一种多层梯度金属基复合构件制备方法与流程

本发明属于金属基复合材料增材制造，具体涉及一种多层梯度金属基复合构件制备方法。

背景技术：

1、为提高金属基复合材料的综合性能，扩展其应用领域，复合材料的设计和制备逐渐由“材料设计-性能要求”的反向设计转为“性能要求-材料设计”的正向设计方向发展。其中，复合材料组织、性能的梯度分布可实现复合材料强度和塑性的同步提升，且可减小和克服结合部分性能的不匹配因素。

2、研究表明，增强相含量/结构在空间上呈梯度分布可有效提升复合材料的综合性能。当前梯度复合材料制备主要有粉末冶金法、自蔓延烧结高温合成法、喷涂法、多层轧制变形法、激光熔覆法等。其中，粉末冶金法将原料按设计的梯度成分成形后烧结，该工艺可实现复合材料梯度的高效设计，但存在工艺复杂、制备材料孔隙率高，综合性能低等问题；自蔓延烧结高温合成法是通过高温扩散、化学反应方式合成，存在反应原料组分要求高、附加反应过程不可控等问题；喷涂法是通过将混合粉末熔化后喷射成形，存在材料缺陷多，组织不致密等问题；多层轧制变形法是将不同成分的复合材料板材叠层后轧制变形形成，但该方法因大塑性变形，存在层间开裂等问题，且无法实现梯度分布状态的定量调控；激光熔覆法是通过将复合原料熔覆后制备，但制备过程中存在液体到固态的转变，存在残余应力过大、组织不致密、晶粒粗大、偏析等缺点，无法实现粗细晶多层结构的高质量制备。

3、搅拌摩擦增材制造技术是一类以搅拌摩擦焊技术为基础且适用于合金材料的全固相增材制造技术，通过增材工具头高速旋转与材料摩擦塑性产热，使材料进入热塑化状态并发生塑性变形，从而将材料按照预定的路径反复逐层堆积，最终获得期望的增材制造构件。该类方法由于不存在熔化再凝固过程，能够有效避免了气孔、液化裂纹等缺陷，同时可获得细小的等轴晶组织，具有增材制造构件综合力学性能优良的特点。然而，现有的搅拌摩擦增材技术通常只能针对平板构件进行增材，无法一次性成形增强相呈梯度分布的多个曲形构件。

技术实现思路

1、至少为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明目的在于提供一种多层梯度金属基复合构件制备方法。

2、本发明采用了如下技术方案。

3、一种多层梯度金属基复合构件制备方法，步骤包括：

4、步骤1，根据构件形状和构件材料的梯度分布要求，称取对应比例的基体材料和增强体颗粒，混合成n种不同组分的复合粉体，分别为c1、c2、cn；

5、步骤2，将所得复合粉体分别装入增材成形装置的多位料仓，并安装好构件基板；

6、步骤3，打开增材成形装置，设置增材成形工艺的工艺参数；

7、步骤4，控制多位料仓按照预设程序供料，并实施增材成形，先使复合粉体c1进入增材成形装置并完成复合构件层f1的制备，然后使复合粉体c2进入增材成形装置并完成复合构件层f2的制备，如此往复，直到复合粉体cn进入增材成形装置并完成复合构件层fn的制备；

8、步骤5，一次或多次重复步骤4，直到完成构件的制备。

9、进一步地，所述的多位料仓包括旋转机构，旋转机构的转盘上设置有多个料仓，所有料仓的中轴线位于同一个圆周上；所述的增材成形装置采用搅拌摩擦增材设备，搅拌摩擦增材设备的工具头料腔能够与任意一个料仓相通。

10、为了能够一次性成形增强相呈梯度分布的多个曲形构件，所述的构件基板安装在基座上，基座上具有若干个间隔布置的通孔，在每个通孔内配合有钨合金隔板，最外侧的封闭式钨合金隔板作为主要支撑挡板，钨合金隔板的内轮廓形状与所制备的构件形状一致；丝杠升降机构运行时，升降部件上下移动，钨合金隔板顺着通孔上下移动。

