本發(fā)明涉及增材制造，具體而言涉及一種基于金屬熔融沉積的具有空間多級強化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合構(gòu)件的制備方法。

背景技術(shù)：

1、飛行裝備的蒙皮材料要求具備良好的力學(xué)性能及有益的表面性能，如高強度、高塑性、耐磨性好、耐腐蝕性好、耐高溫性能好等性質(zhì)，當(dāng)前一般多采用高強鋁、鎂合金等材料，但這些材料的力學(xué)性能不足。

2、金屬基復(fù)合材料(metal?matrix?composites,mmcs)是將增強體與金屬基體復(fù)合的一類材料，綜合金屬基體和增強體的優(yōu)點，實現(xiàn)材料的強韌化發(fā)展。金屬基復(fù)合材料具有高硬度，低熱膨脹系數(shù)，耐高溫、高耐磨性和耐腐蝕性等優(yōu)點，長期以來被認(rèn)為是未來航空航天及武器裝備的重要潛在結(jié)構(gòu)材料。

3、現(xiàn)有技術(shù)中，一般是通過簡單的將增強相和金屬粉末混合，再通過粉末冶金等高能量輸入的制備工藝獲得所需構(gòu)件，這個過程中容易出現(xiàn)因高能量導(dǎo)致的增強相過度熔化、團聚、產(chǎn)生裂紋和缺陷，以及產(chǎn)生大量脆性的界面反應(yīng)物，界面處產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力等一系列問題，從而導(dǎo)致增強體無法起來增強作用，影響最終構(gòu)件的耐高溫性和力學(xué)性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于提供一種基于金屬熔融沉積的具有空間多級強化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合構(gòu)件的制備方法，通過制備具有由增強相形成的空間多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)材，進一步拉拔或者擠壓方式制備出金屬基復(fù)材絲材，利用金屬熔融沉積技術(shù)，將空間多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保留在打印成型的復(fù)合構(gòu)件中，結(jié)合金屬層和金屬基復(fù)材層交替循環(huán)的方式打印使多級空間網(wǎng)絡(luò)分布的增強相有效發(fā)揮作用，在滿足構(gòu)件高強度要求的同時保證良好的耐高溫性能和韌性。

2、根據(jù)本發(fā)明的目的的第一方面，提出的基于金屬熔融沉積的具有空間多級強化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合構(gòu)件的制備方法，包括以下步驟：

3、s1、原料制備

4、將預(yù)處理后的第一金屬粉末與第一增強相粉末機械混合，經(jīng)由真空自耗熔煉(var)制備獲得鑄態(tài)金屬基復(fù)材棒坯；再以所述鑄態(tài)金屬基復(fù)材棒坯為原料進行prep制粉，獲得第一復(fù)材粉末，其中經(jīng)由prep制粉使得第一增強相細化并分布在基體的晶界處，形成第一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

5、將所述第一復(fù)材粉末與預(yù)處理后的第二增強相粉末機械混合球磨，使得第一復(fù)材粉末的外表包覆納米級的第二增強相粉末，得到第二復(fù)材粉末；

6、將所述第二復(fù)材粉末與第一粘結(jié)劑按比例混合混煉，使得第二增強相粉末在第二復(fù)材粉末表面形成第二網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由此獲得具有空間多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)材，由所述第一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和第二網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成所述的空間多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

7、利用所述具有空間多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)材進行制絲，獲得金屬基復(fù)材絲材；

8、利用預(yù)處理后的第二金屬粉末，與第二粘結(jié)劑按比例混合混煉并制備出金屬絲材；

9、s2、金屬熔融沉積增材

10、以所述金屬絲材和金屬基復(fù)材絲材為原料，采用金屬熔融沉積工藝，按照預(yù)設(shè)的程序在基板上按照金屬層-金屬基復(fù)材層，或金屬基復(fù)材層-金屬層交替循環(huán)的方式從第一層開始逐層沉積，直至最后一層，得到復(fù)材生坯；

11、s3、后處理

12、將所述復(fù)材生坯依次進行熱脫脂、燒結(jié)和熱等靜壓處理，得到金屬基復(fù)合構(gòu)件。

13、作為可選的實施方式，所述第一增強相粉末為微米級；第二增強相粉末為納米級。

14、作為可選的實施方式，所述第一增強相粉末與第一金屬粉末的質(zhì)量比為1:(9～49)，其中，第一增強相粉末的種類選取原則為：能夠與第一金屬粉末固溶生成增強相。

