本发明涉及一种激光-感应复合熔化沉积纤维增强金属基复合材料的方法，属于激光增材制造技术领域。
背景技术：
金属基复合材料由金属基体和增强相通过一定的工艺复合而成的新型结构材料，按增强相的形态可分为纤维增强金属基复合材料、晶须及短纤维增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料等几种形式。因此，金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度以及良好的抗蠕变、耐高温性能，尤其是纤维增强金属基复合材料在其纤维方向上具有很高的强度和模量，在构件的受力状况基本确定时更能发挥其定向优势，在航空航天领域具有十分广阔的应用前景。
目前，纤维增强金属基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、真空压力浸渗法、挤压铸造法、搅拌铸造法等。粉末冶金法是预先将短纤维与金属粉末制成浆状并混合，经成型干燥热压烧结成型，该法较为复杂，不适宜制备大尺寸零件，成本很高。真空压力浸渗法是将增强相制成预制体，放入承压铸型内，加热、抽真空，通过真空产生的负压，使液态基体金属熔体浸渗到预制体中并凝固成形，该方法的设备复杂，工艺周期长，成本较高，适用于制备要求较高的小型零件；挤压铸造是将增强材料制成预制件，放入压型，用压机将液态金属压入凝固后得到成型件，其挤压铸造力大，一般在70-100MPa，所制成预制件必须有很高强度，同时需保证预制件的空隙度；搅拌铸造法是将金属熔化，在液态或半固态搅拌，同时加入增强材料(短纤维、晶须或粒子等)，制备出复合材料浆料，然后进行铸造、液态模锻、轧制或挤压成形。尽管挤压铸造法与搅拌铸造法在工业中得到较为广泛的应用，但是这两种方法制备的纤维增强金属基复合材料都存在纤维增强相分布不均、结构不完整以及与金属基体界面润湿性差等缺点，其综合性能有待进一步提高。
激光增材制造主要以金属粉末或金属丝材为原料，通过CAD模型预分层处理，采用高功率激光束熔化堆积生长，直径从CAD模型一步完成高性能构件的“近终成形”。与传统的制造工艺相比，激光增材制造属于“加法制造”，具有工艺流程短、无模具、制造周期短、小批量零件生产成本低、零件近净成 型、材料利用率高以及可实现多种材料任意复合制造等优点。近年来，激光-感应复合熔化沉积技术可以在加工效率提高1～5倍的条件下，快速制备组织致密的高性能三维结构件。但是，采用激光-感应复合熔化沉积技术制备纤维增强金属基复合材料的方法未见文献报道。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种激光-感应复合熔化沉积纤维增强金属基复合材料的方法。本发明利用具有快速加热、快速凝固、柔性制造、易实现自动化等特点的激光-感应复合熔化热源，将粉末喷嘴喷射出的合金粉末熔化，并将镀有镍层的纤维包覆起来，结合分层切片技术形成纤维增强金属基复合材料结构件。
本发明是这样来实现的，其方法与步骤为：
(1)利用专用CAD软件生成纤维增强金属基复合材料零件的三维CAD实体模型，然后切割成若干相互平行的薄片，实现将零件的三维立体数据转换成一系列的二维平面数据，并在数控加工台上生成激光-感应复合熔化热源的扫描路径；
(2)对纤维进行粗化、敏化、活化与化学镀处理，在直径为0.2～10μm的纤维表面形成厚度为20～50μm的镀镍层，其中纤维为碳纤维、石英纤维或玻璃纤维；纤维进行粗化时溶液配方为：铬酸200～300g/l，浓硫酸150～300ml/l，温度50～60℃，时间90～120min；敏化时溶液配方为：胶体钯6～10ml/l，盐酸200～300ml，温度30℃，时间40～60s；活化时溶液配方：氢氧化钠9～11g/l，温度30～40℃，时间15～30s；化学镀Ni时溶液配方为：六水合硫酸镍35～60g/L，次亚磷酸钠25～40g/L，二水合柠檬酸三钠25～50g/L，氯化铵35～45g/L，加入5～10g/L氨水，温度30～38℃，pH＝8～9，温度40～60min；在粗化、敏化、活化与化学镀Ni后，都需要对纤维用去离子水冲洗5～10min，然后在100～120℃的烘箱内烘干；
(3)采用三组专用纤维编织模板，将纤维编织成相互平行的结构，其中专用纤维编织模板由两个完全相同且表面均匀分布有群孔的304不锈钢板组成，编织的纤维与304不锈钢板表面垂直，304不锈钢板的尺寸为20×20×0.2cm3，纤维编织的厚度为0.1～1.2mm，纤维编织的底部与基材表面接触；
