碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法。

背景技术

碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高比刚度、比强度、耐磨性等优势，被应用于航空航天领域的大型关键结构件，然而由于其塑性加工难度较大，因此其成型依赖大量机加工，导致材料利用率低。

增材制造技术能够通过逐层添加的方式直接成型构件，因此利用增材制造实现碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的近净成型可以提高材料利用率、降低制造成本。增材制造技术按原料是否熔化可分为熔化增材制造和固态增材制造。其中，熔化增材制造采用能量束作为热源，通过使原材料熔化再凝固的方式实现材料的逐层添加，然而由于碳化硅和铝在高温下易发生有害界面反应，因此采用以能量束为热源的熔化增材制造技术获得的碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的性能往往不佳。

固态增材制造采用塑性变形的方式实现材料的添加。现有固态增材制造技术在增材时常需要将原料从模具挤出并用模具与增材层摩擦，针对碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的制备而言，由于碳化硅颗粒的存在，会导致模具的磨损并引入铁等有害元素。同时，不使用模具的固态增材制造技术无法实现连续送料，且由于缺乏层间材料混合和层间氧化膜的影响，导致界面结合不良而生产出的零件性能不佳。此外，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的固态增材制造常采用非均匀的原料，如铝棒打孔添加碳化硅颗粒，而制备出的复合材料中碳化硅分布不均匀，导致性能不均匀。因此，实现碳化硅颗粒增强铝基复合材料的连续、高性能增材制造十分困难。

发明内容

因此，本发明提供一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法，能够解决现有技术中固态增材制造技术在增材时常需要将原料从模具挤出并用模具与增材层摩擦，由于碳化硅颗粒的存在，会导致模具的磨损并引入铁等有害元素的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法，包括如下步骤：

准备步骤，制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的棒材并准备基板；采用驱动装置夹持于所述棒材的目标位置并驱动所述棒材围绕其中心轴线旋转；

固态增材步骤，控制所述棒材沿其轴向向下移动以使其自由端与所述基板接触并形成摩擦，控制所述棒材沿目标方向平移目标长度形成第一层固态增材层；之后，根据增材目标构件形状需求，控制所述棒材升高以在所述第一层固态增材层的顶面上重复采用所述第一层固态增材层的形成方法逐层形成后续各层固态增材层；

后处理步骤，将固态增材步骤中制备的构件进行热处理，并在热处理后将所述基板及多余材料切除形成最终的碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件。

在一些实施方式中，

在所述固态增材步骤过程中，还包括去除所述棒材的自由端端面形成的飞边的步骤。

在一些实施方式中，

在形成后一层固态增材层之前，将刚形成的前一层固态增材层的上表面铣平以去除刚形成固态增材层的表面氧化层。

在一些实施方式中，

各层固态增材层的上表面铣平后的粗糙度不高于6.3。

在一些实施方式中，

在各层所述固态增材层的形成过程中并在对刚形成的固态增材层的上表面铣平之前，采用搅拌摩擦加工工具对当前层固态增材层及其下一层形成的固态增材层进行搅拌摩擦加工。

在一些实施方式中，

所述搅拌摩擦加工工具的搅拌头材质为金属陶瓷或硬质合金；和/或，所述搅拌摩擦加工的搅拌头转速为400rpm-1500rpm，行进速度为30mm/min-100mm/min。

在一些实施方式中，所述碳化硅颗粒增强铝基复合材料的棒材采用如下方法制备：

将直径为b的碳化硅颗粒及直径为B的铝基体粉末混合后依次经过真空热压、挤压、热处理及机加工制备形成，其中B≤6b；和/或，

所述棒材的直径为10-20mm。

在一些实施方式中，

碳化硅颗粒及铝基体粉末混合时长10h以上；和/或，所述碳化硅颗粒的体积分数V为25％以下。

在一些实施方式中，

所述碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的铝基体为2009铝合金，所述后处理步骤中的热处理的固溶处理温度为490℃-500℃，时间为0.5h-4h，自然时效处理时间为96h以上；和/或，

所述棒材制备所用的铝基体粉末为2009铝合金粉末，在制备所述棒材过程中的热处理固溶处理温度为490℃-500℃，时间为0.5h-4h，自然时效处理时间为96h以上。