15、作為可選的實施方式，所述第二增強相粉末與第一復(fù)材粉末的質(zhì)量比為1:(9～49)，其中，第二增強相粉末的種類選取原則為：能夠與第一復(fù)材粉末固溶生成增強相。

16、作為可選的實施方式，所述第一增強相粉末的種類包括硼化物、碳化物、氮化物、氧化物的一種或多種，尤其是，所述第一增強相粉末為tic、tib2和wc中的一種或多種。

17、作為可選的實施方式，所述第二增強相粉末的種類包括硼化物、碳化物、氮化物、氧化物的一種或多種，尤其是，第二增強相粉末為tic、tib2和wc中的一種或多種。

18、作為可選的實施方式，所述第一增強相粉末與第二增強相粉末為同一種類的粉末。

19、作為可選的實施方式，所述第一金屬粉末和第二金屬粉末優(yōu)選采用同一牌號的金屬粉末，例如均選自鈦合金，包括但不限于tc4，ti60，ti65等。

20、作為可選的實施方式，所述第一粘結(jié)劑、第二粘結(jié)劑均選自聚甲醛(pom)、乙烯(pe)或者硬脂酸(sa)中的至少一種。

21、由以上本發(fā)明的基于金屬熔融沉積的具有空間多級強化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合構(gòu)件的制備方法，首先對打印原料粉末進行優(yōu)化，通過兩級處理獲得由增強相形成的空間多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)材絲材，同時，在工藝上采用金屬熔融沉積技術(shù)打印成型，降低加工溫度，使得增強相在構(gòu)件內(nèi)部及晶界處的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)得到保留，不會被破壞。

22、利用本發(fā)明制備的金屬基復(fù)材絲材進行fdm打印過程中，同時以金屬絲材以及通過本發(fā)明制備的金屬基復(fù)材絲材為原料，采用金屬層和金屬基復(fù)材層交替循環(huán)的方式打印，充分發(fā)揮金屬的增韌作用和復(fù)合材料的增強作用，顯著提升構(gòu)件的性能，同時還能夠有效防止裂紋擴展，使增強相有效發(fā)揮作用，而金屬基復(fù)材絲材的多尺度的增強相結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)更高效的載荷傳遞和應(yīng)力分散，進一步提升材料的性能，從而在滿足構(gòu)件高強度要求的同時保證良好的耐高溫性能和韌性。

23、按照本發(fā)明的方法制備的復(fù)合構(gòu)件，具有空間多級強化異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過引入不同尺度、不同組元的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以有效結(jié)合不同材料的優(yōu)異性能，實現(xiàn)高強度、高韌性和耐高溫性能的統(tǒng)一，實現(xiàn)面向極端服役環(huán)境條件的材料多目標(biāo)性能需求。

技術(shù)特征：

1.一種基于金屬熔融沉積的具有空間多級強化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合構(gòu)件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第一增強相粉末為微米級。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第二增強相粉末為納米級。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第一增強相粉末與第一金屬粉末的質(zhì)量比為1:(9～49)，其中，第一增強相粉末的種類選取原則為：能夠與第一金屬粉末固溶生成增強相。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第二增強相粉末與第一復(fù)材粉末的質(zhì)量比為1:(9～49)，其中，第二增強相粉末的種類選取原則為：能夠與第一復(fù)材粉末固溶生成增強相。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第一增強相粉末、第二增強相粉末的種類包括硼化物、碳化物、氮化物、氧化物的一種或多種。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述第一增強相粉末、第二增強相粉末為tic、tib2和wc中的一種或多種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第一金屬粉末和第二金屬粉末為同一種牌號的金屬粉末。

9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的制備方法，其特征在于，所述第一金屬粉末和第二金屬粉末的金屬種類均選自鈦合金。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第一粘結(jié)劑、第二粘結(jié)劑均選自聚甲醛(pom)、乙烯(pe)或者硬脂酸(sa)中的至少一種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于金屬熔融沉積的具有空間多級強化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合構(gòu)件的制備方法，首先對打印原料粉末進行優(yōu)化，通過兩級處理獲得由增強相形成的空間多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合粉末，同時，在工藝上采用金屬熔融沉積技術(shù)打印成型，降低加工溫度，使得增強相在構(gòu)件內(nèi)部及晶界處的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)得到保留，不會被破壞。本發(fā)明采用金屬層和金屬基復(fù)材層交替循環(huán)的方式打印，從而使增強相有效發(fā)揮作用，在滿足構(gòu)件高強度要求的同時保證良好的耐高溫性能和韌性。

技術(shù)研發(fā)人員：孫中剛,邢蘊婧,馬海濤,許道勤,郭艷華,戴國慶,劉玉雙
受保護的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8