一種金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法。該方法將零部件三維CAD模型沿Z向分層，逐層鋪設(shè)纖維，并緊隨纖維進(jìn)行激光融敷，完成一層打印后，下降一個(gè)層厚，層層打印，直至完成零部件制造。該成形方法柔性高，能成形復(fù)雜形狀零部件，適合復(fù)雜梯度復(fù)合材料的快速制備。
【專利說明】 一種金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法。

【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用高強(qiáng)度、高模量、低密度的硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳纖維等作為增強(qiáng)體，與相應(yīng)的金屬基體復(fù)合而成的。與短纖維增強(qiáng)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、耐疲勞性能都得到很大的提高，因此在先進(jìn)武器、航空航天等領(lǐng)域有著更加廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法可以分為固態(tài)法(FFF)和液態(tài)法兩類。固態(tài)法是將金屬箔或金屬粉末與纖維按設(shè)計(jì)要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再經(jīng)加壓、加熱，將金屬基體與增強(qiáng)物復(fù)合黏結(jié)在一起，形成復(fù)合材料的制備方法。該方法工藝復(fù)雜，特別是基體合金箔的制造，嚴(yán)重限制其廣泛應(yīng)用。液態(tài)法是先把纖維增強(qiáng)相預(yù)制成型，然后將基體熔體傾入，在加壓或負(fù)壓條件下使其浸滲到纖維間隙而達(dá)到復(fù)合化的目的。這種方法只用于熔點(diǎn)較低的材料，如鎂、鋁和鋅合金等，對于熔點(diǎn)高的鈦基和鎳基復(fù)合材料應(yīng)用較少。
[0003]快速成形(Rapid Prototyping)技術(shù)興起于20世紀(jì)90年代,是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光加工技術(shù)、新型材料技術(shù)于一體的零件原型制造技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的去除材料制造零件的方法，快速成形技術(shù)是依靠CAD軟件，在計(jì)算集中建立三維實(shí)體模型，并將其離散化成一系列平面幾何信息，通過控制激光束或電子束等熱源的掃描方向和速度，采用粘結(jié)、燒結(jié)、聚合或化學(xué)與反應(yīng)等手段逐層有選擇的加工原材料，從而快速堆積出實(shí)體模型的增材制造方法。目前常用的快速成形方法有:光固化成型(SLA)、分層實(shí)體制造(L0M)、選取激光燒結(jié)(SLS )、三維打印(3DP )和熔融沉積制造(FDM)。這些方法一般采用光敏樹脂、塑料薄膜、蠟、尼龍、金屬或陶瓷粉末作為成形材料，因此只能制造相應(yīng)材料的金屬或非金屬零件。對于市場需求旺盛、應(yīng)用前景廣闊的復(fù)合材料，特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的快速制造，上述方法都很難實(shí)現(xiàn)。
[0004]激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)70年代興起的一種新的激光加工技術(shù)，它是利用激光輻照作用將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化，隨后冷卻形成稀釋率極低，與基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層一種表面強(qiáng)化方法。由于激光熔敷層的冷卻速度快，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)，因此具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種精度高、性能好、自動化程度高的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的快速制造方法。
[0006]本發(fā)明的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的快速制造方法包括以下步驟: A.利用三維CAD造型軟件建立零部件的三維實(shí)體模型；
B.將建立的模型Z向離散化；
C.對層片進(jìn)行纖維鋪放路徑規(guī)劃；
D.根據(jù)層片的規(guī)劃路徑連續(xù)鋪放纖維，并緊隨鋪放的纖維進(jìn)行激光熔敷；
E.完成層片熔敷后，工作臺下降一個(gè)工作高度；
F.重復(fù)步驟D、E，直至零件加工完成。
[0007]所述的纖維的鋪放方法為，纖維由導(dǎo)絲嘴導(dǎo)出，并在導(dǎo)絲嘴的帶動下移動。
[0008]所述的激光熔敷的方法為，緊隨鋪放的纖維，在其已鋪放纖維的路徑噴射金屬粉末，并采用激光輻照使粉末熔化。噴射的金屬粉末可以為鋁及鋁合金粉末、鎂及鎂合金粉末、鈦及鈦合金粉末、鎳及鎳合金粉末。
[0009]所述對已鋪放纖維激光熔敷時(shí)，判斷層片是否為第一層，若層片為第一層，則不需要鋪放纖維，只進(jìn)行激光熔敷。熔敷完成后根據(jù)層片信息對熔覆層進(jìn)行層面的去除加工。
[0010]為了達(dá)到更好的熔敷效果，在所述用激光熔敷時(shí)采用以下工藝條件:激光功率200-3000W，光斑直徑 l_8mm，掃描速度 10-100mm/s，送粉量 5_25g/min。
[0011]本發(fā)明的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法產(chǎn)生的有益效果是:
(1)在計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，采用二維平面加工直接成形出連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的零部件，降低了制造難度與對數(shù)控系統(tǒng)高維制造的要求；
(2)纖維鋪放和激光熔敷同步進(jìn)行，成形速度快，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的快速成形；
