【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及增材制造，尤其涉及一種連續纖維增強金屬基復合材料及其增材制造方法。
技術介紹
1、在20世紀60年代，由于傳統的金屬材料已經無法滿足高性能武器裝備和航空技術的發展需求，人們開始加速對新材料的研究，并最終促成了金屬基復合材料的產生與發展。同傳統樹脂基復合材料相比，連續纖維增強金屬基復合材料不僅具有高比強度、高比模量、低膨脹系數等特點，還表現出良好的耐高溫、抗老化、高熱導率、高電導率特性，同時還具備抗輻射、阻燃、不吸潮、不放氣以及尺寸穩定性好等特征，被廣泛應用于航空、航天等對材料性能要求較高、材料使用環境惡劣的領域。
2、連讀纖維增強金屬復合材料的傳統成形工藝主要分為液態法和固態法兩大類，液態法主要是將處于熔融狀態下的金屬基體與固態纖維在無壓力或者高壓下復合在一起的方法；固態法主要是將金屬粉末或金屬箔與纖維按設計要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再經加壓、加熱，將金屬基體與纖維增強物復合黏結在一起的方法；以上傳統成形工藝過程復雜、手工和半自動工藝較多、模具開發周期長、制造成本高；另外，液態法由于需要長時間的高溫浸漬，纖維/金屬界面反應很難控制，極易導致纖維性能下降甚至失效，固態法也存在纖維分布難以均勻，界面結合不佳，容易產生開裂等問題。
3、增材制造(又稱為3d打印)是一種自下而上材料逐層累加的制造方法，可以實現零件的快速制造。然而，現有的增材制造連續纖維增強復合材料，大都是以使用熱固性、熱塑性樹脂為基體，而針對金屬基復合材料增材制造的相關報道極少。因此，尋找一種連續纖維增強金屬基復合
技術實現思路
1、鑒于上述的分析，本專利技術旨在提供一種連續纖維增強金屬基復合材料及其增材制造方法，以解決以下技術問題中的至少一種：現有技術中連續纖維增強金屬基復合材料很難實現3d打印，纖維的均勻性、完整性、一致性和/或纖維與基體浸潤不佳的問題。
2、本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的：
3、第一方面，本專利技術提供一種連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，所述復合材料為層合復合材料，包括金屬基體和由連續纖維編織而成且在x-y平面內分布的二維纖維織物；
4、所述增材制造方法包括以下步驟：
5、步驟s1、建立層合復合材料產品的三維模型，進行切片處理，每一層二維纖維織物都包含在相應切片內；
6、步驟s2、分層預制二維纖維織物：采用熱熔滾壓預浸法將二維纖維織物與熔融的金屬液體充分浸潤并進行定型，預成型為能夠維形的二維纖維預制體；將二維纖維預制體加工為所需要形狀的二維纖維預制件，并按切片打印順序疊放備用；
7、步驟s3、通過激光選區熔化成型法進行層合復合材料產品的增材制造：在打印包含二維纖維織物的某一層切片時，先準確鋪放相應次序的二維纖維預制件，定位，再鋪放或者噴涂金屬基體。
8、可選的，步驟s2中，制備所述二維纖維織物的纖維為0.1k～0.8k的超小絲束纖維。
9、進一步地，步驟s2中，熱熔滾壓預浸法的主要步驟包括：把二維纖維織物浸入熔融的金屬液體中，通過滾壓法使二維纖維織物與金屬液體充分浸潤結合并壓實，常溫冷卻后，得到二維纖維預制體。
10、進一步地，步驟s2中，滾壓法的主要步驟包括：由旋轉的成對壓輥對充分浸潤金屬液體的二維纖維織物施以擠壓，從而使通過輥間的二維纖維織物在此作用下變形成為具有一定形狀和剛度的二維纖維預制體。
11、進一步地，步驟s2中，熱熔滾壓預浸法中用于浸潤二維纖維織物的金屬液體的種類與金屬基體的種類相同。
12、可選的，金屬基體的種類包括但不限于鋁基、鎂基、鋅基、鎳基、鈦基、鐵基、銅基、鈷鉻合金等。
13、進一步地，步驟s2中，采用裁切工藝將二維纖維預制體加工為所需形狀的二維纖維預制件，裁切工藝包括但不限于自動裁切法，激光裁切法。
14、進一步地，步驟s3包括：
15、步驟s321：在打印包含纖維的某一層切片時，機械手自動拾取當前層的二維纖維預制件，并通過紅外掃描準確定位放置，放置完當前層的二維纖維預制件后，用激光掃描二維纖維預制件上的w個點進行融化定位；w≥3，且不在一條直線上；
16、步驟s322：送粉缸輸送一定量金屬粉末，由鋪粉輥、刮刀鋪送至工作平臺上；
17、步驟s323：采用激光掃描當前層，掃描過的金屬粉末通過熔化、凝固完成當前層的激光選區熔化成型；
18、步驟s324：掃描完成后，工作平臺下降一個層的距離，繼續打印下一層；
19、重復步驟s321至s324，或者步驟s322至s324，直至打印完最后一層切片；得到金屬基層合復合材料產品。
20、進一步地，步驟s3中，3d打印前，在成型腔的工作平臺上安裝基板；和/或3d打印過程中，對成型腔抽真空，通入惰性保護氣體。
21、第二方面，本專利技術提供根據所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法得到的連續纖維增強金屬基復合材料及其制品。
22、與現有技術相比，本專利技術至少可實現如下有益效果之一：
23、1、本專利技術給出了一種連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，采用“分層預制二維纖維織物”結合“金屬材料增材制造工藝”的方法，實現了連續纖維增強金屬基層合復合材料結構的快速增材制造，使得連續纖維增強金屬基復合材料結構的設計自由度得到了很好的拓展，能夠充分利用增材制造的優勢，無需模具即可快速設計和生產出高復雜度、多樣化的產品。
