【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及激光增材制造，具體涉及一種利用激光同軸送絲方法制備記憶合金纖維增強鋁合金自愈合復合材料的方法。
技術介紹
1、隨著現代工業的快速發展，特別是在航空航天、汽車制造和電子產品等高科技領域，對材料性能的要求日益提高。其中，輕質高強度材料的需求尤為迫切。鋁合金因其低密度、高比強度和良好的加工性能，一直是這些領域的首選材料之一。然而，傳統鋁合金在抗疲勞性能和損傷容限方面仍存在不足，這限制了其在一些關鍵應用中的使用。
2、為了克服這些缺陷，研究人員開始探索各種復合材料技術。其中，形狀記憶合金(sma)因其獨特的形狀記憶效應和超彈性而受到廣泛關注。sma能夠在受到外力變形后，通過加熱或卸載恢復原始形狀，這一特性為材料的自愈合功能提供了可能。然而，將sma與鋁合金基體有效結合一直是一個技術難題，主要挑戰包括界面結合強度不足、sma分布不均勻以及制備過程中的氧化問題等。
3、傳統的復合材料制備方法，如粉末冶金和熔鑄技術，在處理sma增強鋁合金復合材料時面臨諸多困難。粉末冶金法雖然可以實現較好的組分均勻性，但難以控制sma纖維的取向，且存在氣孔率高的問題。熔鑄法則容易導致sma纖維的過度氧化或與基體發生不良反應，影響材料的整體性能。此外，這些方法也難以精確控制sma纖維在基體中的空間分布，這對材料的自愈合功能至關重要。
4、近年來，增材制造技術的發展為解決上述問題提供了新的思路。激光增材制造因其精確控制、靈活性高等優點，在復合材料制備領域展現出巨大潛力。然而，目前仍缺乏一種能夠有效結合sma纖維和鋁
5、因此，開發一種新型的增材制造方法，能夠有效地將sma纖維與鋁合金基體結合，實現材料的自愈合功能，同時提高復合材料的整體力學性能，具有重要的理論意義和實際應用價值。這不僅能夠推動高性能輕質復合材料的發展，還將為航空航天、汽車制造等高端制造業提供新的材料解決方案。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種記憶合金纖維增強鋁合金自愈合材料的增材制造制備方法，以解決現有技術中存在的界面結合強度不足、sma纖維分布不均、sma纖維性能退化、制備工藝局限性以及自愈合能力不足等技術問題。
2、為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：
3、一種記憶合金纖維增強鋁合金自愈合材料的增材制造制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
4、首先，選用a1-mg-sc系鋁合金作為基體材料，選擇ti-ta-zr系記憶合金作為增強纖維。
5、第一步，對所述ti-ta-zr系記憶合金纖維進行表面處理。采用hf-hno3混合酸溶液進行控制性蝕刻，該步驟旨在增加纖維表面粗糙度，創造微觀機械咬合條件，提高與鋁合金基體的界面結合強度。
6、第二步，對經表面處理的記憶合金纖維施加預定拉伸預應變。這一步驟旨在激活記憶合金的形狀記憶效應，為后續的自愈合功能奠定基礎。
7、第三步，將預處理后的記憶合金纖維編織成特定角度的斜紋編織結構。控制編織密度使記憶合金纖維的體積分數在復合材料中達到預定比例。這種結構設計可以在多個方向上提供應力閉合能力，同時保證足夠的自愈合能力而不過度影響基體合金的性能。
8、第四步，采用激光同軸送絲增材制造方法制備復合材料。該步驟在惰性氣氛環境下進行，以防止材料氧化和不良反應。具體操作如下：
9、首先設置激光功率、送絲速度和工作臺移動速度。然后，開始沉積第一層鋁合金，隨后立即鋪設一層預處理的記憶合金纖維網。接著，繼續沉積下一層鋁合金并鋪設記憶合金纖維網，如此交替進行，直至達到預定厚度。在整個制造過程中，精確控制激光功率、送絲速度和工藝溫度，確保材料的良好結合和性能保持。
10、第五步，對制備完成的復合材料進行后處理。進行熱處理以優化基體合金的微觀組織。隨后進行表面處理，以改善表面質量。
11、優選地，所述a1-mg-sc系鋁合金為a1-5mg-0.3sc合金，該合金具有優異的強度、韌性和耐腐蝕性。這種合金組成可以為復合材料提供良好的基體性能，同時與記憶合金纖維具有良好的相容性。
12、優選地，所述ti-ta-zr系記憶合金為ti-20ta-10zr合金，該合金具有較寬的相變溫度范圍和優良的超彈性。這種合金組成可以確保記憶合金纖維在較寬的溫度范圍內保持其形狀記憶效應和超彈性，從而增強復合材料的自愈合能力和適應性。
13、優選地，第一步中的蝕刻時間為30秒，溫度控制在20-25℃。這種蝕刻條件可以在不過度損傷記憶合金纖維的前提下，有效增加其表面粗糙度，為后續與鋁合金基體的結合提供良好的界面條件。
14、優選地，第二步中的預拉伸應變量控制在1％。這個預應變值可以有效激活記憶合金的形狀記憶效應，同時不會導致纖維過度變形或損傷。
15、優選地，第三步中的編織角度為±45°，記憶合金纖維的體積分數控制在10％-20％。這種編織結構和纖維含量可以在保證復合材料具有足夠自愈合能力的同時，不會過度影響基體合金的性能，從而實現性能的最佳平衡。
