【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及增材制造復合材料，具體而言涉及一種棒-粉同送金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法和裝置，尤其是一種基于同步送棒和送粉攪拌摩擦增材制造的硬質相增強金屬基復合材料及制備方法。
技術介紹
1、傳統的鎂基、鋁基等金屬基復合材料加工方式往往采用粉末冶金的方法。粉末冶金是指以金屬基體及其他增強相粉末作為原料經過混合加壓成形，燒結等一系列過程制備復合材料的方法。但粉末冶金產品強度韌性比相應的鑄件鍛件差，難以制成大型構件。
2、采用增材制造的方法可以有效實現復合材料大型構件的制備。目前有關金屬材料的增材有直接金屬激光燒結(dmls)和選擇性激光熔化(slm)，直接能量沉積(directenergydeposition(ded))等，但是這些增材方法的金屬經過熔化-凝固的過程，這會導致金屬內部二次缺陷的出現，且在制備過程中易出現增強相分布不均的情況，從而影響材料的力學性能。
技術實現思路
1、本專利技術目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于同步送棒和送粉攪拌摩擦增材制造的硬質相增強金屬基復合材料及其制備方法，以及一種棒-粉同送攪拌摩擦增材制造裝置，通過同步送棒和送粉攪拌摩擦增材制造制備金屬基復合材料，所得的復合材料，增強相分布均勻，材料表層組織超細化、致密化、均勻化，具有優秀的力學性能。
2、第一方面，本專利技術提供了一種基于棒-粉同送的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，包括以下步驟：
3、s1、選取相應的金屬絲材作為復合材料中金屬基體的原料，選取
4、s2、將所述金屬絲材通過送棒機構、增強相顆粒混料后通過送粉機構同步送入攪拌頭；
5、s3、送入攪拌頭的金屬絲材和增強相顆粒在攪拌頭內均勻混合后，被同步送至待增材區，進行攪拌摩擦增材制造，即得金屬基復合材料。
6、優選地，步驟s1中，所述金屬絲材的種類包括鋁合金絲材、鎂合金絲材中的一種。
7、優選地，步驟s1中，所述金屬絲材的直徑為1-30mm。
8、優選地，步驟s1中，所述增強相顆粒包括b4c、wc、sic、si3n4、al2o3顆粒中的一種或多種。
9、優選地，步驟s1中，所述增強相顆粒的粒徑為100nm-80μm。
10、優選地，步驟s2中，所述增強相顆粒在金屬基體中的含量為5-15wt.％。
11、優選地，步驟s3中，攪拌摩擦增材制造時，攪拌頭的轉動速度為500-3000r/min，前進速度為10-1000mm/min，頂鍛力為1-500kn，下壓量為1-3mm，送棒速率為0.5-100mm/min，送粉速率為0.1-50g/min。攪拌摩擦增材制造被設置成根據構件參數確定送棒速度、送粉速度和焊接參數，并根據此設定打印程序以進行構件的打印成型，通過控制送棒速率和送粉速率以確保硬質相在金屬基體中的質量占比。
12、優選地，步驟s3中，攪拌摩擦增材制造前，攪拌頭置于待增材區的材料表面，在預設頂鍛力的作用下，攪拌針插入待增材區的材料內，并使攪拌頭按照預設程序進行旋轉。攪拌摩擦增材制造獲得第一層沉積層，攪拌頭復位，扎入前一層沉積層，之后重復進行下一層沉積層的沉積，金屬基復合材料從第一層開始以向上生長的方式逐層沉積，直到沉積最后一層第n層，得到晶粒尺寸在第一晶粒尺寸區間的構件。
13、其中，在第一層至第n層沉積的過程中，對每一層均通過攪拌摩擦使金屬絲材經過高溫強塑性變形、組織破碎、細化，并與增強相顆粒混合均勻形成熱塑性復合材料，熱塑性復合材料有序流動沉積，獲得增強相顆粒均勻分散的沉積層。
14、優選地，步驟s3中，所得金屬基復合材料構件的第一晶粒尺寸區間為500nm-10μm。
15、第二方面，提供一種硬質相增強金屬基復合材料，采用前述基于同步送棒和送粉的攪拌摩擦增材制造硬質相增強金屬基復合材料的方法制得。
16、第三方面，本專利技術還提供了一種用于同步送棒和送粉攪拌摩擦增材制造的裝置，包括共軸旋轉的攪拌頭1、送粉機構3、送棒機構4；
17、攪拌頭1內送粉通道1-1與送粉機構3通過送粉管連接，送棒機構4使金屬絲材進入攪拌頭1的送棒通道1-3；
18、所述攪拌頭1自上而下包括依次連接的連接部10、軸承連接部20、回轉部30以及攪拌針40；
19、軸承連接部20具有軸承外圈20a、軸承內圈20b以及設置于軸承外圈20a、軸承內圈20b之間的滾珠20c；軸承外圈20a、軸承內圈20b以及滾珠20c構成軸承結構，軸承外圈20a構成固定部分，軸承內圈20b構成轉動部分，軸承內圈20b可相對于軸承外圈20a而轉動；
20、連接部10的一端被設置用于接收旋轉驅動力輸入，連接部10的另一端延伸穿過軸承連接部20的軸承內圈20b，并與回轉部30連接，其中，連接部10被設置成與軸承內圈20b固定連接；
21、回轉部30包括依次連接的豎直段31、圓臺段32以及軸肩段33，連接部10的另一端與豎直段31的一端連接固定，圓臺段32的較大的底面與豎直段31的另一端固定，圓臺段32的較小的底面與軸肩段33固定，攪拌針40固定設置于軸肩段33的底部位置；
22、軸承連接部20、豎直段31和圓臺段32設有沿著圓周方向的貫穿的環形送粉通道1-1，軸肩段33的中心設有貫穿的混合通道1-2，位于軸承連接部20內的環形送粉通道1-1的一端與送粉機構3通過送粉管連接，位于圓臺段32內的環形送粉通道1-1的另一端與混合通道1-2形成連通；
