[发明专利]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

摘要

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，该方法的特点是：(1)首先生成纤维增强金属基复合材料零件的三维模型，然后采用切片技术生成该零件的激光二维加工路径；(2)对纤维进行粗化、敏化、活化与化学镀处理，在直径0.2～10μm的纤维表面形成厚度为20～50μm镀镍层；(3)采用纤维编织模板，将纤维编织成相互平行的结构；(4)采用激光‑感应复合熔覆沉积技术将合金粉末熔化并将纤维包覆起来而形成纤维增强金属基复合材料。采用本发明可在高效率、低成本条件下，制备纤维增强金属基复合材料的结构件；纤维作为强化相均匀分布于金属基复合材料内；纤维结构保持完整且纤维间距离可调可控；纤维增强金属基复合材料显微组织致密，无气孔与裂纹，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％。

主权项

1.一种激光‑感应复合熔化沉积纤维增强金属基复合材料的方法，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。