[发明专利]基于丝粉混合沉积方法制备层状高强韧复合材料

说明书

本发明公开一种基于丝粉混合沉积方法制备层状高强韧复合材料，通过丝材熔丝沉积，粉末喷涂的方式解决了丝粉混合沉积的难题，避免了设备改造复杂，过程控制困难的限制；通过镂空模具喷涂，可实现硬质材料和软质材料的可控分布；且突破传统均质材料强韧性矛盾限制，通过软质材料和硬质材料的合理分布，兼顾了材料的高强度和高塑性，在少量降低材料塑性或者不降低材料塑性的同时，极大的提高材料的强度；通过丝粉混合沉积，实现了软硬交织高强韧材料的高效率、大批量制备。

技术领域

本发明涉及高强韧复合材料制备技术领域，具体涉及基于丝粉混合沉积方法制备高强韧复合材料。

背景技术

金属材料作为传统的结构材料，在基础设施、航空航天、国防军工等领域中得到广泛的应用。但随着技术的进步，材料应用场景的多样化、复杂化，对于金属材料的性能要求不断提高，尤其是材料的强度和韧性。在金属材料中，原子规则排列，但是局部区域存在缺陷，在外力作用下，金属容易在缺陷位置发生断裂失效；但在一定范围的应力作用下，金属中的缺陷例如位错、层错等会沿着一个方向滑移，是材料具有塑性变形的能力，宏观体现在为韧性，材料的强度和韧性是一对本征的矛盾：高强度要求位错不容易动，而韧性要求位错容易滑移。因此材料的强度和韧性是一种倒置关系。常用的材料强化手段包括固溶强化、细晶强化、第二相强化和加工硬化。其中固溶强化、第二相强化和加工硬化均是在牺牲材料塑性的基础上提高强度；细晶强化虽然能够实现强度和塑性的同时提高，但是其提升非常有限，在对超细晶或者纳米晶的研究发现，材料晶粒尺寸愈小，晶界愈多,塑性变形愈困难,当晶粒尺寸为10-15nm时屈服强度可达普通粗晶体的10倍以上,但是延伸率普遍小于5％。因此，材料的强韧化成为了金属材料领域的研究热点。碳酸钙材料硬度高塑性差，但利用贝壳的特殊结构使其在力学性能上有显著的提高，通过“简单组成、复杂结构”的精细设计可实现材料的高韧性、高强度及使用可靠性等。根据贝壳结构，提出了“砖内强化，泥网韧化”的强韧化理念，基于异质异构设计与成形，利用不同材料对与应力的响应差异造成梯度变形效应，并改变材料的失效模式，达到强韧化的效果。

增材制造作为新兴的材料制备方法，可以实现材料的逐层逐道沉积，在制备高强韧复合材料方面具有重要潜力。采用增材制造方法制备高强韧复合材料根据给料方式可以分为粉末增材制造和丝粉混合沉积两种。公开号为CN111451502A的发明专利公开了一种增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，通过制备一系列的不同纳米碳含量的C/Ti复合粉末，采用高能束增材制造方法制备原位自生TiC增强钛基复合材料。采用调节粉末成分，并通过增材制造方法制备高强韧复合材料对粉末要求较高，材料成分的改变会造成大量粉末浪费，同时增材效率较低，难以实现大型构件的制备。公开号为CN202010192204.5的发明专利公开了一种同轴送丝送粉熔化极电弧增材制造装置与工艺，通过对增材过程的枪头进行改造设计，实现了丝粉混合沉积的目的。公开号为CN202010109194.4的发明专利公开了复合式电子束增材制造设备及工艺，该设备的电子束枪的底座上安装送丝喷嘴和送粉喷嘴，送粉喷嘴与送粉系统连接，金属丝通过送丝机送入送丝喷嘴，组成复合式电子束增材熔化系统。以上是通过改造设备实现丝粉混合沉积，改造较为复杂，控制较为困难。同时，单独通过丝材和粉末的同时送入难以实现高强韧复合材料制备。

发明内容

本发明的目的是提供基于丝粉混合沉积方法制备高强韧复合材料，用于实现软硬交织材料的高强韧复合材料的高效大批量制备。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

提供一种层状高强韧复合材料，层状高强韧复合材料结构包括硬质材料和软质材料，硬质材料强度是软质材料的1.5～2倍，软质材料的塑性是硬质材料的3～5倍；结构设计中，第2n-1层为硬质材料，硬质材料内部存在软质材料均匀分布，软质材料占比为5％～10％；在第2n层为软质材料，软质材料连续分布。

进一步的，高强韧复合材料制备需要通过丝粉混合沉积来实现，软质材料采用熔丝增材制造的方法进行沉积，硬质材料采用粉末喷涂的方法得以实现。增材方法包括CMT增材、等离子弧增材或TIG增材。