23、通過軸承連接部20的作用，接部10與軸承內圈20b固定連接使得其得以被支承并且在連接部10被驅動時，能夠順暢的實現高速轉動，而軸承外圈20b在連接部10被驅動時仍然保持不動，從而保證從送粉機構3通過送粉管實現順利的送粉至環形通道1-1內；
24、連接部10、豎直段31和圓臺段32的中心設有貫穿的送棒通道1-3，位于連接部10內的送棒通道1-3的一端與送棒機構4連接，位于圓臺段32內的送棒通道1-3的另一端與混合通道1-2形成連通。
25、該裝置使用時，金屬絲材從送棒機構4直接送棒至送棒通道1-3內，增強相顆粒從從送粉機構3通過送粉管送粉至環形送粉通道1-1內，并通過控制控制送棒速率和送粉速率以確保增強相在金屬基體中的質量占比，之后，金屬絲材和增強相顆粒被同步送至攪拌頭內的混合通道1-2內，并在攪拌摩擦的作用下形成混合均勻的熱塑性復合材料。軸肩段33下方可設置多個攪拌針40，通過攪拌頭的旋轉，在軸向壓力的作用下，使基板或沉積層與攪拌頭之間產生壓力，從而固定攪拌針。
26、形成的熱塑性復合材料也在攪拌摩擦的作用下流出至基板或沉積層7上，通過攪拌頭1高速旋轉，在驅動力的作用下沿著打印方向實現復合材料的逐層堆覆，最終得到增強相顆粒分布均勻，且具有細化晶粒的基體組織的構件。
27、與現有技術相比，本專利技術具有如下有益效果：
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【技術保護點】
1.一種用于同步送棒和送粉攪拌摩擦增材制造的裝置，其特征在于，包括共軸旋轉的攪拌頭(1)、送粉機構(3)、送棒機構(4)；
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，通過軸承連接部(20)的作用，連接部(10)與軸承內圈(20B)固定連接使得其得以被支承并且在連接部(10)被驅動時，能夠順暢的實現高速轉動，而軸承外圈(20B)在連接部(10)被驅動時仍然保持不動，從而保證從送粉機構(3)通過送粉管實現順利的送粉至環形送粉通道(1-1)內。
3.一種基于棒-粉同送的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據權利要求3所述的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，步驟S1中，所述金屬絲材的種類包括鋁合金絲材、鎂合金絲材中的一種。
5.根據權利要求3所述的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，步驟S1中，所述金屬絲材的直徑為1-30mm。
6.根據權利要求3所述的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，步驟S1中，所述增強相顆粒包括B4C、WC、SiC、Si3N4、Al2
7.根據權利要求3所述的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，步驟S1中，所述增強相顆粒的粒徑為100nm-80μm。
8.根據權利要求3所述的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，步驟S2中，所述增強相顆粒在金屬基體中的含量為5-15wt.％。
9.根據權利要求3所述的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，步驟S3中，攪拌摩擦增材制造時，攪拌頭的轉動速度為500-3000r/min，前進速度為10-1000mm/min，頂鍛力為1-500kN，下壓量為1-3mm，送棒速率為0.5-100mm/min，送粉速率為0.1-50g/min。
10.一種如權利要求3-9所述的任一金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法制備的含有硬質相增強的金屬基復合材料。
...【技術特征摘要】
1.一種用于同步送棒和送粉攪拌摩擦增材制造的裝置，其特征在于，包括共軸旋轉的攪拌頭(1)、送粉機構(3)、送棒機構(4)；
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，通過軸承連接部(20)的作用，連接部(10)與軸承內圈(20b)固定連接使得其得以被支承并且在連接部(10)被驅動時，能夠順暢的實現高速轉動，而軸承外圈(20b)在連接部(10)被驅動時仍然保持不動，從而保證從送粉機構(3)通過送粉管實現順利的送粉至環形送粉通道(1-1)內。
3.一種基于棒-粉同送的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據權利要求3所述的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，步驟s1中，所述金屬絲材的種類包括鋁合金絲材、鎂合金絲材中的一種。
5.根據權利要求3所述的金屬基復合材料攪拌摩擦增材制造方法，其特征在于，步驟s1中，所述金屬絲材的直徑為1-30mm。
6.根據權利要求3所述的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：趙凱，毛晨曦，陸秋陽，齊超琪，楊天豪，時云，
申請(專利權)人：上海航天設備制造總廠有限公司，
類型：發明
國別省市：
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