一种高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料的方法技术

本发明专利技术提供一种高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料的方法，准备一种或多种金属箔材，清洗表面油污并烘干待用；将脉冲电流电源与超声波固结装备进行连接，保证脉冲电流正负极间带材/基板为唯一通路；采用同步耦合方式，在超声波固结过程中施加具有电流密度、频率的脉冲电场，完成单道次的金属箔材的固结；待步骤三完成后，按照需要重复步骤三过程，实现金属箔材的逐层累加固结，最终制备出不同厚度/层数的金属层状复合材料，得到高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料。本发明专利技术所利用的脉冲电流的电致塑性效应与传统热效应提升材料塑性的方法有着本质性的不同，能够在极少温升情况下瞬时提升材料的塑性变形能力。

A high energy pulse current assisted ultrasonic consolidation method for the preparation of metal laminated composite

【技术实现步骤摘要】
一种高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料的方法
本专利技术涉及一种金属层状复合材料的方法，尤其涉及一种高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料的方法，属于层状复合材料制备领域。
技术介绍
金属层状复合材料与结构(包括：同种及异种金属层状复合材料、金属泡沫(蜂窝)夹芯板、层状电极复合材料等)因其具有优异的力学和功能特性，在航空航天、舰船、地面武器、轨道交通、汽车制造、电力电子等领域有着广泛的应用前景。为克服金属层状复合材料传统成形与制造工艺(如爆炸成形、轧制复合、钎焊等)的不足，近年来美国发展了超声波直接逐层固结成形与快速制造技术。超声波固结成形与制造技术是继高能三束(激光、电子束和等离子束)为热源的金属3D打印技术之后又一新型金属快速成形与增材制造技术。这种成形技术无需外部能量的输入，仅在超声波能量和静压力的作用下，使界面处的金属原子相互扩散完成固态物理冶金结合，进而实现金属箔材间的固态连接和成形。但是由于受换能器功率限制及特定种类金属的材料强度等性能的限制，超声波固结成形技术在常温下无法应用于高强度金属箔材(如钛合金、不锈钢等)或厚度较大箔材的固结成形与制造。固结高强度金属目前往往需要引入额外热源(基板加热)，但该方法会引起一系列问题如：预热及冷却时间长、加工工序复杂、环境条件对加工工艺影响过大、大温差引起的局部残余应力等。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决采用传统基板加热方式超声波固结金属层状复合材料时预热及冷却时间长、加工工序复杂、环境条件对加工工艺影响过大、温度变化引起局部应力残余等不足而提供一种高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料的方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料的方法，所述的制备方法包括超声波快速固结技术和脉冲电流快速加工技术，包括如下步骤：步骤一、准备一种或多种金属箔材，清洗表面油污并烘干待用；步骤二、将脉冲电流电源与超声波固结装备进行连接，保证脉冲电流正负极间带材/基板为唯一通路；步骤三、采用同步耦合方式，在超声波固结过程中施加具有电流密度、频率的脉冲电场，完成单道次的金属箔材的固结；步骤四、待步骤三完成后，按照需要重复步骤三过程，实现金属箔材的逐层累加固结，最终制备出不同厚度/层数的金属层状复合材料，得到高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料。所述步骤一中所述金属箔材为钛合金、不锈钢、铜合金、铝合金等不同厚度的金属箔材；所述步骤二中脉冲电流与超声波固结连接方式可为固定电极方式和活动电极方式；所述步骤三中脉冲电流密度不高于10A/mm2，频率不高于450Hz；所述步骤四中金属箔材厚度可以设定，用于制备不同层厚比的金属层状复合材料。本专利技术的创新点为：(1)目前超声波固结制备高强度金属(钛合金、不锈钢等)层状复合材料往往需要基板加热的方式提高金属材料的塑性变形能力，并且随着拟成形金属箔材强度及厚度的增加，所需的温度也越来越高(100-300℃)。随之而来的问题是在进行材料制备之前首先要对基板进行预热，并在固结完成后需等待基板降温才能够取样。与这种传统成形方法相比，利用脉冲电流辅助超声波固结过程中温升极小(小于5℃)，整个操作过程可在室温下完成，不用预留升温及降温时间，提高了金属层状复合材料的制备效率。(2)以传统基板加热方式在高温固结条件下得到的金属层状复合材料降温后界面处残余较大的局部应力，对材料整体性能有一定影响，并可能引起层间开裂的现象。