jié)合，實現(xiàn)非晶/金屬箔材的增材制造，在利用CNC系統(tǒng)的對獲得的非晶/金屬微疊層復合材料進行減材制造，從而實現(xiàn)非晶/金屬微疊層復合構(gòu)件的3-D成型。

以下結(jié)合說明書附圖及實施例1和實施例2對本發(fā)明的技術方案和技術效果作進一步說明。

實施例1：制備非晶/鐵箔微疊層復合材料

本實施例是一種鐵基非晶合金/鐵箔微疊層復合材料的制備方法，所述的非晶合金為用Fe_73.5Si_13.5B_9.5Cu₁Nb_2.5 制成的寬度為25mm，厚度為30μm 的帶材；所述的鐵箔為150mm×150mm ，厚度為650μm的T2 純鐵箔材。本實施例的具體過程為：

第一步，表面處理：將鐵箔材及非晶帶材的表面采用濃度為3％的鹽酸酒精清理，去除箔材表面的氧化膜。隨后將鐵箔材及非晶帶材依次經(jīng)過240#、400#、800#、1000#、1500#、2000# 砂紙打磨至表面光亮，再用羊毛氈分別對箔材從橫向、縱向和45°方向上進行打磨，最后放置于超聲波清洗機中清洗20分鐘，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗箔材表面，直到徹底清洗干凈后使用吹風機將表面吹干。

第二步，將預處理后的鐵箔鋪放于電磁吸附基板5之上，通過電磁力將其固定。

第三步，模型建立：利用Solidworks軟件建立零件的三維模型。利用Magics軟件對零件的三維模型進行處理，將圓管棱邊倒角設定為R0.5mm。利用AutoFab軟件對模型進行切片處理，切片厚度與非晶帶材厚度一致，為0.03mm，將切好的數(shù)據(jù)模型導入到成形計算機。

第四步，設定疊層及加工路徑：在成形計算機中按照所需零件CAD 輪廓設定每層的加工路徑，設定每層非晶帶材的疊放方向，第一層從0度開始，在成型平臺7上，隨著積累制造過程每加工完成一層后，沿成型平臺轉(zhuǎn)軸8旋轉(zhuǎn)10度，如此往復，從而獲得每層具有不同疊放角度的非晶/金屬微疊層復合材料（如圖1中已成型的復合材料3所示）。

第五步，超聲波焊接：超聲波發(fā)生器通過換能器1將能量轉(zhuǎn)換成機械能，滾動聲極2 在壓力作用下，產(chǎn)生沿法向方向的壓力100～300MPa，以30～50mm/s 的速度向前滾動，同時，將超聲波振動傳遞給待成型的非晶帶材4，實現(xiàn)非晶帶材和鐵金屬箔之間的連接，超聲波振動頻率20kHz，振動幅度5～15μm，滾動聲極2直徑30～60mm。

第六步，按照設定的零件加工路徑，采用數(shù)控加工逐層切割已成形的微疊層復合材料零件CAD 輪廓，數(shù)控銑刀6直徑2～3mm，數(shù)控銑刀6轉(zhuǎn)速3000～15000轉(zhuǎn)/分。

第七步，零件成形后，采用角向砂輪打磨進行表面處理。砂輪粒度46～60#，角磨機轉(zhuǎn)速30～60轉(zhuǎn)/秒，打磨時間30～60分鐘，砂輪背吃刀量0.01～0.03mm。經(jīng)過噴砂處理后，零件表面光潔度達到Ra4～6.3。制得的非晶/鐵箔微疊層復合材料顯微組織如圖2所示。

實施例2：制備非晶/鋁箔微疊層復合材料

本實施例是一種鐵基非晶合金/鋁箔微疊層復合材料的制備方法，所述的非晶合金為Fe_73.5Si_13.5B_9.5Cu₁Nb_2.5， 制成的寬度為25mm，厚度為30μm 的帶材；所述的鐵箔為150mm×150mm ，厚度為650μm的T2 純鋁箔材。本實施例的具體過程為：

第一步，表面處理：將鋁箔材及非晶帶材的表面采用濃度為3％的鹽酸酒精清理，去除箔材表面的氧化膜。隨后將鋁箔材及非晶帶材依次經(jīng)過240#、400#、800#、1000#、1500#、2000# 砂紙打磨至表面光亮，再用羊毛氈分別對鋁箔材及非晶帶材從橫向、縱向和45°方向上進行打磨，最后放置于超聲波清洗機中清洗20分鐘，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗箔材表面，直到徹底清洗干凈后使用吹風機將表面吹干。

第二步，將預處理后的鋁箔鋪放于電磁吸附基板5之上，利用夾具將其固定。

第三步，模型建立：利用Solidworks軟件建立零件的三維模型。利用Magics軟件對零件的三維模型進行處理，將圓管棱邊倒角設定為R0.5mm。利用AutoFab軟件對模型進行切片處理，切片厚度與非晶帶材厚度一致，為0.03mm，將切好的數(shù)據(jù)模型導入到成形計算機。

第四步，設定疊層及加工路徑：在成形計算機中按照所需零件CAD 輪廓設定每層的加工路徑，設定每層非晶帶材的疊放方向，第一層從0度開始，在成型平臺7的上，隨著積累制造過程每加工完成一層后，沿成型平臺轉(zhuǎn)軸8旋轉(zhuǎn)10度，如此往復，從而獲得每層具有不同疊放角度的非晶/金屬微疊層復合材料（如圖1中已成型的復合材料3所示）。

第五步，超聲波焊接：超聲波發(fā)生器通過換能器1將能量轉(zhuǎn)換成機械能，滾動聲極2 在壓力作用下，產(chǎn)生沿法向方向的壓力80～120MPa，以30～50mm/s 的速度向前滾動，同時，將超聲波振動傳遞給待成型的非晶帶材4，實現(xiàn)非晶帶材和鋁金屬箔之間的連接，超聲波振動頻率15kHz，振動幅度2～10μm，滾動聲極2 直徑30～60mm。

第六步，按照設定的零件加工路徑，采用數(shù)控加工逐層切割已成形的微疊層復合材料零件CAD 輪廓，數(shù)控銑刀6直徑2～3mm，數(shù)控銑刀6轉(zhuǎn)速3000～15000轉(zhuǎn)/分。

第七步，零件成形后，采用角向砂輪打磨進行表面處理。砂輪粒度46～60#，角磨機轉(zhuǎn)速30～60轉(zhuǎn)/秒，打磨時間30～60分鐘，砂輪背吃刀量0.01～0.03mm。經(jīng)過噴砂處理后，零件表面光潔度達到Ra4～6.3。

本實施例制得的非晶/鋁箔微疊層復合材料顯微組織及其界面硬度分布結(jié)果如圖3所示。非晶層的硬度（約1000HV）遠高于金屬層（約150HV）。兩者間顯示出的巨大硬度差異正與非晶/鋁箔微疊層復合材料的設計目的相吻合，即通過將具有高強度、高剛度的非晶層與具有相對韌性和塑性的金屬層結(jié)合而獲得優(yōu)異的綜合力學性能。此外，在非晶層和金屬層間還存在一層硬度約350HV的過渡層，由此降低了從極硬材料至極軟材料間的硬度突變，部分緩解了界面應力。