轻金属基复合材料构件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种轻金属基复合材料构件的方法，根据轻金属基复合材料设计目标规定的增强体的质量分数或体积分数计算出消耗棒材截面需要加工的空腔总面积；按照所计算的空腔总面积设计空腔的几何形式、尺寸和数量，将增强体填充至消耗棒材的空腔内部后密封；消耗棒材置于刚性轴肩内部的中空通道中，设定刚性轴肩旋转速度、移动速度、消耗棒料的进给速度或轴向压力以及构件成形路径的代码；根据预设的程序，刚性轴肩低速带动消耗棒材同时旋转并持续挤压基板表面从而完成沉积，依次重复上述增材过程完成设计尺寸的构件制备。材过程完成设计尺寸的构件制备。材过程完成设计尺寸的构件制备。

【技术实现步骤摘要】
al.Material properties of graphene/aluminum metal matrix composites fabricated by friction stir processing[J].International journal of precision engineering and manufacturing,2014,15(6):1235
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1239.)，但是该方法制备复合材料不能准确地控制石墨烯增强体的含量，因此不易稳定控制复合材料的性能。如国内专利CN 114717440 A公开的《利用搅拌摩擦增材技术制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料的方法》本质是基于摩擦堆焊原理，该专利实施过程中将金属棒材装入搅拌摩擦增材制造设备的夹具中，通过夹具自身旋转带动金属棒材与基板表面发生摩擦产热完成沉积，这一过程中夹具驱动棒料高速旋转并没有施加摩擦和顶锻作用，其旋转速度达到2000
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5000rpm导致过热严重将堵塞夹具送料通道，因而其工艺过程存在质疑。此外，夹具棒料边缘及夹具覆盖区域将出现连接强度低或未连接问题，增材后还需要将连接较差或未连接区域的材料加工掉从而造成材料利用率很低。
[0007]目前能够实现填充材料的摩擦增材制造技术是固相增材制造领域的最前沿技术之一。这一类增材工艺本质是基于轴肩辅助的摩擦堆焊过程，增材过程更为柔性机动，适用于较复杂几何形状零件加工，能够成形大尺寸金属构件，特别是对开发高性能轻合金增材制造构件提供了新途径，是一种更具有发展潜力的固相摩擦增材制造方法。如国内授权专利CN 107052560 A《一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴系统》、CN 114131176 B《一种固相摩擦挤压增材制造用主轴系统》、国内公开专利CN111655403A《固态增材制造系统和材料的组成与结构》等均是基于轴肩辅助摩擦堆焊的增材制造过程。
[0008]因此考虑将固相摩擦增材制造方法应用于轻金属基复合材料构件的制备。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提出了一种利用固相摩擦增材制造方法的大尺寸轻金属基复合材料构件的制备方法，能够根据轻金属基复合材料设计目标和增强体的质量分数或体积分数个性化设计并制备消耗棒材，从而制造出所需的复合材料构件。
[0010]一种利用固相摩擦增材制造方法的轻金属基复合材料构件的制备方法，所述制备方法适用于利用固相摩擦增材制造方法制备米级大尺寸构件，包括：
[0011]根据轻金属基复合材料设计目标规定的增强体的质量分数或体积分数计算出消耗棒材截面需要加工的空腔总面积；按照所计算的空腔总面积设计空腔的几何形式、尺寸和数量，沿消耗棒材长度方向加工出相应的空腔；将增强体填充至消耗棒材的空腔内部，然后使用金属密封塞将空腔的开口端部密封，完成置入增强体消耗棒材的制备后在消耗棒材的表面喷涂干性润滑剂，放入干燥箱进行干燥处理；
[0012]将制备好的注入增强体的消耗棒材置于刚性轴肩内部的中空通道中，所述消耗棒材沿所述刚性轴肩的通道轴向运动，使所述消耗棒材的端部与基板表面接触；然后移动所述刚性轴肩沿其轴向运动，直至刚性轴肩端部的凸起与基板表面接触；上位机编辑设定所述刚性轴肩旋转速度、移动速度、消耗棒材的进给速度或轴向压力以及构件成形路径的代码，其中所述刚性轴肩旋转速度为100
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1000rpm，移动速度为30
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400mm/min，消耗棒材的进给速度为2
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100mm/min或者消耗棒材的轴向压力为5
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100kN；
[0013]根据预设的程序，驱动所述刚性轴肩按照设定的旋转速度带动消耗棒材同时旋转，置于刚性轴肩内并随其高速旋转的消耗棒材在设定的进给速度或压力作用下持续挤压
基板表面，消耗棒材端部与基板表面剧烈摩擦产热使得消耗棒材顶部形成热塑性流动，在消耗棒材和刚性轴肩的共同挤压摩擦作用下填充刚性轴肩与基板之间的预置距离，同时受到两者的摩擦顶锻作用在基板表面完成沉积，按照设定的成形路径驱使高速旋转刚性轴肩沿基板表面按照预定路径移动从而形成单层构件制备过程，依次重复上述增材过程完成设计尺寸的构件制备。
[0014]进一步的，所述消耗棒材的材质选自以下任意一种或多种组合的合金材料：铝、镁和钛；单根消耗棒材的长度为100
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1000mm；消耗棒材的截面为圆形或者正多边形；当消耗棒材的截面为圆形时，圆形截面的直径为8
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30mm，当截面为任意正多边形状截面的外接圆的直径为8
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30mm。