(4)专用纤维编织模板其中的一块304不锈钢板固定在基材的端面，另一 块304不锈钢板固定在激光-感应复合熔化沉积装置的加工头上，且位于激光-感应复合熔化热源前端3～5mm处，编织纤维的长度方向与激光扫描方向平行；
(5)在真空室内将激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将合金粉末吹入激光-感应复合熔化热源形成的熔池内，当激光-感应复合熔化热源移开后，熔融的合金粉末快速凝固并将纤维包覆起来，形成纤维增强金属基沉积层；
激光功率为1～5kW，激光扫描速度为600～3500mm/min，粉末流量为10～120g/min，粉末喷嘴与基材表面的夹角为40～60°，基材被感应加热的温度为500～1100℃，感应加热线圈与编织纤维的距离为2～5mm，粉末喷嘴与编织纤维的垂直距离为8～12mm，单层沉积层的厚度为0.2～1.3mm，合金粉末的粒径为20～45μm；
合金粉末为Ni基合金、Fe基合金或Al基合金，其中Ni基合金粉末的化学成分为：C0.2wt.％，Si2.2wt.％，B1.0wt.％，Nb3.0wt.％，Fe8.0wt.％，Cr2.8wt.％，Ce2O30.8％，余量为Ni；Fe基合金粉末的化学成分为：C0.4wt.％，Si0.7wt.％，Ni9.2wt.％，Y2O32.2wt.％，V2.1wt.％，Cr17.2wt.％，Mn8.5wt.％，余量为Fe；Al基合金粉末的化学成分为：Zn6.2wt.％，Mg2.25wt.％，Cu2.3wt.％，Zr0.1wt.％，Si0.12wt.％，Al2O36.2wt.％，余量为Al；
(6)当在基材表面沉积完一道之后，沿着激光扫描速度的垂直方向移动加工机床，其移动的距离为激光束光斑直径的40～50％；
(7)重复步骤(5)-(6)，直到沉积层宽度满足零件宽度要求；
(8)检测沉积层是否满足零件高度要求，如果没有，将安装有另一块304不锈钢板的激光-感应复合熔化沉积装置的加工头与感应加热线圈沿Z轴向上升到与CAD二维薄片厚度相等的距离，然后按下一层的扫描轨迹进行激光-感应复合熔化沉积，当所有的二维薄片都被扫描完成后，最终形成三维纤维增强金属基复合材料。
本发明在进行所述的步骤(3)时，纤维经过化学镀镍后的直径为20.2～60μm，将编织模板分为三组：第一组模板①群孔孔径为35.1μm，孔间距为35.2～45μm；第二组模板②群孔孔径为45.1μm，孔间距为45.2～60μm；第三组模板③群孔孔径为60.1μm，孔间距为60.2～70μm；当镀Ni层纤维直径为20.2～35μm时，选用模板①；当镀Ni层纤维直径为35.001～45μm时，选用模板②； 当镀Ni层纤维直径为45.001～60μm时，选用模板③；选定模板后，根据纤维编织的厚度，选择相邻或不相邻孔洞进行编制，实现纤维之间距离的可控。
本发明的优点是：(1)加工效率高、组织致密、无气孔与裂纹、纤维增强相结构完整且在复合材料内分布均匀与可控；(2)制备的纤维增强金属基复合材料综合性能优异，如硬度可达1000～1250HV0.2，干滑动磨损性能约是硬度为60HRC的GCr15的3～5倍，抗拉强度可达1000～1200Mpa，延伸率为20～45％。
具体实施方式
实施例1
采用激光-感应复合熔化沉积的方法制备碳纤维增强铁基复合材料，其中碳纤维直径为0.2μm，铁基合金粉末的化学成分为：C0.4wt.％，Si0.7wt.％，Ni9.2wt.％，Y2O32.2wt.％，V2.1wt.％，Cr17.2wt.％，Mn8.5wt.％，余量为Fe，碳纤维增强铁基复合材料的尺寸内径为30mm，外径为60mm，高度为200mm的管状工件，具体实施过程如下：
(1)利用专用CAD软件生成碳纤维增强铁基复合材料零件的三维CAD实体模型，然后切割成若干相互平行且厚度为0.5mm的薄片，实现将零件的三维立体数据转换成一系列的二维平面数据，并在数控加工台上生成激光-感应复合熔化热源的扫描路径；