(3)通過激光功率的調(diào)節(jié)，不僅可以實(shí)現(xiàn)熔點(diǎn)較低的鎂、鋁、鋅基復(fù)合材料的制備，還可以用于高熔點(diǎn)金屬如鈦基和鎳基復(fù)合材料的快速成形；
(4)基體材料采用粉末可以大大增加材料設(shè)計(jì)的靈活性，使復(fù)雜梯度復(fù)合材料的快速制備成為可能；
(5)激光熔敷熱輸入小，熔敷層的變形很小，因此有利于實(shí)現(xiàn)大尺寸金屬基復(fù)合材料的快速制造。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的快速制造工藝流程圖；
圖2是本發(fā)明的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制造示意圖；
圖3是實(shí)施例1中制造的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料長方體零件示意圖；
圖4是實(shí)施例1中制造的碳纖維增強(qiáng)鈦合金管狀零件示意圖；
附圖標(biāo)記
1-工作臺2-纖維3-導(dǎo)絲嘴4-熔覆頭5-金屬粉末6-激光頭7-銑刀 8-金屬基復(fù)合材料。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面通過兩個(gè)實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)的說明，但不作為對本發(fā)明的限定。
[0014]實(shí)施例一:利用本發(fā)明制造一個(gè)40X40X 1mm的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料長方體零件；
(1)利用計(jì)算機(jī)建立40X 40 X 1mm的立方體模型；
(2)將上述模型進(jìn)行Z向離散化處理，即將立方體模型分成厚度為Imm的層狀模型，共10層，每層為40 X 40mm的正方形；
(3)根據(jù)層片厚度選擇粗細(xì)匹配的纖維及匹配的激光熔敷工藝；
(4)根據(jù)層片模型確定鋪放及激光熔敷路徑；
(5)判斷該層是否是第一層，如果是，沿規(guī)劃路徑噴射鋁合金粉末，并在激光輻照下實(shí)現(xiàn)熔敷，否則進(jìn)行步驟(6);
(6)利用銑刀將熔敷片層厚度方向1_以外的部分去除；
(7)由導(dǎo)絲嘴引導(dǎo)纖維沿規(guī)劃路徑移動，熔覆頭和激光頭緊隨導(dǎo)絲嘴，以同軸送粉的形式在其后方移動；
(8)層片加工完成后，將工作臺下移Imm；
(9)判斷是否所有層片全部加工完成，如果不是，重復(fù)步驟(6)?(8)，直至所有層片加工完畢。
[0015]實(shí)施例二:利用本發(fā)明制造一個(gè)內(nèi)徑36mm,外徑40mm,高度1mm的碳纖維增強(qiáng)鈦合金管狀零件；
(1)利用計(jì)算機(jī)建立內(nèi)徑36mm,外徑40mm,高度1mm的管狀模型；
(2)將上述模型進(jìn)行Z向離散化處理，即將立方體模型分成厚度為2mm的層狀模型，共5層，每層為內(nèi)徑36mm,外徑40mm的圓環(huán)；
(3)根據(jù)層片模型確定纖維鋪放及激光熔敷路徑；
(4)根據(jù)層片厚度選擇粗細(xì)匹配的纖維及匹配的激光熔敷工藝；
(5)判斷該層是否是第一層，如果是，沿規(guī)劃路徑噴射鈦合金粉末，并在激光輻照下實(shí)現(xiàn)熔敷，否則進(jìn)行步驟(6);
(6)利用銑刀將熔敷片層厚度方向2_以外的部分去除；
(7)由導(dǎo)絲嘴引導(dǎo)纖維沿規(guī)劃路徑移動，熔覆頭和激光頭緊隨導(dǎo)絲嘴，以旁軸送粉的形式在其后方移動；
(8)層片加工完成后，將工作臺下移2mm；
(9)判斷是否所有層片全部加工完成，如果不是，重復(fù)步驟(6)?(8)，直至所有層片加工完畢。
[0016]以上對本發(fā)明及其實(shí)施方式的描述是示意性的，沒有限制性。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，進(jìn)行其他實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，包括如下步驟: A.利用三維CAD造型軟件建立零部件的三維實(shí)體模型； B.將建立的模型Z向離散化； C.對層片進(jìn)行纖維鋪放路徑規(guī)劃； D.根據(jù)層片的規(guī)劃路徑連續(xù)鋪放纖維，并緊隨鋪放的纖維進(jìn)行激光熔敷； E.完成層片熔敷后，工作臺下降一個(gè)工作高度； F.重復(fù)步驟D、E，直至零件加工完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，所述的纖維包括硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，所述纖維的鋪放方法為，纖維由導(dǎo)絲嘴導(dǎo)出，并在導(dǎo)絲嘴的帶動下移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，所述激光熔敷的方法為，緊隨鋪放的纖維，在其已鋪放纖維的路徑噴射金屬粉末，并采用激光輻照使粉末熔化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光熔敷的方法，其特征在于，所述的金屬粉末噴射方式為同軸送粉或旁軸送粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在其已鋪放的路徑噴射金屬粉末，其特征在于，所述的金屬粉末為鋁及鋁合金粉末、鎂及鎂合金粉末、鈦及鈦合金粉末、鎳及鎳合金粉末。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，若層片為第一層，則不需要鋪放纖維，只進(jìn)行激光熔敷，熔敷完成后根據(jù)層片信息對熔覆層進(jìn)行層面的去除加工。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，所述激光熔敷所采用的工藝條件為:激光功率200-3000W，光斑直徑l_8mm，掃描速度 10-100mm/s,送粉量 5_25g/min。
【文檔編號】C22C101/10GK104388849SQ201410762728
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月14日
【發(fā)明者】單忠德, 劉豐, 楊東霞, 戰(zhàn)麗, 張群 申請人:機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心