本發(fā)明涉及顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料和增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種采用雙絲等離子弧堆焊制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著增材制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展，利用增材技術(shù)制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的技術(shù)和應(yīng)用研究持續(xù)增加。增材制造技術(shù)將顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備和形狀制造融為一體，具有短流程、高效率和低成本等制造優(yōu)勢(shì)。

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料兼具金屬的塑性、韌性和陶瓷的高強(qiáng)度、高剛度，從而顯示出不同于基體合金的物理和機(jī)械性能，如較高的比強(qiáng)度、比剛度及更好的熱穩(wěn)定性、耐磨性以及尺寸穩(wěn)定性等。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的傳統(tǒng)制備方法有粉末冶金法、攪拌鑄造法、真空壓力浸漬法和共噴射沉積法。其中，粉末冶金法中的激光粉末燒結(jié)法和等離子弧熔積法都是具有增材技術(shù)屬性的方法，均擁有良好的應(yīng)用前景。

激光粉末燒結(jié)法是一種典型的增材技術(shù)制備方法，所制零件性能優(yōu)越，增強(qiáng)體分布均勻，但是制造成本比較高，不太適合中大型零件的制造。等離子弧熔積法制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，則是利用等離子弧熔化原材料并分層堆積制造零件。相較而言，等離子弧熔積法是一種生產(chǎn)效率更高的增材方法，更適合中大型零件的制造?，F(xiàn)有等離子弧熔積法的制造過程是：在基體金屬的等離子弧焊過程中，向金屬熔池噴射陶瓷粉末，逐層堆積形成零件。該制造過程存在如下問題：（1）現(xiàn)有的等離子弧熔積法一般采用保護(hù)氣體送粉的方法將粉末送至熔池區(qū)域，陶瓷粉末利用率低；（2）由于熔池的表面反彈以及表面張力作用，陶瓷粉末難進(jìn)入熔池內(nèi)部，只有部分粉末覆著于熔池表面，難以與金屬基體形成深層的混合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有等離子弧熔積法存在的問題，提供一種采用雙絲等離子弧堆焊制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：雙絲等離子弧堆焊制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，采用雙絲分層堆積來制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件，所述的雙絲為藥芯焊絲和金屬焊絲。其具體步驟為：

a、制備藥芯焊絲：采用軋拔法制備藥芯焊絲，藥芯焊絲包括藥芯和外殼，藥芯為陶瓷粉末和金屬粉末的混合物，外殼為金屬基體。

制備藥芯焊絲前，采用球磨法將陶瓷粉末和金屬粉末充分混合，陶瓷粉末和金屬粉末的體積比根據(jù)零件顆粒增強(qiáng)相的目標(biāo)體積含量決定，為保證陶瓷粉末為金屬粉末包圍，金屬粉末與陶瓷粉末的體積比大于2。

所述的金屬粉末和陶瓷粉末的粉末粒徑為5～150μm。

所述的藥芯焊絲的直徑為1.2～2.4mm，外殼的厚度為0.3～0.8mm。

所述的陶瓷粉末為氧化鋁或者是碳化硅或者是碳化鈦或者是二硼化鈦。

所述的金屬粉末為鋁或者是鎂或者是銅或者是鋼，或者是上述金屬的合金材料。

所述的外殼金屬基體為鋁或者是鎂或者是銅或者是鋼，或者是上述金屬的合金材料。

b、程序代碼的準(zhǔn)備：利用面向增材制造的cad軟件建立零件的三維模型，該模型不僅包含零件的幾何信息，還包括陶瓷顆粒密度在空間上的變化；隨后，利用切片軟件依據(jù)零件的cad模型進(jìn)行分層切片處理，規(guī)劃并獲得零件的堆積路徑，生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和送絲速度的控制代碼。

c、堆焊前材料預(yù)處理：堆焊前對(duì)金屬基板進(jìn)行表面打磨并清除氧化皮和油污，并根據(jù)目標(biāo)復(fù)合材料的不同，選擇與目標(biāo)復(fù)合材料相配的藥芯焊絲和金屬焊絲，然后對(duì)藥芯焊絲和金屬焊絲進(jìn)行烘干處理，冷卻至室溫待用。