在一些实施方式中，

所述棒材转速1000rpm-3000rpm，轴向进给速率为20mm/min-50mm/min，平移速度为50mm/min-200mm/min。

本发明提供的一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法具有如下有益效果：

采用旋转的棒材的自由端端面与基板或者前一层固态增材层直接接触摩擦实现碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材，由于该增材过程中棒材仅与基板或者已形成的前一层固态增材层摩擦接触而无需采用相应的增材摩擦模具，因此杜绝了传统的增材摩擦模具与含有碳化硅的棒材之间摩擦导致模具磨损引入有害元素的现象发生，提升了最终碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的质量；由于采用本发明采用的固态增材的方式从而能够有效避免采用熔化凝固所带来的铝基体和碳化硅颗粒发生有害界面反应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

图1是本发明的碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法的步骤示意图；

图2是本发明的碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法的加工状态示意图；

图3是本发明的实施例1所得碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的截面微观组织。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

结合参见图1至图3所示，根据本发明的实施例，提供一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法，包括如下步骤：

准备步骤，制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的棒材并准备基板，其中基板具体可以为铝合金基板，在其准备过程中应对其表面进行表面处理，包括机械打磨、清洗，干燥等，基板的面积应大于增材目标构件的截面积，采用驱动装置夹持于所述棒材的目标位置并驱动所述棒材围绕其中心轴线旋转，该目标位置与棒材的自由端端面之间的轴向距离为L，L的范围3cm≤L≤12cm，以保证在棒材在被驱动旋转实现固态增材的过程中驱动装置上的夹持部件不会与下方的基板或者形成的固态增材层接触；

固态增材步骤，控制所述棒材沿其轴向向下移动以使其自由端与所述基板接触并形成摩擦，控制所述棒材沿目标方向平移目标长度形成第一层固态增材层；之后，根据增材目标构件形状需求，控制所述棒材升高一定距离(以能够便于在前一层固态增材层的顶面上再次形成后一层固态增材层为调整依据)以在所述第一层固态增材层的顶面上重复采用所述第一层固态增材层的形成方法逐层形成后续各层固态增材层，能够理解的是，前述棒材的轴向向下移动、升高以及沿目标方向平移皆受控于前述驱动装置的驱动，前述的驱动装置为能够具有旋转、竖直进给位移以及横移复合运动形式且具有夹持部件的装置即可，例如业内常用的立式铣床、搅拌摩擦焊机等；

后处理步骤，将固态增材步骤中制备的构件进行热处理，并在热处理后将所述基板及多余材料切除形成最终的碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件。

该技术方案中，采用旋转的棒材的自由端端面与基板或者前一层固态增材层直接接触摩擦实现碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材，由于该增材过程中棒材仅与基板或者已形成的前一层固态增材层摩擦接触而无需采用相应的增材摩擦模具，因此杜绝了传统的增材摩擦模具与含有碳化硅的棒材之间摩擦导致模具磨损引入有害元素的现象发生，提升了最终碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的质量；同时，能够理解的是，由于采用本发明采用的固态增材的方式从而能够有效避免采用熔化凝固所带来的铝基体和碳化硅颗粒发生有害界面反应。

在一些实施方式中，在所述固态增材步骤过程中，还包括去除所述棒材的自由端端面形成的飞边的步骤，具体而言，可以在邻近所述增材目标构件的位置处设置相应的铣刀，铣刀的刃口与棒材的自由端端面所形成的飞边位置相对应，并能够被控制沿着棒材的径向内外进给，从而能够在棒材旋转摩擦过程中将其自由端端面处形成的飞边及时去除，避免飞边过高导致的无法连续送料等问题发生，实现了连续送料、连续增材，保证固态增材的连续顺利可靠进行。能够理解的是，铣刀的旋转速度应大于棒材飞边的旋转速度，以保证飞边的顺畅去除，具体而言，假定铣刀直径D，铣刀转速N，应满足N>dn/D，d为棒材自由端端面处飞边直径，n为棒材转速。