(2)对碳纤维进行粗化、敏化、活化与化学镀处理，在直径为0.2μm的碳纤维表面形成厚度为20μim的镀镍层，碳纤维进行粗化时溶液配方为：铬酸200g/l，浓硫酸150ml/l，温度50℃，时间90min；敏化时溶液配方为：胶体钯6ml/l，盐酸200ml，温度30℃，时间40s；活化时溶液配方：氢氧化钠9g/l，温度30℃，时间15s；化学镀Ni时溶液配方为：六水合硫酸镍35g/L，次亚磷酸钠25g/L，二水合柠檬酸三钠25g/L，氯化铵35g/L，加入5g/L氨水，温度30℃，pH＝8，温度40min；在粗化、敏化、活化与化学镀Ni后，对碳纤维用去离子水冲洗5min，然后在100℃的烘箱内烘干；
(3)采用专用纤维编织模板，将碳纤维编织成相互平行的结构，其中专用纤维编织模板由两个完全相同且表面均匀分布有群孔的304不锈钢板组成，群孔孔径为35.1μm，孔间距为40μm，编织的碳纤维与304不锈钢板表面垂直，304不锈钢板的尺寸为20×20×0.2cm3，碳纤维编织的厚度为0.4mm，碳纤维编织 的底部与基材表面接触；
(4)专用纤维编织模板其中的一块304不锈钢板固定在基材的端面，另一块304不锈钢板固定在激光-感应复合熔化沉积装置的加工头上，且位于激光-感应复合熔化热源前端3mm处，编织碳纤维的长度方向与激光扫描方向平行；
(5)在真空室内将激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将铁基合金粉末吹入激光-感应复合熔化热源形成的熔池内，当激光-感应复合熔化热源移开后，熔融的铁基合金粉末快速凝固并将碳纤维包覆起来，形成碳纤维增强铁基沉积层；
激光功率为2kW，激光扫描速度为1200mm/min，粉末流量为40g/min，粉末喷嘴与基材表面的夹角为40°，基材被感应加热的温度为500℃，感应加热线圈与编织碳纤维的距离为2mm，粉末喷嘴与编织碳纤维的垂直距离为8mm，单层沉积层的厚度为0.5mm，铁基合金粉末的粒径为25μm；
(6)当在基材表面沉积完一道之后，沿着激光扫描速度的垂直方向移动加工机床，其移动的距离为激光束光斑直径的40％；
(7)重复步骤(5)-(6)，直到沉积层宽度满足零件壁厚要求；
(8)检测沉积层是否满足零件高度要求，如果没有，将安装有另一块304不锈钢板的激光-感应复合熔化沉积装置的加工头与感应加热线圈沿Z轴向上升0.5mm的距离，然后按下一层的扫描轨迹进行激光-感应复合熔化沉积，当所有的二维薄片都被扫描完成后，最终形成三维碳纤维增强铁基复合材料。
实施例2
采用激光-感应复合熔化沉积的方法制备石英纤维增强镍基复合材料，其中石英纤维直径为5μm，Ni基合金粉末的化学成分为：C0.2wt.％，Si2.2wt.％，B1.0wt.％，Nb3.0wt.％，Fe8.0wt.％，Cr2.8wt.％，Ce2O30.8％，余量为Ni；石英纤维增强镍基复合材料的尺寸为：50mm(长)×30mm(宽)×200mm(高)，具体实施过程如下：
(1)利用专用CAD软件生成石英纤维增强镍基复合材料零件的三维CAD实体模型，然后切割成若干相互平行且厚度为0.8mm的薄片，实现将零件的三维立体数据转换成一系列的二维平面数据，并在数控加工台上生成激光-感应复合熔化热源的扫描路径；
(2)对石英纤维进行粗化、敏化、活化与化学镀处理，在直径为5μm的纤维表面形成厚度为40μm的镀镍层，石英纤维进行粗化时溶液配方为：铬酸250g/l，浓硫酸200ml/l，温度55℃，时间100min；敏化时溶液配方为：胶体钯8ml/l，盐酸250ml，温度30℃，时间50s；活化时溶液配方：氢氧化钠10g/l，温度35℃，时间20s；化学镀Ni时溶液配方为：六水合硫酸镍45g/L，次亚磷酸钠35g/L，二水合柠檬酸三钠40g/L，氯化铵40g/L，加入8g/L氨水，温度35℃，pH＝8.5，温度50min；在粗化、敏化、活化与化学镀Ni后，对石英纤维用去离子水冲洗8min，然后在110℃的烘箱内烘干；
(3)采用专用纤维编织模板，将石英纤维编织成相互平行的结构，其中专用纤维编织模板由两个完全相同且表面均匀分布有群孔的304不锈钢板组成，群孔孔径为45.1μm，孔间距为50μm，编织的石英纤维与304不锈钢板表面垂直，304不锈钢板的尺寸为20×20×0.2cm3，石英纤维编织的厚度为1.0mm，纤维编织的底部与基材表面接触；
(4)专用纤维编织模板其中的一块304不锈钢板固定在基材的端面，另一块304不锈钢板固定在激光-感应复合熔化沉积装置的加工头上，且位于激光-感应复合熔化热源前端4mm处，编织纤维的长度方向与激光扫描方向平行；