11、进一步地，实施增材成形的过程中，通过控制丝杠升降机构运行使钨合金隔板顶端始终与搅拌摩擦增材设备的工具头工作端直接呈压力接触，该压力控制为1.8～2.5kn；当构件成形后，控制丝杠升降机构复位。

12、作为优选，当基体材料采用铝粉、增强体颗粒采用碳化硅颗粒时，工具头的加热温度控制为350℃，旋转速度控制为250rpm，工具头的移动速度控制为400mm/min，工具头的工作端压力控制为6kn。

13、作为优选，所述的构件为u形构件、v形构件或多孔柱形构件。

14、为了能够更顺利地成形实现多层梯度金属基复合构件，实施增材成形的过程中，钨合金隔板的温度始终控制为450～470℃。

15、有益效果：本发明提供了一种全新的搅拌摩擦增材成形方案，不仅能够快速成形增强相在空间上呈梯度分布的复合构件，而且能够一次性成形增强相呈梯度分布的多个曲形复合构件；本发明有利于实现材料组分、梯度分布状态的定量调控，成形过程中原材料未发生液相转变，制备过程附加化学反应少，可有效控制材料残余应力、晶粒尺寸、成分偏析等问题，具有层间结合状态良好、残余应力小、致密度高、梯度成分可定量调控、层间不易开裂等优点。

技术特征：

1.一种多层梯度金属基复合构件制备方法，其特征在于，步骤包括：

2.根据权利要求1所述的多层梯度金属基复合构件制备方法，其特征在于：所述的多位料仓包括旋转机构，旋转机构的转盘上设置有多个料仓，所有料仓的中轴线位于同一个圆周上；所述的增材成形装置采用搅拌摩擦增材设备，搅拌摩擦增材设备的工具头料腔能够与任意一个料仓相通。

3.根据权利要求1或2所述的多层梯度金属基复合构件制备方法，其特征在于：所述的构件基板安装在基座上，基座上具有若干个间隔布置的通孔，在每个通孔内配合有钨合金隔板，最外侧的封闭式钨合金隔板作为主要支撑挡板，钨合金隔板的内轮廓形状与所制备的构件形状一致；丝杠升降机构运行时，升降部件上下移动，钨合金隔板顺着通孔上下移动。

4.根据权利要求3所述的多层梯度金属基复合构件制备方法，其特征在于：实施增材成形的过程中，通过控制丝杠升降机构运行使钨合金隔板顶端始终与搅拌摩擦增材设备的工具头工作端直接呈压力接触，该压力控制为1.8~2.5kn；当构件成形后，控制丝杠升降机构复位。

5.根据权利要求4所述的多层梯度金属基复合构件制备方法，其特征在于：当基体材料采用铝粉、增强体颗粒采用碳化硅颗粒时，工具头的加热温度控制为350℃，旋转速度控制为250rpm，工具头的移动速度控制为400mm/min，工具头的工作端压力控制为6kn。

6.根据权利要求5所述的多层梯度金属基复合构件制备方法，其特征在于：所述的构件为u形构件、v形构件或多孔柱形构件。

7.根据权利要求6所述的多层梯度金属基复合构件制备方法，其特征在于：实施增材成形的过程中，钨合金隔板的温度始终控制为450~470℃。

技术总结
本发明提供了一种多层梯度金属基复合构件制备方法，步骤包括：根据构件形状和构件材料的梯度分布要求，称取对应比例的基体材料和增强体颗粒，混合成n种不同组分的复合粉体；将所得复合粉体分别装入增材成形装置的多位料仓，并安装好构件基板；打开增材成形装置，设置增材成形工艺的工艺参数；控制多位料仓按照预设程序供料，并实施增材成形。本发明提供了一种全新的搅拌摩擦增材成形方案，不仅能够快速成形增强相在空间上呈梯度分布的复合构件，而且能够一次性成形增强相呈梯度分布的多个曲形复合构件；本发明有利于实现材料组分、梯度分布状态的定量调控，可有效控制材料残余应力、晶粒尺寸、成分偏析等问题。

技术研发人员：杜传航,邢志辉,赵高瞻,徐超,高诗情,孙际鹏,柴舒心,张菲玥
受保护的技术使用者：中国兵器装备集团西南技术工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8