[发明专利]连续纤维增强复合材料及零件的选区熔化成形方法及设备

说明书

本发明提供一种基于高能束选区熔化成形技术的连续纤维增强复合材料及零件的制备方法，涉及复合材料及增材制造技术领域。采用基于粉末床的高能束选区熔化成形技术，将连续纤维和基体粉末分层布置，连续纤维的熔点高于基体粉末熔点，设定合适的高能束加工参数，保证高能束能够熔化基体粉末但不熔化连续纤维。高能束根据规划路径逐层选区熔化基体粉末，实现基体和连续纤维的紧密结合，最终实现连续纤维增强复合材料及零件的高度自动化、柔性化和精细化制备。制备过程在真空或惰性气体保护环境中进行，能够有效防止制备过程中复合材料的氧化。该方法适用材料范围广、制备方法自由度高，能够大幅缩减复合材料及零件的制备周期和成本。

技术领域

本发明涉及复合材料及增材制造技术领域，具体为一种基于高能束选区熔化成形技术的连续纤维增强复合材料及零件的制备方法及其设备。

背景技术

连续纤维增强复合材料因具有较高的比强度、比刚度及良好的耐高温性、耐磨性、抗疲劳性、抗断裂性等优良性能，在航空航天、先进武器、汽车等领域中得到广泛关注和快速发展。根据基体材料的不同，连续纤维增强复合材料主要可分为三类：连续纤维增强金属基复合材料、连续纤维增强聚合物基复合材料和连续纤维增强陶瓷基复合材料。

传统的连续纤维增强复合材料的制备方法主要包括连续纤维预制体制备和基体融合固化两个工序，即根据复合材料的设计需求预先在模具中完成连续纤维的布置，而后通过液态基体浸润凝固、固态基体高温高压原子扩散或化学反应沉积等方式实现基体材料与连续纤维的融合和固化，此类制备方法需要模具、生产工序复杂、制备周期长，且难以实现高度自动化、柔性化的制备，因此存在局限性。

近年来，随着增材制造技术的快速发展，使用增材制造技术制备连续纤维增强复合材料的方法开始得到关注，如公开号为CN106738891A的专利申请中介绍了一种通过CAD驱动控制打印喷头制备连续碳纤维增强ABS树脂基复合材料的方法，公开号为CN106756649Y的专利申请中介绍了一种使用激光熔覆技术制备连续SiC纤维增强钛基复合材料的方法，公开号为CN106077652A的专利申请中介绍了一种激光熔覆叠层成形复合材料的设备及方法。与传统连续纤维增强复合材料的制备方法相比，使用增材制造技术具有可精确控制成形参数、可选择性控制成形区域和纤维密度、无模制造、制备周期短等优点。

但是，现有的增材制造制备方法由于单作用点面积和层厚均较大，仍然难以实现复杂精细结构的成形，亦难以在成形方向上实现更高的纤维密度，因此同样存在一定局限性。

综上所述，现有的连续纤维增强复合材料的制备方法均存在一定不足。因此，寻求一种适用范围广、周期短、高度自动化、柔性化和精细化制备连续纤维增强复合材料的方法以及设备，成为令人关注的问题。

发明内容

针对现有的连续纤维增强复合材料及零件制备方法的缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于高能束(激光、电子束等)选区熔化成形技术的连续纤维增强复合材料及零件的制备方法及其设备。该方法和设备可以实现连续纤维增强复合材料及零件的短周期、无模制造，制备过程高度自动化、柔性化和精细化，能够制备多种连续纤维材料和多种基体材料组合的复合材料及零件，适用范围广。

本发明的技术方案是：

提供一种基于高能束选区熔化成形技术的连续纤维增强复合材料及零件的制备方法，采用基于粉末床的高能束选区熔化成形技术，将基体粉末和连续纤维分层布置，连续纤维的熔点高于基体粉末熔点，设定合适的高能束加工参数，保证高能束能够熔化基体粉末但不熔化连续纤维。高能束根据规划路径逐层选区熔化基体粉末，实现基体材料和连续纤维的紧密结合，最终实现连续纤维增强复合材料及零件的高度自动化、柔性化和精细化制备。制备过程在真空或惰性气体保护环境中进行，能够有效防止制备过程中复合材料的氧化。

该制备方法具体包括如下步骤：