(5)在真空室内将激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将合金粉末吹入激光-感应复合熔化热源形成的熔池内，当激光-感应复合熔化热源移开后，熔融的合金粉末快速凝固并将石英纤维包覆起来，形成石英纤维增强镍基沉积层；
激光功率为3.5kW，激光扫描速度为2200mm/min，粉末流量为85g/min，粉末喷嘴与基材表面的夹角为45°，基材被感应加热的温度为1000℃，感应加热线圈与编织纤维的距离为4.0mm，粉末喷嘴与编织纤维的垂直距离为10mm，单层沉积层的厚度为1.0mm，镍基合金粉末的粒径为35μm；
(6)当在基材表面沉积完一道之后，沿着激光扫描速度的垂直方向移动加工机床，其移动的距离为激光束光斑直径的45％；
(7)重复步骤(5)-(6)，直到沉积层宽度满足零件宽度要求；
(8)检测沉积层是否满足零件高度要求，如果没有，将安装有另一块304不锈钢板的激光-感应复合熔化沉积装置的加工头与感应加热线圈沿Z轴向上 升0.8mm的距离，然后按下一层的扫描轨迹进行激光-感应复合熔化沉积，当所有的二维薄片都被扫描完成后，最终形成三维石英纤维增强镍基复合材料。
实施例3
采用激光-感应复合熔化沉积的方法制备玻璃纤维增强铝基复合材料，其中玻璃纤维直径为10μm，铝基合金粉末的化学成分为：Zn6.2wt.％，Mg2.25wt.％，Cu2.3wt.％，Zr0.1wt.％，Si0.12wt.％，Al2O36.2wt.％，余量为Al；玻璃纤维增强铝基复合材料的尺寸为：60mm(长)×20mm(宽)×500mm(高)，具体实施过程如下：
(1)利用专用CAD软件生成玻璃纤维增强铝基复合材料零件的三维CAD实体模型，然后切割成若干相互平行且厚度为1.2mm的薄片，实现将零件的三维立体数据转换成一系列的二维平面数据，并在数控加工台上生成激光-感应复合熔化热源的扫描路径；
(2)对玻璃纤维进行粗化、敏化、活化与化学镀处理，在直径为10μm的纤维表面形成厚度为50μm的镀镍层，玻璃纤维进行粗化时溶液配方为：铬酸290g/l，浓硫酸270ml/l，温度60℃，时间118min；敏化时溶液配方为：胶体钯10ml/l，盐酸285ml，温度30℃，时间60s；活化时溶液配方：氢氧化钠11g/l，温度38℃，时间30s；化学镀Ni时溶液配方为：六水合硫酸镍60g/L，次亚磷酸钠40g/L，二水合柠檬酸三钠50g/L，氯化铵45g/L，加入10g/L氨水，温度38℃，pH＝9，温度58min；在粗化、敏化、活化与化学镀Ni后，对玻璃纤维用去离子水冲洗10min，然后在120℃的烘箱内烘干；
(3)采用专用纤维编织模板，将玻璃纤维编织成相互平行的结构，其中专用纤维编织模板由两个完全相同且表面均匀分布有群孔的304不锈钢板组成，群孔孔径为60.1μm，孔间距为65μm，编织的玻璃纤维与304不锈钢板表面垂直，304不锈钢板的尺寸为20×20×0.2cm3，玻璃纤维编织的厚度为1.2mm，纤维编织的底部与基材表面接触；
(4)专用纤维编织模板其中的一块304不锈钢板固定在基材的端面，另一块304不锈钢板固定在激光-感应复合熔化沉积装置的加工头上，且位于激光-感应复合熔化热源前端5mm处，编织纤维的长度方向与激光扫描方向平行；
(5)在真空室内将激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将铝合金粉末 吹入激光-感应复合熔化热源形成的熔池内，当激光-感应复合熔化热源移开后，熔融的合金粉末快速凝固并将玻璃纤维包覆起来，形成玻璃纤维增强铝基沉积层；
激光功率为5kW，激光扫描速度为3500mm/min，粉末流量为120g/min，粉末喷嘴与基材表面的夹角为53°，基材被感应加热的温度为800℃，感应加热线圈与编织纤维的距离为5mm，粉末喷嘴与编织纤维的垂直距离为12mm，单层沉积层的厚度为1.2mm，铝基合金粉末的粒径为45μm；
(6)当在基材表面沉积完一道之后，沿着激光扫描速度的垂直方向移动加工机床，其移动的距离为激光束光斑直径的50％；
(7)重复步骤(5)-(6)，直到沉积层宽度满足零件宽度要求；
(8)检测沉积层是否满足零件高度要求，如果没有，将安装有另一块304不锈钢板的激光-感应复合熔化沉积装置的加工头与感应加热线圈沿Z轴向上升1.2mm的距离，然后按下一层的扫描轨迹进行激光-感应复合熔化沉积，当所有的二维薄片都被扫描完成后，最终形成三维玻璃纤维增强铝基复合材料。