在一些实施方式中，在形成后一层固态增材层(如前一层为第一层，则后一层为第二层，若前一层为第二层，则后一层为第三层，以此类推)之前，将刚形成的前一层固态增材层的上表面铣平以去除刚形成固态增材层的表面氧化层，具体例如，在形成第一层固态增材层之后先采用铣刀将其上表面的氧化层去除，之后，再让棒材的自由端端面再次与去除了表面氧化层的第一层固态增材层的顶面(上表面)接触并旋转摩擦控制其轴向进给量及径向平移量(也即沿前述的目标方向产生的位移量)从而形成第二层固态增材层，之后，在形成的第二层固态增材层之后再次采用铣刀将第二层固态增材层的上表面的氧化层去除，如此重复，直到最终形成目标层数。

该技术方案中，通过在形成后一层固态增材层之前将前一层固态增材层上表面的氧化层去除，能够消除层间氧化膜对层间结合的不利影响，增强界面结合，提高制造出的构件零件的性能。

在一个优选的实施例中，各层固态增材层的上表面铣平后的粗糙度不高于6.3，能够有效杜绝层间截面处出现微孔，进而保证上下增材层的层间结合效果，提升构件性能。

在一些实施方式中，在各层所述固态增材层的形成过程中并在对刚形成的固态增材层的上表面铣平之前，采用搅拌摩擦加工工具对当前层固态增材层及其下一层形成的固态增材层进行搅拌摩擦加工，具体而言，在第一层固态增材层形成之后的各层固态增材层的形成过程中，先通过搅拌摩擦加工工具对当前层刚增材的部分及其下面的一层固态增材层进行搅拌摩擦，促进增材层材料的混合，消除界面处的微孔、未连接等缺陷，进一步改善界面结合强度。具体而言，前述的搅拌摩擦加工具体针对第一层固态增材层及其上的第二层固态增材层、第二层固态增材层及其上的第三层固态增材层，依次类推，直至最后一层固态增材层与其前一层固态增材层。

在一些实施方式中，所述搅拌摩擦加工工具的搅拌头材质为金属陶瓷或硬质合金，以提高搅拌头对碳化硅的耐磨性，提升其使用寿命；和/或，所述搅拌摩擦加工的搅拌头转速为400rpm-1500rpm，行进速度为30mm/min-100mm/min，以防止转速过高或行进速度过低会导致被加工材料过热导致孔洞缺陷的出现，或者，转速过低、行进速度过高会导致材料流动性不足，搅拌摩擦加工工具易损坏。

在一个优选的实施例中，所述碳化硅颗粒增强铝基复合材料的棒材采用如下方法制备：将直径为b的碳化硅颗粒及直径为B的铝基体粉末混合后依次经过真空热压、挤压、热处理及机加工制备形成，其中B≤6b。

该技术方案中，通过对B与b的限定，能够保证制备形成的棒材中碳化硅颗粒能够均匀分布，而碳化硅颗粒均匀分布的棒材在固态增材形成相应的构件内的碳化硅颗粒也能够均匀分布，提高了材料的整体性能，而现有技术中采用铝棒打孔添加碳化硅颗粒的方式制备处的复合材料中碳化硅分布不均匀，导致材料性能不均匀。

为了保证前述固态增材步骤的顺利进行，前述棒材的直径为10-20mm。防止棒材的直径过小、刚度不足，导致增材时棒材发生弯曲；直径过大，导致增材出的构件易出现孔洞。

在一些实施方式中，碳化硅颗粒及铝基体粉末混合时长10h以上；和/或，所述碳化硅颗粒的体积分数V为25％以下，优选为15％-20％。

该技术方案中，通过较长时间的混合以及碳化硅颗粒的体积分数的限定，皆有利于提高碳化硅颗粒在铝基体粉末内均匀分布，进而保证最终形成的复合材料内的碳化硅颗粒的均匀分布，保证复合材料的整体性能。另外，本发明中将碳化硅颗粒的体积分数限定为25％以下能够防止由于碳化硅颗粒体积分数过高制备的棒材塑性差，固态增材时成型困难的现象发生。

作为一种具体的实施例，所述碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的铝基体为2009铝合金，对应的所述后处理步骤中的热处理的固溶处理温度为490℃-500℃，时间为0.5h-4h，自然时效处理时间为96h以上；和/或，所述棒材制备所用的铝基体粉末为2009铝合金粉末，对应的在制备所述棒材过程中的热处理固溶处理温度为490℃-500℃，时间为0.5h-4h，自然时效处理时间为96h以上。该技术方案中，固溶处理温度为490℃-500℃、时间为0.5h-4h能够防止固溶温度过高、时间过长，铝合金基体发生过烧，导致组织中出现孔洞，或者固溶温度时间过短，导致固溶不完全，制备的增材零件力学性能降低。