而通过脉冲电流辅助超声波固结制备的层状复合材料，从制备到成品不存在大温度差，并且由于脉冲电流特有的电子风力作用，能够推动位错移动，释放局部变形应力，最终得到的层状复合材料内部应力较低且分布均匀。(3)本专利技术所采用的脉冲电流的电致塑性增塑方法对高强度金属材料的增塑能力是传统热塑性增塑能力的数倍，因此理论上更高强度和厚度的金属箔材也能够实现快速层状复合材料的制备。(4)本专利技术制备的金属层状复合材料，无需气体保护或真空装置，在大气中即可进行加工，设备简单，加工成本低。(5)本专利技术可配合数控铣削加工中心实现金属层状复合材料的快速增材制造，并可制备梯度功能的层状复合材料和零部件。(6)由于本专利技术无需加热基板和对已成形的结构进行加热保温，可以将热电偶、压电陶瓷、光纤等功能元器件置入层状复合材料结构中，制备具有不同功能的智能元器件。(7)本专利技术可用于快速制备金属层状复合材料，固结速度不低于25mm/s，并且自动化程度较高，极大节约时间及人力成本。(8)本专利技术能够制备任意层数的金属层状复合材料，并配合相应减材工艺实现一定形状的构件的制造。通过改变每层箔材的厚度，也能够实现一定层数下任意厚度的层状复合材料的制备。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术所利用的脉冲电流的电致塑性效应与传统热效应提升材料塑性的方法有着本质性的不同，能够在极少温升情况下瞬时提升材料的塑性变形能力。(2)经测试分析发现，脉冲电流辅助超声波固结获得的钛铝层状复合材料界面钛、铝原子扩散距离大于传统基板加热方式超声波固结样品，证明界面冶金结合更充分、固结质量更好。(3)经剥离实验结果可知，本专利技术中脉冲电流辅助超声波固结所得钛铝层状复合材料界面剥离强度高于基板加热超声波固结的钛铝层状复合材料样品，界面力学性能更优异。附图说明图1是本专利技术制备装置示意图；图2是钛铝层状复合材料金相照片；图3是钛铝层状复合材料界面扫描电镜照片；图4是钛铝层状复合材料界面区域能谱扫描照片。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术提供一种能够在室温下快速制备层状复合材料的新型制备方法，以解决采用传统基板加热方式超声波固结金属层状复合材料时预热及冷却时间长、加工工序复杂、环境条件对加工工艺影响过大、温度变化引起局部应力残余等不足。为提升超声波固结制造技术的加工能力和拓宽其适用范围，使其能够应用于强度较高和厚度较大金属箔材的固结成形制造，本专利技术根据脉冲电流加工成形理论，提出了采用脉冲电流辅助同步耦合超声波固结制造制备金属层状复合材料新技术。即利用脉冲电流的电致塑性效应，促进金属原子扩散和位错运动、降低金属变形抗力、提高金属塑性变形能力，实现高强度、大厚度金属箔材在室温下的超声波快速固结成形与增材制造。本专利技术的技术方案是：脉冲电流辅助超声波固结同步耦合制备层状复合材的制备方法，具体方法包括以下步骤：(1)用酒精将金属箔材表面油污洗净，烘干待用。(2)在超声波固结设备带材夹持立柱接入脉冲电流正负极电源，并做好绝缘保护，确保脉冲电流流经路径为：电源正极—带材/基板—电源负极。(3)以单层/两层金属箔材为一个固结单元，选用合适的工艺参数进行脉冲电流辅助超声波固结过程。主要参数为：超声波振幅1-40μm，静压力1-2500N，固结速度1-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料的方法，所述的制备方法包括超声波快速固结技术和脉冲电流快速加工技术，其特征是，包括如下步骤：/n步骤一、准备一种或多种金属箔材，清洗表面油污并烘干待用；/n步骤二、将脉冲电流电源与超声波固结装备进行连接，保证脉冲电流正负极间带材/基板为唯一通路；/n步骤三、采用同步耦合方式，在超声波固结过程中施加具有电流密度、频率的脉冲电场，完成单道次的金属箔材的固结；/n步骤四、待步骤三完成后，按照需要重复步骤三过程，实现金属箔材的逐层累加固结，最终制备出不同厚度/层数的金属层状复合材料，得到高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料的方法，所述的制备方法包括超声波快速固结技术和脉冲电流快速加工技术，其特征是，包括如下步骤：
步骤一、准备一种或多种金属箔材，清洗表面油污并烘干待用；
步骤二、将脉冲电流电源与超声波固结装备进行连接，保证脉冲电流正负极间带材/基板为唯一通路；
步骤三、采用同步耦合方式，在超声波固结过程中施加具有电流密度、频率的脉冲电场，完成单道次的金属箔材的固结；
步骤四、待步骤三完成后，按照需要重复步骤三过程，实现金属箔材的逐层累加固结，最终制备出不同厚度/层数的金属层状复合材料，得到高能脉冲电流辅助超声波固结制备金属层状复合材料。


2.根据权利要求1所述的高能脉冲电流辅助超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜风春，李鹏，王振强，果春焕，赵成志，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23