本發(fā)明涉及一種金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法，屬于金屬基復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)合金材料易難以滿足極端服役環(huán)境下的可靠使用需求。例如，為滿足輪式地外星球探索車在各種未知表面服役面臨的沖擊、碰撞等復(fù)雜情況而不被破壞，其車輪必須滿足高強(qiáng)度、耐沖擊、耐磨損、耐腐蝕等要求，傳統(tǒng)材料很難同時(shí)滿足這一系列復(fù)雜工況需求。連續(xù)纖維網(wǎng)格增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料作為一類新型的復(fù)合材料體系，在承受外加載荷作用時(shí)，高強(qiáng)度高韌性的纖維將承受大部分外加載荷，而基體的主要作用是載荷傳遞和再分布的沒接。復(fù)合材料的力學(xué)性能將受到纖維性能、基體的性能及二者之間的界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，此外還與纖維網(wǎng)格的編織方式和方向有關(guān)。對(duì)于這一類復(fù)合材料，其纖維主要包含三類增韌機(jī)理：(1)纖維橋接：其本質(zhì)為一種裂紋尾部效應(yīng)，即當(dāng)靠近橋接纖維連接纖維尖端的兩個(gè)表面時(shí)提供給裂紋面一個(gè)使裂紋相互靠近的作用力，組織裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，起到增強(qiáng)的效果；(2)裂紋彎曲與偏轉(zhuǎn)：當(dāng)裂紋擴(kuò)展到纖維時(shí)，使裂紋擴(kuò)展的路徑發(fā)生彎曲和偏轉(zhuǎn)，從而使得裂紋的總表面積增加，吸收的總能量增加，起到增韌的效果；(3)纖維脫附：當(dāng)纖維與基體界面在外力作用下發(fā)生剝離時(shí)，纖維與基體發(fā)生界面剝離，出現(xiàn)纖維脫粘的效果，消耗大量能量，使復(fù)合材料的韌性進(jìn)一步提升。結(jié)合以上三點(diǎn)，連續(xù)纖維網(wǎng)格增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可以說在高強(qiáng)高韌結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用具有突破性的應(yīng)用潛力。

2、然而，這一類材料的制備目前卻面臨著以下諸多困難：(1)復(fù)雜結(jié)構(gòu)難制造：現(xiàn)有連續(xù)纖維網(wǎng)格增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料通常采用連續(xù)纖維網(wǎng)格預(yù)制體熔滲/壓力浸滲或熱壓燒結(jié)的方式進(jìn)行制備，這意味著其結(jié)構(gòu)形式較為受限，只能制造一些簡單的幾何結(jié)構(gòu)，同時(shí)又考慮到連續(xù)纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特性，從簡單幾何結(jié)構(gòu)機(jī)加工制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)又直接面臨著破壞纖維連續(xù)性的問題；(2)界面過度反應(yīng)：熔融態(tài)的基體材料在高溫下與連續(xù)纖維網(wǎng)格極易發(fā)生冶金反應(yīng)，生成過量過厚的化合物，如fe2al5、fe4al13、al4c3等脆性或易水解相，這對(duì)復(fù)合材料的整體承載性能和耐腐蝕性能具有極為負(fù)面的影響；(3)耐腐蝕性難保證：基體與纖維間因其材料不同，其本質(zhì)上不可避免地存在腐蝕電位差，導(dǎo)致耐腐蝕性較差，但是傳統(tǒng)制造方法因?yàn)楦邷靥卣?，絕大多數(shù)腐蝕防護(hù)手段無法在制造過程中應(yīng)用，這使得這種較差的耐腐蝕性難以有效調(diào)控。鑒于以上問題，可以得知突破連續(xù)纖維網(wǎng)格增強(qiáng)復(fù)合材料難制造困境的本質(zhì)手段在于避免熔化再凝固成形并實(shí)現(xiàn)增材式制造模式，因?yàn)?，如能提出一種基于固相沉積原理的增材制造方法，將有望實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維網(wǎng)格增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可靠制造的革命性突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有連續(xù)纖維網(wǎng)格增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制造方法存在的復(fù)雜結(jié)構(gòu)難制造、界面過度反應(yīng)、耐腐蝕性難保證的問題，進(jìn)而提出一種連續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法。

2、本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明的步驟具體包括：

3、步驟1、連續(xù)纖維網(wǎng)格表面清理：對(duì)連續(xù)纖維網(wǎng)格表面進(jìn)行清洗，包括除油、酸洗和弱浸蝕；

4、步驟2、連續(xù)纖維網(wǎng)格表面毛化：采用脈沖電沉積工藝進(jìn)行連續(xù)纖維網(wǎng)格表面的電化學(xué)毛化，制造高粗糙度的表面結(jié)構(gòu)并同步引入緩蝕劑，加強(qiáng)連續(xù)纖維網(wǎng)格與基體之間的機(jī)械互鎖作用，提高載荷傳遞效應(yīng)，同時(shí)通過引入的緩蝕劑，弱化連續(xù)纖維網(wǎng)格與基體間的電偶腐蝕行為，提高復(fù)合材料整體的耐蝕性；

5、步驟3、增材構(gòu)件切片：對(duì)通過三維建模軟件設(shè)計(jì)的增材構(gòu)件數(shù)模實(shí)體進(jìn)行高度方向上的切片，切片厚度在0.5～3.0mm，通過按照切片形貌，采用激光切割或電火花線切割的方式切割每一層的連續(xù)纖維網(wǎng)格；

