【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于電弧增材制造，具體涉及一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法。
技術介紹
1、以電弧為熱源的電弧增材制造技術，采用逐層堆焊的方式制造致密金屬實體構件，因以電弧為載能束，熱輸入高，成形速度快，適用于大尺寸復雜構件低成本、高效快速近凈成形。面對新一代飛行器制造成本及可靠性要求，其結構件逐漸向大型化、整體化、智能化發展，電弧增材制造技術在大尺寸航空結構件成形上具有其他增材技術不可比擬的效率與成本優勢。然而，電弧增材制造主要以單一的絲材作為原材料，這嚴重限制了零部件的設計靈活性與產品的功能性。
技術實現思路
1、針對現有技術存在的不足，本專利技術提出通過絲粉復合電弧增材制造技術，以絲材作為金屬基體材料，陶瓷粉末作為增強顆粒，同時送入熔池，在熔池內發生原位自生反應生成增強相，并最終獲得金屬基復合材料。電弧增材制造技術具有熱輸入大的特點，進而導致沉積態零部件內部組織粗大，力學性能較差。因此，本專利技術提出通過陶瓷顆粒粉末對電弧增材制造熔池凝固過程進行調控，利用陶瓷顆粒增加凝固過程形核質點，提高異質形核率，細化晶粒提高力學性能。此外，微量的陶瓷顆粒添加將有助于改善電弧增材制造的各向異性，大量的陶瓷顆粒添加將顯著提升沉積態零部件的摩擦磨損性能。但若將陶瓷顆粒含量差異較大的兩個區域直接結合，會由于成分的差異導致界面產生較大的應力，限制整體結構的力學性能。因此，本專利技術提出通過在二者之間建立梯度過渡區來實現陶瓷顆粒含量的梯度過渡。
2、為實現上述目的，本專利技術提供
3、s1：將基材進行表面處理，采用機加工的方式，使鈦合金表面露出新鮮的白亮色金屬光澤，并使用酒精與丙酮去除表面油污；
4、s2：根據材料對增材制造過程的氣體氛圍需求，在柔性惰性氣體艙體內充入合適的氣體，并在增材制造過程中始終保持該氣體氛圍；
5、s3：開啟絲粉復合電弧增材制造裝備，絲粉同步向熔池供給，在基材表面逐層增材制造50～200mm厚的含有微量(質量分數小于10％)陶瓷顆粒的金屬基復合材料，形成微量顆粒添加區域；
6、s4：在微量陶瓷顆粒增材制造區域表面增材制造陶瓷顆粒含量梯度過渡區，梯度過渡區層間陶瓷顆粒含量按照一定的線性梯度差(5％～20％質量分數)逐層過渡，直至陶瓷顆粒含量與目標摩擦磨損性能要求的陶瓷顆粒含量相差小于5％時，結束梯度過渡區的增材制造，形成梯度過渡區域；
7、s5：在梯度過渡區域的表面增材制造0.7～4mm的大量陶瓷顆粒添加的金屬基復合材料，形成大量顆粒添加區域。
8、優選的，電弧增材制造功能梯度復合材料所用的金屬絲材直徑應為0.8～1.2mm，陶瓷顆粒粉末粒徑應為50～150μm，所述的電弧增材制造過程是在柔性惰性氣體艙體內進行的，所述的電弧增材制造技術可實現粉末與絲材的同步供給，在熔池內可發生原位自生反應，生產增強相。
9、優選的，所述的絲粉同步電弧增材制造技術，可以同時發揮絲材增材制造的高沉積效率與高原材料利用率，以及粉末增材制造冶金系統易于改變的優勢。
10、優選的，所述的復合材料為金屬基復合材料，可充分發揮金屬基體的韌性與陶瓷顆粒的強度，所述的絲粉復合電弧增材制造技術，可以通過送粉系統實現增材制造過程熔池內冶金系統的在線調控。
11、優選的，所述的功能梯度復合材料內部具有陶瓷顆粒含量梯度變化的過渡區，過渡區內微觀組織、元素分布以及物相組成呈沿增材制造生長方向的梯度過渡。
12、優選的，所述的功能梯度復合材料內部為微量添加陶瓷顆粒獲得的高強高韌區域，表面為大量添加陶瓷顆粒獲得的高摩擦磨損性能區域，所述的功能梯度復合材料可根據實際工況需求，通過調整陶瓷顆粒的含量，在同一零部件不同位置體現不同的性能。
13、優選的，所述的功能梯度復合材料包含微量添加陶瓷顆粒區域與大量添加陶瓷顆粒區域，通過絲粉復合電弧增材制造技術可根據實際零部件結構尺寸，靈活設計兩個區域的增材制造層數。
14、優選的，所述的微量添加陶瓷顆粒區域與大量添加陶瓷顆粒區域，可根據實際零部件的需求，添加不同種類的陶瓷顆粒，所述的功能梯度復合材料，可以根據實際零部件的需求，在微量添加陶瓷顆粒區域或大量添加陶瓷顆粒區域同時添加多種陶瓷顆粒。
15、與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：
16、本專利技術基于電弧增材制造技術，采用絲粉復合原材料供給裝置實現功能梯度金屬基復合材料的制造。絲粉復合電弧增材制造技術可以同時發揮送絲增材制造原材料利用率高以及沉積效率高的技術優勢，同時送粉增材制造具有原材料冶金系統易于改變的特點，該技術將同時發揮二者的技術優勢，實現高效率、低成本以及高靈活性的功能梯度復合材料的制造。此外，本專利技術針對陶瓷顆粒含量差異較大的兩個區域直接結合易在結合區域產生較大應力這一問題，提出在異種成分區域之間引入梯度過渡區，實現微觀組織、元素分布以及物相組成的自然梯度過渡。使用本專利技術提出的絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料方法，可以實現根據零部件服役特性需求，通過調整不同位置陶瓷顆粒添加量調控對應區域的力學性能，使其滿足航空航天武器裝備領域對零部件設計靈活性與功能性的需求。