16、優選地，第四步中使用高純氬氣作為惰性氣氛，激光功率范圍為1000-1500w，送絲速度范圍為5-10m/min，工作臺移動速度范圍為400-600mm/min。這些工藝參數的選擇可以確保材料在制備過程中獲得良好的熔融和結合，同時最大限度地減少氧化和不良反應的發生。
17、優選地，第五步中的熱處理溫度控制在350-400℃，時間為2-4小時，表面處理可選用噴砂或拋光方法。這種后處理工藝可以有效優化基體合金的微觀組織，釋放內應力，并改善材料的表面質量。
18、本專利技術的有益效果在于：通過采用上述技術方案，本專利技術顯著提高了記憶合金纖維與鋁合金基體之間的界面結合強度。經測試，制備的復合材料中，記憶合金纖維與鋁合金基體的界面剪切強度提高了40％-60％，拉伸強度比未處理的復合材料提高了20％-30％。同時，本專利技術實現了記憶合金纖維的均勻分布與定向排列，采用特定角度的斜紋編織結構和逐層鋪設的方法，確保了記憶合金纖維在整個構件中的分布均勻性達到90％以上，不同方向上的性能差異降低到10％以內。此外，本專利技術有效防止了記憶合金纖維的氧化和不良反應，通過在惰性氣氛下進行激光同軸送絲增材制造，制備后的記憶合金纖維表面氧化層厚度不超過50nm，且保留了95％以上的相變焓，證明其形狀記憶效應基本未受影響。
19、本專利技術還優化了自愈合功能，制備的復合材料能夠在室溫下自愈合寬度達100μm的裂紋，且經過100次疲勞循環后，仍保持80％以上的自愈合效率。在綜合性能方面，相比傳統方法制備的材料，本專利技術的復合材料拉伸強度提高25％，斷裂韌性提高35％，疲勞壽命延長50％以上。在相同應力水平下，使用壽命是普通鋁合金的2-3倍。最后，本專利技術的工藝具有良好的靈本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種記憶合金纖維增強鋁合金自愈合材料的增材制造制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述酸性蝕刻處理包括：
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述激光同軸送絲方法包括：
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述Ti-20Ta-10Zr記憶合金纖維的直徑為50μm。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述記憶合金纖維對基體的增強作用包括當基體受到過量載荷變形或開裂時，裂紋在基體拓展過程中遇到形狀記憶合金纖維，可能發生界面脫粘、基體和纖維的斷裂、纖維拔出等過程，使得斷裂能高于單一鋁合金從而起到強化作用。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述激光同軸送絲過程的工藝溫度控制在660℃～1400℃之間，確保Ti-20Ta-10Zr記憶合金纖維在該溫度區間完成β相向ɑ″相的相變，同時保證鋁合金基體充分熔化并與纖維形成良好的界面結合。
7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述復合材料的自愈合過程包括：當材料受到外力損
8.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述記憶合金纖維網采用多根纖維絲并聯編織而成，每根主纖維由多根細絲并聯組成，通過調節并聯纖維絲的數量和相鄰并聯纖維束之間的間距可以控制纖維網的密度，從而實現對復合材料自愈合能力的調控。
9.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述Al-Mg-Sc鋁合金的成分按質量百分比計為：Mg：4.0-6.0％，Sc：0.2-0.8％，余量為Al及不可避免的雜質。
...【技術特征摘要】
1.一種記憶合金纖維增強鋁合金自愈合材料的增材制造制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述酸性蝕刻處理包括：
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述激光同軸送絲方法包括：
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述ti-20ta-10zr記憶合金纖維的直徑為50μm。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述記憶合金纖維對基體的增強作用包括當基體受到過量載荷變形或開裂時，裂紋在基體拓展過程中遇到形狀記憶合金纖維，可能發生界面脫粘、基體和纖維的斷裂、纖維拔出等過程，使得斷裂能高于單一鋁合金從而起到強化作用。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述激光同軸送絲過程的工藝溫度控制在660℃～1400℃之間，確保ti-20ta-10zr記憶合金纖維在該溫度區...
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