24、2、本專利技術提供的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，采用“分層預制二維纖維織物”結合“金屬材料增材制造工藝”的方法，使得連續纖維增強金屬基層合復合材料實現快速增材制造成為可能，相比于現有的液態法和固態法，可以省掉模具加工環節，最大限度的發揮結構設計的靈活性，快速設計和生產出高復雜度、多樣化的連續纖維增強金屬基復合材料及其制品；同時，本專利技術的制造方法采用簡便、高效的工藝步驟，得到工藝質量和性能非常好的產品；其中，由于“分層預制二維纖維織物”中金屬基體和纖維已經充分浸潤結合并定型，且整個過程中無需長時間高溫浸漬纖維，最終得到的連續纖維增強金屬基復合材料及其制品中的二維纖維織物的均勻性、穩定性、完整性和一致性更好，能夠滿足高性能金屬基復合材料及其制品的力學性能和功能性要求。
25、3、本專利技術實施例給出了一種連續碳纖維增強鋁合金復合材料拉伸試驗件的增材制造方法，采用“分層預制二維纖維織物”結合增材制造工藝(即，激光選區熔化成型)一體成型，實現了連續碳纖維增強鋁合金復合材料的快速設計和制造，以最節約的原料制備出相比于純金屬材料擁有更好力學性能的連續纖維增強金屬基復合材料及其制品；由于“分層預制二維纖維織物”中碳纖維與熔融的金屬液體(本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，所述復合材料為層合復合材料，包括金屬基體和由連續纖維編織而成且在X-Y平面內分布的二維纖維織物；
2.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟S2中，制備所述二維纖維織物的纖維為0.1K～0.8K的超小絲束纖維。
3.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟S2中，所述熱熔滾壓預浸法的主要步驟包括：把二維纖維織物浸入熔融的金屬液體中，通過滾壓法使二維纖維織物與金屬液體充分浸潤結合并壓實，常溫冷卻后，得到二維纖維預制體。
4.根據權利要求3所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟S2中，所述滾壓法的主要步驟包括：由旋轉的成對壓輥對充分浸潤金屬液體的二維纖維織物施以擠壓，從而使通過輥間的二維纖維織物在此作用下變形成為具有一定形狀和剛度的二維纖維預制體。
5.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟S2中，所述熱熔滾壓預浸法中用于浸潤二維纖維
6.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，所述金屬基體的種類包括但不限于鋁基、鎂基、鋅基、鎳基、鈦基、鐵基、銅基、鈷鉻合金等。
7.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟S2中，采用裁切工藝將二維纖維預制體加工為所需形狀的二維纖維預制件，所述裁切工藝包括但不限于自動裁切法，激光裁切法。
8.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟S3包括：
9.根據權利要求8所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟S3中，3D打印前，在成型腔的工作平臺上安裝基板；和/或3D打印過程中，對成型腔抽真空，通入惰性保護氣體。
10.根據權利要求1-9任一項所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法得到的連續纖維增強金屬基復合材料及其制品。
...【技術特征摘要】
1.一種連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，所述復合材料為層合復合材料，包括金屬基體和由連續纖維編織而成且在x-y平面內分布的二維纖維織物；
2.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟s2中，制備所述二維纖維織物的纖維為0.1k～0.8k的超小絲束纖維。
3.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟s2中，所述熱熔滾壓預浸法的主要步驟包括：把二維纖維織物浸入熔融的金屬液體中，通過滾壓法使二維纖維織物與金屬液體充分浸潤結合并壓實，常溫冷卻后，得到二維纖維預制體。
4.根據權利要求3所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，其特征在于，步驟s2中，所述滾壓法的主要步驟包括：由旋轉的成對壓輥對充分浸潤金屬液體的二維纖維織物施以擠壓，從而使通過輥間的二維纖維織物在此作用下變形成為具有一定形狀和剛度的二維纖維預制體。
5.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料的增材制造方法，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張瑋，翟小菲，孟凡顥，李志勇，熊亮同，焦世坤，錢遠宏，楊奇龍，韓冬雪，陳榮，
申請(專利權)人：航天增材科技北京有限公司，
類型：發明
國別省市：
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