17、本專利技術基于電弧增材制造技術，采用絲粉復合裝置實現功能梯度金屬基復合材料的電弧增材制造，其關鍵技術在于根據零部件不同位置需求，增材制造不同陶瓷顆粒含量的金屬基復合材料，同時，對于顆粒含量差異較大的兩個區域之間增材制造梯度過渡區，減少界面處由于成分突變而產生的較大應力。
18、微量添加量陶瓷顆粒將與絲材在熔池內發生較為完全的原位自生反應，生產增強相，提供凝固過程異質形核基點，顯著細化晶粒，進而弱化由于增材制造大溫度梯度而導致的組織性能上的差異；大量添加陶瓷顆粒將與絲材在熔池內部分發生原位自生反應，會存在部分顆粒未完全熔化的現象，未完全熔化的陶瓷顆粒將顯著提升該區域的摩擦磨損性能。通過在二者之間增材制造梯度過渡區來實現界面處微觀組織、元素分布與物相組成的梯度過渡，減少由于直接結合產生的應力集中，實現高質量功能梯度復合材料的電弧增材制造。
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1.一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：方法包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：電弧增材制造功能梯度復合材料所用的金屬絲材直徑應為0.8～1.2mm，陶瓷顆粒粉末粒徑應為50～150μm，所述的電弧增材制造過程是在柔性惰性氣體艙體內進行的，所述的電弧增材制造技術可實現粉末與絲材的同步供給，在熔池內可發生原位自生反應，生產增強相。
3.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：所述的絲粉同步電弧增材制造技術，可以同時發揮絲材增材制造的高沉積效率與高原材料利用率，以及粉末增材制造冶金系統易于改變的優勢。
4.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：所述的復合材料為金屬基復合材料，可充分發揮金屬基體的韌性與陶瓷顆粒的強度，所述的絲粉復合電弧增材制造技術，可以通過送粉系統實現增材制造過程熔池內冶金系統的在線調控。
5.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料
6.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：所述的功能梯度復合材料內部為微量添加陶瓷顆粒獲得的高強高韌區域，表面為大量添加陶瓷顆粒獲得的高摩擦磨損性能區域，所述的功能梯度復合材料可根據實際工況需求，通過調整陶瓷顆粒的含量，在同一零部件不同位置體現不同的性能。
7.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：所述的功能梯度復合材料包含微量添加陶瓷顆粒區域與大量添加陶瓷顆粒區域，通過絲粉復合電弧增材制造技術可根據實際零部件結構尺寸，靈活設計兩個區域的增材制造層數。
8.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：所述的微量添加陶瓷顆粒區域與大量添加陶瓷顆粒區域，可根據實際零部件的需求，添加不同種類的陶瓷顆粒，所述的功能梯度復合材料，可以根據實際零部件的需求，在微量添加陶瓷顆粒區域或大量添加陶瓷顆粒區域同時添加多種陶瓷顆粒。
...【技術特征摘要】
1.一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：方法包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：電弧增材制造功能梯度復合材料所用的金屬絲材直徑應為0.8～1.2mm，陶瓷顆粒粉末粒徑應為50～150μm，所述的電弧增材制造過程是在柔性惰性氣體艙體內進行的，所述的電弧增材制造技術可實現粉末與絲材的同步供給，在熔池內可發生原位自生反應，生產增強相。
3.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：所述的絲粉同步電弧增材制造技術，可以同時發揮絲材增材制造的高沉積效率與高原材料利用率，以及粉末增材制造冶金系統易于改變的優勢。
4.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于：所述的復合材料為金屬基復合材料，可充分發揮金屬基體的韌性與陶瓷顆粒的強度，所述的絲粉復合電弧增材制造技術，可以通過送粉系統實現增材制造過程熔池內冶金系統的在線調控。
5.根據權利要求1所述的一種絲粉復合電弧增材制造功能梯度復合材料的方法，其特征在于...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王辰陽，劉祥宇，高飛，井志成，
申請(專利權)人：遼寧增材制造產業技術研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：
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