所述的金屬焊絲的直徑為1.2～2.4mm，材質(zhì)為鋁或者是鎂或者是銅或者是鋼，或者是上述金屬的合金材料。

d、堆焊前焊槍和熱絲裝置的準(zhǔn)備：在焊機(jī)上設(shè)置適合金屬焊絲的焊接參數(shù)，將金屬基板固定在工作臺(tái)上，將等離子焊槍、金屬焊絲送絲機(jī)構(gòu)及藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)分別安裝在機(jī)器人手臂上，焊機(jī)的正極與金屬基板連接，負(fù)極與等離子焊槍的電極連接，藥芯焊絲加熱電源的正極與金屬基板連接，負(fù)極與藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)連接。

e、開始堆焊：打開非轉(zhuǎn)移弧，校正堆焊起始位置，通過金屬焊絲送絲機(jī)構(gòu)及藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)來調(diào)整金屬焊絲和藥芯焊絲的送絲位置和送絲角度，開啟轉(zhuǎn)移弧進(jìn)行堆焊，金屬焊絲送絲機(jī)構(gòu)從焊槍前方將金屬焊絲送至等離子弧的弧柱區(qū)域，置于等離子弧正下方，吸收等離子弧主要熱量，金屬焊絲融化形成熔池。

藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)將藥芯焊絲加熱至180℃～220℃后開始送絲，藥芯焊絲的送絲時(shí)間要延遲1～2秒，在金屬焊絲形成熔池后，藥芯焊絲從等離子弧的弧柱外插入熔池中，吸收等離子弧次要熱量，插入深度為2～3mm，藥芯焊絲從等離子弧的弧柱外插入，一方面避開等離子弧的弧柱高溫中心，避免藥芯焊絲中的藥芯被過早熔化，另一方面將藥芯焊絲送至熔池內(nèi)部，便于藥芯焊絲外殼熔化后藥芯在金屬流體動(dòng)力作用下向整個(gè)熔池?cái)U(kuò)散。

堆焊過程中，不同金屬焊絲適用不同的焊接參數(shù)。同時(shí)，為了便于藥芯焊絲插入熔池，堆焊過程采用有利于形成較大體積熔池的焊接參數(shù)。

所述的焊接參數(shù)包括：焊接電流為120～250a，焊接速度為50～120mm/min，金屬焊絲的送絲速度為1.6～3.6m/min，藥芯焊絲的送絲速度為金屬焊絲送絲速度的10%～60%，等離子弧氣體流量0.5～1.5l/min，氬氣保護(hù)氣體流量10～20l/min。

f、逐層堆積成形：在控制代碼的控制下，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)焊槍按照既定軌跡進(jìn)行逐層堆積，軌跡運(yùn)行完成后，堆積獲得顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料零件。

堆積過程中亦能夠通過改變藥芯焊絲的送絲速度獲得陶瓷顆粒濃度在空間位置上的變化。

g、零件后處理：根據(jù)所用材料冶金特性，選擇合適的熱處理方法，提高零件的整體力學(xué)性能，然后對(duì)零件表面精度要求高的區(qū)域進(jìn)行切削加工，達(dá)到表面粗糙度的要求。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn)：

1、本發(fā)明采用雙絲等離子弧堆焊制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件，堆焊過程中，將藥芯焊絲直接插入熔池，運(yùn)用機(jī)械作用將含陶瓷粉末的藥芯輸送到熔池內(nèi)部，創(chuàng)造性地解決了陶瓷粉末由于熔池表面張力的阻礙難以進(jìn)入熔池內(nèi)部的難題。

2、本發(fā)明采用的藥芯焊絲的藥芯為陶瓷粉末和金屬粉末的混合物，制備藥芯焊絲前將兩種粉末充分混合，能夠有效避免陶瓷粉末隨絲進(jìn)入熔池后集聚成塊，有利于陶瓷顆粒相在零件中的均勻分布。

3、本發(fā)明采用的藥芯焊絲的藥芯作用并非傳統(tǒng)的脫氧、安定電弧、調(diào)節(jié)合金成分或制造保護(hù)焊渣，而是向熔池輸送陶瓷增強(qiáng)顆粒。

4、本發(fā)明同時(shí)融合增材制造技術(shù)，將顆粒增強(qiáng)材料的制備和零件形狀的制造集成一體，極大地提高了生產(chǎn)效率，具有良好的應(yīng)用前景。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步描述。

附圖說明

附圖1為采用雙絲等離子堆焊增材制造碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件的示意圖；

附圖2為采用雙絲等離子堆焊增材制造碳化鈦顆粒增強(qiáng)inconel625合金基體復(fù)合材料零件的示意圖；

附圖3為藥芯焊絲的截面示意圖；

附圖4為碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件剖面的增強(qiáng)相分布圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：本實(shí)施例采用雙絲等離子堆焊增材制造碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件，其具體步驟為：