6、步驟4、基體層摩擦沉積成形：在基板或已增材制造構(gòu)件沉積一層金屬基體，摩擦沉積所用的基本裝置結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)部件、緊定螺釘、約束環(huán)三部分；

7、步驟5、鋪設(shè)連續(xù)纖維網(wǎng)格：將連續(xù)纖維網(wǎng)格鋪設(shè)于基體增材制造層表面，并輥壓平整；

8、步驟6、逐層堆疊增材制造：重復(fù)步驟4和步驟5，每層基體制造層與連續(xù)纖維網(wǎng)格厚度之和與步驟3中的每一層增材構(gòu)件切片厚度相等；

9、步驟7、增材后處理：通過機(jī)械加工方式將增材制造構(gòu)件從基板上移除，并按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需求進(jìn)行精加工。

10、進(jìn)一步的，金屬基復(fù)合材料的基體是鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、鈦、鈦合金中的一種。

11、進(jìn)一步的，連續(xù)纖維網(wǎng)格表面清理的除油步驟為采用強(qiáng)堿脫脂液將連續(xù)纖維網(wǎng)格浸入至70～90℃的強(qiáng)堿脫脂液中浸泡10～60min，隨后使用去離子水清洗干凈，強(qiáng)堿脫脂液為100g/lnaoh溶液。

12、進(jìn)一步的，連續(xù)纖維網(wǎng)格表面清理的酸洗和弱浸蝕步驟采用10％hcl+5％hf混合溶液，清洗除去表面氧化膜并受到輕微腐蝕露出新鮮金屬表面。

13、進(jìn)一步的，連續(xù)纖維網(wǎng)格表面毛化步驟采用240g/l?cro3+2.4g/lh2so4(98％)+20.0g/lna2moo4電解液，將碳板作為陽極、連續(xù)纖維網(wǎng)格作為陰極進(jìn)行電化學(xué)毛化，電解電流密度50～2000ma/cm2，脈沖占空比0.30～0.75，電解液溫度40～90℃，時(shí)長10～120min，以在連續(xù)纖維網(wǎng)格表面制備高粗糙度的表面毛化層，同時(shí)引入鉬酸根成分為主的緩蝕劑，在提高界面機(jī)械互鎖的同時(shí)，弱化基體與連續(xù)纖維網(wǎng)格的電偶腐蝕效應(yīng)，同步提高復(fù)合材料的力學(xué)和耐蝕性能。

14、本發(fā)明的有益效果是：

15、1、本發(fā)明提出了一種連續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法，通過切片逐層堆疊的增材制造思路，解決了連續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)難制造的瓶頸；

16、2、本發(fā)明采用的摩擦沉積增材手段為純固相過程，避免了熔凝式增材制造存在的界面過度反應(yīng)問題，通過結(jié)合電化學(xué)毛化和緩蝕劑引入，顯著提高了復(fù)合材料的整體承載性能和耐腐蝕性能；

17、3、本發(fā)明適用于多種連續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料的高性能制造，且結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，可行性良好。

技術(shù)特征：

1.連續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法，其特征在于，具體包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法，其特征在于，金屬基復(fù)合材料的基體是鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、鈦、鈦合金中的一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法，其特征在于，連續(xù)纖維網(wǎng)格表面清理的除油步驟為采用強(qiáng)堿脫脂液將連續(xù)纖維網(wǎng)格浸入至70～90℃的強(qiáng)堿脫脂液中浸泡10～60min，隨后使用去離子水清洗干凈，強(qiáng)堿脫脂液為100g/lnaoh溶液。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法，其特征在于，連續(xù)纖維網(wǎng)格表面清理的酸洗和弱浸蝕步驟采用10％hcl+5％hf混合溶液，清洗除去表面氧化膜并受到輕微腐蝕露出新鮮金屬表面。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法，其特征在于，連續(xù)纖維網(wǎng)格表面毛化步驟采用240g/l?cro3+2.4g/l?h2so4(98％)+20.0g/lna2moo4電解液，將碳板作為陽極、連續(xù)纖維網(wǎng)格作為陰極進(jìn)行電化學(xué)毛化，電解電流密度50～2000ma/cm2，脈沖占空比0.30～0.75，電解液溫度40～90℃，時(shí)長10～120min，以在連續(xù)纖維網(wǎng)格表面制備高粗糙度的表面毛化層，同時(shí)引入鉬酸根成分為主的緩蝕劑，在提高界面機(jī)械互鎖的同時(shí)，弱化基體與連續(xù)纖維網(wǎng)格的電偶腐蝕效應(yīng)，同步提高復(fù)合材料的力學(xué)和耐蝕性能。

技術(shù)總結(jié)
一種連續(xù)纖維網(wǎng)格強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法，它涉及一種金屬基復(fù)合材料摩擦沉積增材制造方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有連續(xù)纖維網(wǎng)格增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制造方法存在的復(fù)雜結(jié)構(gòu)難制造、界面過度反應(yīng)、耐腐蝕性難保證的問題。本發(fā)明的步驟具體包括：步驟1、連續(xù)纖維網(wǎng)格表面清理；步驟2、連續(xù)纖維網(wǎng)格表面毛化；步驟3、增材構(gòu)件切片；步驟4、基體層摩擦沉積成形；步驟5、鋪設(shè)連續(xù)纖維網(wǎng)格；步驟6、逐層堆疊增材制造；步驟7、增材后處理。本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：謝聿銘,張一寧,賈肴,黃永憲,孟祥晨,張澤宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9