一种金属基复合材料零部件的快速成形方法
【专利摘要】本发明公开一种金属基复合材料零部件的快速成形方法。该方法将零部件三维CAD模型沿Z向分层，逐层铺设纤维，并紧随纤维进行激光融敷，完成一层打印后，下降一个层厚，层层打印，直至完成零部件制造。该成形方法柔性高，能成形复杂形状零部件，适合复杂梯度复合材料的快速制备。
【专利说明】 一种金属基复合材料零部件的快速成形方法
【技术领域】
[0001]本发明属于制造【技术领域】，特别涉及一种连续纤维增强金属基复合材料零部件的快速成形方法。
【背景技术】
[0002]连续纤维增强金属基复合材料是利用高强度、高模量、低密度的硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳纤维等作为增强体，与相应的金属基体复合而成的。与短纤维增强连续纤维增强金属基复合材料相比，连续纤维增强复合材料的机械强度、压缩强度、耐疲劳性能都得到很大的提高，因此在先进武器、航空航天等领域有着更加广阔的应用前景。传统的连续纤维增强金属基复合材料的制备方法可以分为固态法(FFF)和液态法两类。固态法是将金属箔或金属粉末与纤维按设计要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再经加压、加热，将金属基体与增强物复合黏结在一起，形成复合材料的制备方法。该方法工艺复杂，特别是基体合金箔的制造，严重限制其广泛应用。液态法是先把纤维增强相预制成型，然后将基体熔体倾入，在加压或负压条件下使其浸渗到纤维间隙而达到复合化的目的。这种方法只用于熔点较低的材料，如镁、铝和锌合金等，对于熔点高的钛基和镍基复合材料应用较少。
[0003]快速成形(Rapid Prototyping)技术兴起于20世纪90年代,是集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体的零件原型制造技术。不同于传统的去除材料制造零件的方法，快速成形技术是依靠CAD软件，在计算集中建立三维实体模型，并将其离散化成一系列平面几何信息，通过控制激光束或电子束等热源的扫描方向和速度，采用粘结、烧结、聚合或化学与反应等手段逐层有选择的加工原材料，从而快速堆积出实体模型的增材制造方法。目前常用的快速成形方法有:光固化成型(SLA)、分层实体制造(L0M)、选取激光烧结(SLS )、三维打印(3DP )和熔融沉积制造(FDM)。这些方法一般采用光敏树脂、塑料薄膜、蜡、尼龙、金属或陶瓷粉末作为成形材料，因此只能制造相应材料的金属或非金属零件。对于市场需求旺盛、应用前景广阔的复合材料，特别是连续纤维增强金属基复合材料的快速制造，上述方法都很难实现。
[0004]激光熔覆技术是20世纪70年代兴起的一种新的激光加工技术，它是利用激光辐照作用将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，随后冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层一种表面强化方法。由于激光熔敷层的冷却速度快，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态，因此具有优异的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种精度高、性能好、自动化程度高的连续纤维增强金属基复合材料零部件的快速制造方法。
[0006]本发明的连续纤维增强金属基复合材料零部件的快速制造方法包括以下步骤: A.利用三维CAD造型软件建立零部件的三维实体模型；
B.将建立的模型Z向离散化；
C.对层片进行纤维铺放路径规划；
D.根据层片的规划路径连续铺放纤维，并紧随铺放的纤维进行激光熔敷；
E.完成层片熔敷后，工作台下降一个工作高度；
F.重复步骤D、E，直至零件加工完成。
[0007]所述的纤维的铺放方法为，纤维由导丝嘴导出，并在导丝嘴的带动下移动。
[0008]所述的激光熔敷的方法为，紧随铺放的纤维，在其已铺放纤维的路径喷射金属粉末，并采用激光辐照使粉末熔化。喷射的金属粉末可以为铝及铝合金粉末、镁及镁合金粉末、钛及钛合金粉末、镍及镍合金粉末。
[0009]所述对已铺放纤维激光熔敷时，判断层片是否为第一层，若层片为第一层，则不需要铺放纤维，只进行激光熔敷。熔敷完成后根据层片信息对熔覆层进行层面的去除加工。
[0010]为了达到更好的熔敷效果，在所述用激光熔敷时采用以下工艺条件:激光功率200-3000W，光斑直径 l_8mm，扫描速度 10-100mm/s，送粉量 5_25g/min。
[0011]本发明的连续纤维增强金属基复合材料零部件的快速成形方法产生的有益效果是:
(1)在计算机三维实体模型的基础上，采用二维平面加工直接成形出连续纤维增强金属基复合材料的零部件，降低了制造难度与对数控系统高维制造的要求；
(2)纤维铺放和激光熔敷同步进行，成形速度快，易于实现连续纤维增强金属基复合材料的快速成形；
(3)通过激光功率的调节，不仅可以实现熔点较低的镁、铝、锌基复合材料的制备，还可以用于高熔点金属如钛基和镍基复合材料的快速成形；
(4)基体材料采用粉末可以大大增加材料设计的灵活性，使复杂梯度复合材料的快速制备成为可能；