a、制備藥芯焊絲：運(yùn)用軋拔法制備藥芯焊絲7，藥芯焊絲7包括藥芯藥芯7-1和外殼7-2。根據(jù)目標(biāo)復(fù)合材料的組分選擇藥芯7-1的材質(zhì)和外殼7-2金屬基體的材質(zhì)，本實(shí)施例目標(biāo)復(fù)合材料的組分為碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，藥芯7-1為碳化硅陶瓷粉末和鋁粉末的混合物，采用球磨法將碳化硅陶瓷粉末和鋁粉末充分混合，碳化硅陶瓷粉末和鋁粉末含量的比例為1:2，碳化硅陶瓷粉末和鋁粉末的粉末粒徑為50～70μm，外殼7-2的金屬基體為鋁，藥芯焊絲7的直徑為1.2mm，外殼7-2的厚度為0.3mm。

b、程序代碼的準(zhǔn)備：利用面向增材制造的cad軟件建立零件的三維模型，該模型不僅包含零件的幾何信息，還包括陶瓷顆粒密度在空間上的變化；隨后，利用切片軟件依據(jù)零件的cad模型進(jìn)行分層切片處理，規(guī)劃并獲得零件的堆積路徑，生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和送絲速度的控制代碼。

c、堆焊前材料預(yù)處理：金屬基板8采用厚度為15mm的鋁合金基板，堆焊前對(duì)金屬基板8進(jìn)行表面打磨并清除氧化皮和油污，對(duì)金屬焊絲3和藥芯焊絲7進(jìn)行烘干處理，然后冷卻至室溫待用。

根據(jù)目標(biāo)復(fù)合材料的組分選擇金屬焊絲3，本實(shí)施例目標(biāo)復(fù)合材料的組分為碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，金屬焊絲3為鋁焊絲er1100，直徑為1.2mm。

d、堆焊前的準(zhǔn)備工作：將金屬基板8安裝固定在工作臺(tái)上，將等離子焊槍4、金屬焊絲送絲機(jī)構(gòu)2及藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)5分別安裝在機(jī)器人手臂上，焊機(jī)1的正極與與金屬基板8連接，負(fù)極與等離子焊槍4的電極連接，藥芯焊絲加熱電源6的正極與與金屬基板8連接，負(fù)極與藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)5連接。

e、開始堆焊：打開非轉(zhuǎn)移弧，校正堆焊起始位置，通過金屬焊絲送絲機(jī)構(gòu)2及藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)5來調(diào)整金屬焊絲3和藥芯焊絲7的送絲位置和送絲角度，開啟轉(zhuǎn)移弧進(jìn)行堆焊，金屬焊絲送絲機(jī)構(gòu)2從焊槍4前方將金屬焊絲3送至等離子弧10的弧柱區(qū)域，置于等離子弧10正下方，吸收等離子弧10主要熱量，金屬焊絲3融化形成熔池9，藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)5將藥芯焊絲7加熱至200℃后開始送絲，藥芯焊絲7的送絲時(shí)間要延遲1～2秒，在金屬焊絲3形成熔池9后，藥芯焊絲7從等離子弧10的弧柱外插入熔池9中，吸收等離子弧10次要熱量，插入深度為2～3mm，藥芯焊絲7從等離子弧10的弧柱外插入，一方面避開等離子弧10的弧柱高溫中心，避免藥芯焊絲7中的藥芯7-1被過早熔化，另一方面將藥芯焊絲7送至熔池9內(nèi)部，便于藥芯焊絲7外殼7-2熔化后藥芯7-1在金屬流體動(dòng)力作用下向整個(gè)熔池9擴(kuò)散。

堆焊過程中，金屬焊絲3和藥芯焊絲7的送絲速度分別為1.8m/min和1.0m/min，焊接電流120a，焊接速度80mm/min，等離子弧10氣體流量0.8l/min，保護(hù)氣體氬氣11流量15l/min。

f、逐層堆積成形：在控制代碼的控制下，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)焊槍4依照單道多層的堆積軌跡進(jìn)行逐層堆積，軌跡運(yùn)行完成后，獲得成形碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件12。

堆積過程中亦能夠通過改變藥芯焊絲7的送絲速度獲得陶瓷顆粒濃度在空間位置上的變化。

g、零件后處理：根據(jù)所用材料冶金特性，選擇合適的熱處理方法，提高碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件12的整體力學(xué)性能，然后對(duì)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件12表面精度要求高的區(qū)域進(jìn)行切削加工，達(dá)到表面粗糙度的要求。

對(duì)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件12進(jìn)行檢測(cè)，利用電火花放電線切割獲得碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件12的剖面，再用光學(xué)金相顯微鏡觀察堆積層微觀形貌，碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件12的增強(qiáng)相分布如附圖4所示，從附圖4中看出，陶瓷增強(qiáng)相與金屬相的混合較為充分，未見陶瓷粉末團(tuán)聚現(xiàn)象。

