一种颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法及系统，包括：对基板进行表面氧化层清理，包括对基板待沉积焊道的表面氧化层清理；采用原位自生颗粒增强铝合金丝材与同牌号的无颗粒铝合金丝材进行双丝同步增材制造：在将原位自生颗粒增强铝合金丝材进行熔凝的同时，也可将同牌号无颗粒铝合金丝材引入熔池；同时对熔池施加超音频脉冲变极性电弧进行增材制造，即在变极性脉冲正极性阶段叠加超音频脉冲电流。本发明专利技术可以解决颗粒增强铝基复合材料电弧增材过程易发的颗粒团簇和气孔缺陷等问题，实现大尺寸铝基复合材料内部颗粒均匀分布构型，获得优异的综合力学性能。获得优异的综合力学性能。获得优异的综合力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法及系统


[0001]本专利技术涉及增材制造
，具体涉及一种颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法及系统。

技术介绍

[0002]颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比刚度、低膨胀系数和耐高温等优异的综合性能，在新一代航天运载飞行器、空间站等航天结构轻量化领域具有广阔的应用前景。伴随硬质增强相颗粒的引入，铝合金基体的液相流动性和可塑性成形能力会不同程度地恶化，采用传统加工成形工艺(例如：粉末冶金、搅拌铸造、塑性成形等)制备大尺寸复杂形状航天构件时，易出现加工应力高、材料可延展性差、颗粒团簇倾向高、颗粒/基体界面易脱粘、孔洞和裂纹高发等瓶颈难题。电弧熔丝增材制造技术通过电弧熔化金属丝材实现逐层堆积成形，具有可成形尺寸大、沉积效率高、原材料利用率高等优点，能很好地满足大尺寸复杂形状构件的快速响应制造需求。通过熔铸法制造颗粒增强铝基复合材料，往往需要引入超声振动和机械搅拌来增强熔体流动，抑制颗粒团簇和气孔等成形缺陷。而在电弧增材制造过程中难以直接对金属沉积过程施加有效的搅拌或超声振动。若无法有效抑制颗粒团簇，不仅无法发挥颗粒的强化作用，反而增加了形成大尺寸夹杂和界面缩孔缺陷的风险，势必将显著恶化构件性能。此外，采用层间涂覆含颗粒溶剂的外加法制备电弧增材金属基复合材料，会出现颗粒融入率低、颗粒与基体结合界面质量差、颗粒团聚严重、气孔和裂纹缺陷严重等系列问题。
[0003]针对电弧增材颗粒增强铝基复合材料中极易出现大面积颗粒团簇、颗粒/ 基体界面脱粘、孔洞裂纹等瓶颈难题，亟需一种能可靠获得致密少气孔、颗粒弥散分布铝基复合材料构件的电弧增材制造方法和装备。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种颗粒增强铝基复合材料双丝电弧增材制造方法及系统，可有效解决电弧增材颗粒增强铝基复合材料中极易出现大面积颗粒团簇、颗粒/基体界面脱粘、孔洞裂纹等瓶颈难题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术公开了一种颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法，包括如下步骤：
[0007]S1、对基板进行表面氧化层清理，包括对基板待沉积焊道的表面氧化层清理；
[0008]S2、采用原位自生颗粒增强铝合金丝材与同牌号的无颗粒铝合金丝材进行双丝同步增材制造：在将原位自生颗粒增强铝合金丝材进行熔凝的同时，也可将同牌号无颗粒铝合金丝材引入熔池；
[0009]S3、执行S2的同时，对熔池施加超音频脉冲变极性电弧进行增材制造，即在变极性脉冲正极性阶段叠加超音频脉冲电流。
[0010]优选的，所述S1中：采用化学法和机械打磨对基板进行表面氧化层清理，利用行走
的变极性电弧对基板待沉积焊道进行预热并实现表层氧化膜进一步清理，基板预热温度控制在180℃～230℃温度范围。
[0011]优选的，所述S2中：采用原位自生TiC颗粒增强Al
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6.3Cu合金丝材和 ER2319 Al
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6.3Cu合金丝材作为增材制造原材料。采用原位自生颗粒增强铝合金丝材，可提高颗粒融入率，获得高质量颗粒/基体界面，抑制气孔和裂纹缺陷。采用双丝电弧增材工艺可实现对熔敷金属的颗粒含量调节，通过设定不同的送丝速度比，在将颗粒强化铝合金进行熔凝的同时，也可将一定量的同牌号无颗粒铝合金引入熔池，进而实现颗粒含量的优化调控。
[0012]优选的，所述S3中：变极性正负极性电流幅值范围为100A～180A，变极性脉冲频率为60Hz～120Hz，正极性占空比为50％～80％；叠加的超音频脉冲电流频率为20kHz～60kHz，超音频电流幅值范围为30A～60A，占空比为50％。在常规变极性电流的基础上引入超音频脉冲电流，可产生“电弧超声”效应，通过电弧能量传输和电弧力作用，对熔池施加电弧超声震荡，促进熔池内部流动，促进凝固组织细化和增强相颗粒的均匀分布，加速熔池内残余气体逸出，抑制颗粒团聚、气孔和裂纹等缺陷。此外，超音频脉冲电流可促进电弧收缩，增加电弧挺度和刚度，减少环境中的气体进入熔池，进而抑制气孔缺陷。