(5)激光熔敷热输入小，熔敷层的变形很小，因此有利于实现大尺寸金属基复合材料的快速制造。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的连续纤维增强金属基复合材料的快速制造工艺流程图；
图2是本发明的连续纤维增强金属基复合材料的制造示意图；
图3是实施例1中制造的碳纤维增强铝基复合材料长方体零件示意图；
图4是实施例1中制造的碳纤维增强钛合金管状零件示意图；
附图标记
1-工作台2-纤维3-导丝嘴4-熔覆头5-金属粉末6-激光头7-铣刀 8-金属基复合材料。
【具体实施方式】
[0013]下面通过两个实施例对本发明做详细的说明，但不作为对本发明的限定。
[0014]实施例一:利用本发明制造一个40X40X 1mm的碳纤维增强铝基复合材料长方体零件；
(1)利用计算机建立40X 40 X 1mm的立方体模型；
(2)将上述模型进行Z向离散化处理，即将立方体模型分成厚度为Imm的层状模型，共10层，每层为40 X 40mm的正方形；
(3)根据层片厚度选择粗细匹配的纤维及匹配的激光熔敷工艺；
(4)根据层片模型确定铺放及激光熔敷路径；
(5)判断该层是否是第一层，如果是，沿规划路径喷射铝合金粉末，并在激光辐照下实现熔敷，否则进行步骤(6);
(6)利用铣刀将熔敷片层厚度方向1_以外的部分去除；
(7)由导丝嘴引导纤维沿规划路径移动，熔覆头和激光头紧随导丝嘴，以同轴送粉的形式在其后方移动；
(8)层片加工完成后，将工作台下移Imm；
(9)判断是否所有层片全部加工完成，如果不是，重复步骤(6)?(8)，直至所有层片加工完毕。
[0015]实施例二:利用本发明制造一个内径36mm,外径40mm,高度1mm的碳纤维增强钛合金管状零件；
(1)利用计算机建立内径36mm,外径40mm,高度1mm的管状模型；
(2)将上述模型进行Z向离散化处理，即将立方体模型分成厚度为2mm的层状模型，共5层，每层为内径36mm,外径40mm的圆环；
(3)根据层片模型确定纤维铺放及激光熔敷路径；
(4)根据层片厚度选择粗细匹配的纤维及匹配的激光熔敷工艺；
(5)判断该层是否是第一层，如果是，沿规划路径喷射钛合金粉末，并在激光辐照下实现熔敷，否则进行步骤(6);
(6)利用铣刀将熔敷片层厚度方向2_以外的部分去除；
(7)由导丝嘴引导纤维沿规划路径移动，熔覆头和激光头紧随导丝嘴，以旁轴送粉的形式在其后方移动；
(8)层片加工完成后，将工作台下移2mm；
(9)判断是否所有层片全部加工完成，如果不是，重复步骤(6)?(8)，直至所有层片加工完毕。
[0016]以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，进行其他实施例，均应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种金属基复合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，包括如下步骤: A.利用三维CAD造型软件建立零部件的三维实体模型； B.将建立的模型Z向离散化； C.对层片进行纤维铺放路径规划； D.根据层片的规划路径连续铺放纤维，并紧随铺放的纤维进行激光熔敷； E.完成层片熔敷后，工作台下降一个工作高度； F.重复步骤D、E，直至零件加工完成。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，所述的纤维包括硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳纤维。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，所述纤维的铺放方法为，纤维由导丝嘴导出，并在导丝嘴的带动下移动。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，所述激光熔敷的方法为，紧随铺放的纤维，在其已铺放纤维的路径喷射金属粉末，并采用激光辐照使粉末熔化。
5.根据权利要求4所述的激光熔敷的方法，其特征在于，所述的金属粉末喷射方式为同轴送粉或旁轴送粉。
6.根据权利要求4所述的在其已铺放的路径喷射金属粉末，其特征在于，所述的金属粉末为铝及铝合金粉末、镁及镁合金粉末、钛及钛合金粉末、镍及镍合金粉末。
7.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，若层片为第一层，则不需要铺放纤维，只进行激光熔敷，熔敷完成后根据层片信息对熔覆层进行层面的去除加工。
8.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料零部件的快速成形方法，其特征在于，所述激光熔敷所采用的工艺条件为:激光功率200-3000W，光斑直径l_8mm，扫描速度 10-100mm/s,送粉量 5_25g/min。
【文档编号】C22C101/10GK104388849SQ201410762728
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月14日 优先权日:2014年12月14日
【发明者】单忠德, 刘丰, 杨东霞, 战丽, 张群 申请人:机械科学研究总院先进制造技术研究中心