[0015]进一步的，所述干性润滑剂为聚四氟乙烯干性润滑剂或者石墨干性润滑剂。
[0016]进一步的，所述空腔为通孔型或盲孔型空腔，所述空腔的截面形状为圆形或者方形或者正多边形，多个空腔沿截面中心呈轴对称分布，空腔的数量和几何尺寸根据加入增强体的质量分数或者是体积分数确定。
[0017]进一步的，所述金属密封塞的材质与消耗棒材的材质相同，金属密封塞与空腔之间为过盈配合，过盈量为0.1
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0.25mm。
[0018]进一步的，所述刚性轴肩为非消耗轴肩，材质选自以下：工具钢，沉积多层金刚石涂层的工具钢，碳化钨，碳化钨基合金，钨铼合金，多晶立方氮化硼；所述刚性轴肩靠近基板的表面为平面或者是凹面或者是凸面；沿所述刚性轴肩轴向开有贯通的通道，所述通道内轮廓与所述消耗棒材适配用于置入消耗棒材，所述刚性轴肩靠近基板的表面围绕通道边缘固设多个旋转对称凸起，所述凸起的材质与所述刚性轴肩材质相同。
[0019]进一步的，所述凸起的截面形状为圆形或者正多边形，所述凸起的高度为1.5
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3.5mm，所述凸起的截面外接矩形长宽比为2:1～3:1。
[0020]进一步的，所述刚性轴肩的直径为15
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40mm。
[0021]进一步的，所述增强体在注入消耗棒材前放入真空干燥箱进行烘干预处理。
[0022]进一步的，所述增强体材质为陶瓷或者碳材料或者陶瓷和碳材料的混合料，当选择陶瓷材质时，所述陶瓷材质增强体选自以下任一种或多种的组合：氧化铝，碳化硅，碳化钛，氮化硼和二硼化钛颗粒体；所述颗粒体的直径为1
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25μm，或者选择上述颗粒体为纳米颗粒，纳米颗粒的直径小于100nm；
[0023]当选择碳材料材质时，所述碳材料增强体选自以下任一种或多种的组合：碳纳米管、石墨烯/石墨纳米片、C60，直径小于100nm；
[0024]所选择的陶瓷增强体填入量的体积分数为消耗棒材的2.5％
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75％，所选择的碳材料增强体填入量的体积分数为消耗棒材的0.5％
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8.0％。
[0025]本专利技术所述的固相摩擦挤压增材制备大尺寸轻金属基复合材料构件的方法的有益效果是：
[0026]能够根据轻金属基复合材料设计目标和增强体的质量分数或体积分数个性化设计并制备消耗棒材，能够实现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻金属基复合材料构件的方法，所述制备方法适用于利用固相摩擦增材制造方法制备米级大尺寸构件，包括：根据轻金属基复合材料设计目标规定的增强体的质量分数或体积分数计算出消耗棒材截面需要加工的空腔(9)总面积；按照所计算的空腔总面积设计空腔的几何形式、尺寸和数量，沿消耗棒材(2)长度方向加工出相应的空腔；将增强体(10)填充至消耗棒材(2)的空腔内部，然后使用金属密封塞(3)将空腔(9)的开口端部密封，完成置入增强体(10)的消耗棒材(2)的制备后在消耗棒材(2)的表面喷涂一定量的干性润滑剂，放入干燥箱进行干燥处理；将制备好的注入增强体(10)的消耗棒材(2)置于刚性轴肩内部的中空通道中，所述消耗棒材(2)沿所述刚性轴肩的通道轴向运动，使所述消耗棒材(2)的端部与基板(1)表面接触；然后移动所述刚性轴肩(4)沿其轴向运动，直至刚性轴肩(4)端部的凸起(7)与基板(1)表面接触；上位机编辑设定所述刚性轴肩(4)旋转速度、移动速度、消耗棒材(2)的进给速度或轴向压力以及构件成形路径的代码，其中所述刚性轴肩(4)旋转速度为100
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1000rpm，移动速度为30
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400mm/min，消耗棒材(2)的进给速度为2
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100mm/min或者消耗棒材的轴向压力为5
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100kN；根据预设的程序，驱动所述刚性轴肩(4)按照设定的旋转速度带动消耗棒材(2)同时旋转，置于刚性轴肩(4)内并随其高速旋转的消耗棒材(2)在设定的进给速度或压力作用下持续挤压基板表面，消耗棒材(2)端部与基板表面剧烈摩擦产热使得消耗棒材(2)顶部形成热塑性流动，在消耗棒材(2)和刚性轴肩(4)的共同挤压摩擦作用下填充刚性轴肩(4)与基板(1)之间的预置距离，同时受到两者的摩擦顶锻作用在基板(1)表面完成沉积，按照设定的成形路径驱使高速旋转刚性轴肩(4)沿基板表面按照预定路径移动从而形成单层构件制备过程，依次重复上述增材过程完成设计尺寸的构件制备。2.根据权利要求1所述的轻金属基复合材料构件的方法，其特征在于，所述消耗棒材(2)的材质选自以下任意一种或多种组合的合金材料：铝、镁和钛；单根消耗棒材的长度为100
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1000mm；消耗棒材的截面为圆形或者正多边形；当消耗棒材的截面为圆形时，圆形截面的直径为8
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30mm，当截面为任意正多边形状截面的外接圆的直径为8
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30mm。3.根据权利要求1所述的轻金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨新岐，唐文珅，窦恩惠，赵耀邦，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：