實(shí)施例二：本實(shí)施例采用雙絲等離子堆焊增材制造碳化鈦顆粒增強(qiáng)inconel625合金基體復(fù)合材料零件，其具體步驟為：

a、制備藥芯焊絲：運(yùn)用軋拔法制備藥芯焊絲7，藥芯焊絲7包括藥芯7-1和外殼7-2，根據(jù)目標(biāo)復(fù)合材料的組分選擇藥芯7-1的材質(zhì)和外殼7-2金屬基體的材質(zhì)，本實(shí)施例目標(biāo)復(fù)合材料的組分為碳化鈦顆粒增強(qiáng)inconel625合金基體復(fù)合材料，藥芯7-1為碳化鈦陶瓷粉末和inconel625合金粉末，采用球磨法將碳化鈦陶瓷粉末和inconel625合金粉末充分混合，碳化鈦陶瓷粉末和inconel625合金粉末含量的比例為1:3，碳化鈦陶瓷粉末和inconel625合金粉末的粉末粒徑為45～95μm，外殼7-2的金屬基體為inconel625合金，藥芯焊絲7的直徑為1.2mm，外殼7-2的厚度為0.3mm。

b、程序代碼的準(zhǔn)備：利用面向增材制造的cad軟件建立零件的三維模型，該模型不僅包含零件的幾何信息，還包括陶瓷顆粒密度在空間上的變化；隨后，利用切片軟件依據(jù)零件的cad模型進(jìn)行分層切片處理，規(guī)劃并獲得零件的堆積路徑，生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和送絲速度的控制代碼。

c、堆焊前材料預(yù)處理：金屬基板8采用厚度為15mm的q235鋼基板，堆焊前對(duì)金屬基板8進(jìn)行表面打磨并清除氧化皮和油污，對(duì)金屬焊絲3和藥芯焊絲7進(jìn)行烘干處理，然后冷卻至室溫待用。

根據(jù)目標(biāo)復(fù)合材料的組分選擇藥芯7-1的材質(zhì)和外殼7-2金屬基體的材質(zhì)，本實(shí)施例目標(biāo)復(fù)合材料的組分為碳化鈦顆粒增強(qiáng)inconel625合金基體復(fù)合材料，金屬焊絲3為inconel625合金焊絲，直徑為1.2mm。

d、堆焊前的準(zhǔn)備工作：將金屬基板8安裝固定在工作臺(tái)上，將等離子焊槍4、金屬焊絲送絲機(jī)構(gòu)2及藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)5分別安裝在機(jī)器人手臂上，焊機(jī)1的正極與與金屬基板8連接，負(fù)極與等離子焊槍4的電極連接，藥芯焊絲加熱電源6的正極與與金屬基板8連接，負(fù)極與藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)5連接。

e、開始堆焊：打開非轉(zhuǎn)移弧，校正堆焊起始位置，通過金屬焊絲送絲機(jī)構(gòu)2及藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)5來調(diào)整金屬焊絲3和藥芯焊絲7的送絲位置和送絲角度，開啟轉(zhuǎn)移弧進(jìn)行堆焊，金屬焊絲送絲機(jī)構(gòu)2從焊槍4前方將金屬焊絲3送至等離子弧10的弧柱區(qū)域，置于等離子弧10正下方，吸收等離子弧10主要熱量，金屬焊絲3融化形成熔池9，藥芯焊絲加熱送絲機(jī)構(gòu)5將藥芯焊絲7加熱至200℃后開始送絲，藥芯焊絲7的送絲時(shí)間要延遲1～2秒，藥芯焊絲7從等離子弧10的弧柱外插入熔池9中，吸收等離子弧10次要熱量，插入深度為2～3mm，藥芯焊絲7從等離子弧10的弧柱外插入，一方面避開等離子弧10的弧柱高溫中心，避免藥芯焊絲7中的藥芯7-1被過早熔化，另一方面將藥芯焊絲7送至熔池9內(nèi)部，便于藥芯焊絲7外殼7-2熔化后藥芯7-1在金屬流體動(dòng)力作用下向整個(gè)熔池9擴(kuò)散。

堆焊過程中，金屬焊絲3和藥芯焊絲7的送絲速度分別為1.6m/min和0.8m/min，焊接電流240a，焊接速度100mm/min，等離子弧10氣體流量1.0l/min，保護(hù)氣體氬氣11流量15l/min。

f、逐層堆積成形：在控制代碼的控制下，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)焊槍4依照單道多層的堆積軌跡進(jìn)行逐層堆積，堆積成形300mm×300mm×40mm塊狀零件13，再利用火花放電線切割制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。

堆積過程中亦能夠通過改變藥芯焊絲7的送絲速度獲得陶瓷顆粒濃度在空間位置上的變化。