在一些实施方式中，所述棒材转速1000rpm-3000rpm，轴向进给速率为20mm/min-50mm/min，平移速度为50mm/min-200mm/min。能够防止由于转速过低、移动速度过高、轴向进给速率过低，热输入不足，导致棒材软化不充分，增材件成型较差的现象发生，或者，转速过高、移动速度过低、轴向进给速率过高，热输入过大，导致原料过度软化，增材件成型较差的现象发生。

以下结合几个实施例及对比例对本发明的碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法进一步阐述：

实施例1

将铝合金基板表面机械打磨、清洗，干燥。将7微米碳化硅颗粒和42微米2009铝基体粉末机械混合，混合时间为12h，碳化硅颗粒的体积分数为17％，混合后的粉末进行真空热压和挤压，随后在500℃下保温2h后淬火，自然时效96h，机械加工成为直径20mm的棒料(也即前文所述的棒材)；将棒材围绕其中心轴线旋转，转速2000rpm，将旋转的原料与铝合金基板表面摩擦，将棒材同时沿其轴向和径向推进，轴向进给速率和径向移动速度分别为40mm/min和100mm/min，用Φ12mm的铣刀将原料末端产生的飞边去除，铣刀转速10000rpm，用金属陶瓷搅拌工具对增材层进行搅拌摩擦加工，加工过程中，工具转速、行进速度分别为800rpm、50mm/min，搅拌摩擦加工之后用铣刀将表面铣平，以将氧化层去除，并使该层的加工表面粗糙度达到Ra 6.3，重复9次也即形成10层前述的固态增材层，在500℃下保温2h，自然时效96h，将基板和多余材料切除，即获得目标碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件。

图3为获得的产品的截面微观组织，其碳化硅颗粒分布均匀，无有害界面反应产生的针状相。

实施例2

本实施例与实施例1的主要区别在于：碳化硅颗粒体积分数为25％，其他步骤与实施例1一致。

本实施例的增材效果良好。

实施例3

本实施例与实施例1的主要区别在于：固溶温度为490℃，时间为4h，其他步骤与实施例1一致。

本实施例的增材效果良好。

实施例4

本实施例与实施例1的主要区别在于：碳化硅颗粒增强铝基复合材料原料被机加工成为直径10mm的棒料，其他步骤与实施例1一致。

本实施例的增材效果良好。

实施例5

本实施例与实施例1的主要区别在于：棒材转速1000rpm，轴向进给速率为20mm/min，径向移动速度为50mm/min。

本实施例的增材效果良好。

实施例6

本实施例与实施例1的主要区别在于：棒材转速3000rpm，轴向进给速率为50mm/min，径向移动速度为200mm/min。

本实施例的增材效果良好。

实施例7

本实施例与实施例1的主要区别在于：搅拌摩擦加工工具(也即搅拌头)材质为硬质合金。

本实施例的增材效果良好。

实施例8

本实施例与实施例1的主要区别在于：搅拌摩擦加工过程的工具转速为400rpm，工具行进速度为30mm/min。

本实施例的增材效果良好。

实施例9

本实施例与实施例1的主要区别在于：搅拌摩擦加工过程的工具转速为1500rpm，工具行进速度为100mm/min。

本实施例的增材效果良好。

对比例1

本对比例与实施例1的不同之处在于：棒材转速为800rpm，轴向进给速率为15mm/min，径向移动速度为250mm/min，其他步骤与实施例1一致，由于转速过低、移动速度过高、轴向进给速率过低，热输入不足，导致原料软化不充分，增材件成型较差。

对比例2

本对比例与实施例1的不同之处在于：棒材转速为3500rpm，轴向进给速率为60mm/min，径向移动速度为20mm/min，其他步骤与实施例1一致，由于转速过高、移动速度过低、轴向进给速率过高，热输入过大，导致原料过度软化，增材件成型较差。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各方式的有利技术特征可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。