[0013]优选的，前2～3层的增材制造的热输入量大于后续层数增材制造的热输入量，以实现熔敷金属的铺展。采用大热输入电弧增材工艺进行前2～3层的增材制造，以实现熔敷金属的良好铺展。热输入量范围为650～800J/mm。待熔敷金属铺展良好后，可适当降低热输入，即降低电流幅值、提高送丝速度或提高电弧运动速度等，降低热输入可避免组织粗化和提高沉积效率。层间温度控制在140℃～230℃范围。
[0014]优选的，还包括：根据原位自生颗粒增强铝合金丝材送丝速度、原位自生颗粒强化丝材中颗粒含量以及电弧增材构件内部颗粒含量控制无颗粒铝合金丝材的送丝速度的步骤。
[0015]优选的，还包括：对增材构件进行固溶和人工时效热处理；热处理工艺为：固溶温度控制在500℃～530℃，进行固定时长的保温，随后淬火快速冷却至室温，保留高温过饱和固溶体状态；人工时效温度为160℃～180℃，进行固定时长的保温，随后炉冷或空冷。
[0016]本专利技术还公开了一种根据所述颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法的电弧增材制造系统，包括：电弧焊炬、双送丝系统、超音频脉冲电弧增材电源、冷却循环水系统、惰性气体保护器；其中，
[0017]所述超音频脉冲电弧增材电源、冷却循环水系统、惰性气体保护器均接入所述电弧焊炬；
[0018]所述双送丝系统包括双送丝嘴机构，所述双送丝嘴机构固定于电弧焊炬上，随电弧焊炬运动，并设置于电弧焊炬运动方向的前方位置，以实现原位自生颗粒增强铝合金丝材与无颗粒铝合金丝材从运动前方送入熔池；
[0019]所述冷却循环水系统，用于持续冷却电弧焊炬；
[0020]所述惰性气体保护器，用于为电弧提供惰性气体环境。
[0021]优选的，所述双送丝系统还包括两台送丝机、两台矫直器。两台送丝机分别用于实现原位自生颗粒增强铝合金丝材与无颗粒铝合金丝材的送丝动作，进而分别经过矫直器的矫直，进入双送丝嘴机构。两台送丝机可独立调节送丝速度。
[0022]优选的，所述双送丝嘴机构包括：送丝嘴一、送丝嘴二、双送丝嘴夹具、送丝嘴一夹
具、送丝嘴二夹具；
[0023]所述送丝嘴一和送丝嘴二分别用于接入原位自生颗粒增强铝合金丝材与无颗粒铝合金丝材；
[0024]所述送丝嘴一通过送丝嘴一夹具安装在双送丝嘴夹具上；所述送丝嘴二通过送丝嘴二夹具安装在双送丝嘴夹具上；所述送丝嘴一夹具、所述送丝嘴二夹具均与所述双送丝嘴夹具转动连接，用于调节所述送丝嘴一夹具和送丝嘴二夹具相对电弧焊炬的夹角；双送丝嘴机构可实现双丝材对中并可独立调节不同丝材的送丝角度，以满足不同牌号铝合金对电弧增材熔滴过渡形式的要求。
[0025]所述双送丝嘴夹具固定在电弧焊炬上，使所述送丝嘴一和送丝嘴二位于所述电弧焊炬的底部沿焊炬运动方向前方的一侧。
[0026]优选的，原位自生颗粒增强铝合金丝材溶滴位于无颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对基板进行表面氧化层清理，包括对基板待沉积焊道的表面氧化层清理；S2、采用原位自生颗粒增强铝合金丝材与同牌号的无颗粒铝合金丝材进行双丝同步增材制造：在将原位自生颗粒增强铝合金丝材进行熔凝的同时，也可将同牌号无颗粒铝合金丝材引入熔池；S3、执行S2的同时，对熔池施加超音频脉冲变极性电弧进行增材制造，即在变极性脉冲正极性阶段叠加超音频脉冲电流。2.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法，其特征在于，所述S1中：采用化学法和机械打磨对基板进行表面氧化层清理，利用行走的变极性电弧对基板待沉积焊道进行预热并实现表层氧化膜进一步清理，基板预热温度控制在180℃～230℃温度范围。3.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法，其特征在于，所述S2中：采用原位自生TiC颗粒增强Al
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6.3Cu合金丝材和ER2319 Al
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6.3Cu合金丝材作为增材制造原材料。4.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法，其特征在于，所述S3中：变极性正负极性电流幅值范围为100A～180A，变极性脉冲频率为60Hz～120Hz，正极性占空比为50％～80％；叠加的超音频脉冲电流频率为20kHz～60kHz，超音频电流幅值范围为30A～60A，占空比为50％。5.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法，其特征在于，前2～3层的增材制造的热输入量大于后续层数增材制造的热输入量，以实现熔敷金属的铺展。6.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料电弧增材制造方法，其特征在于，还包括：根据原位自生颗粒增强铝合金丝材送丝速度、原位自生颗粒强化丝材中颗粒含量以及电弧增材构件内部颗粒含量控制无颗粒铝合金丝材的送丝速度的步骤。7.根据权利要求1所述的颗粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：从保强，曾才有，姜自昊，齐铂金，孙雪君，祁泽武，蔡鑫祎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：