[实用新型]一种用于颗粒增强铝基复合材料的电子束重熔装置

说明书

本实用新型公开了一种用于颗粒增强铝基复合材料的电子束重熔装置，装置包括真空电子束焊机、电子束加工平台和控制器；所述电子束加工平台主体为一套XYZ三轴移动平台。电子束的激发、加速、聚焦、传输和加工路径，将通过电子枪控制器和电子束加工平台控制器进行预先设定和实时控制。本实用新型通过电子束熔池的高速搅动和快速冷却凝固过程，使纳米增强相发生两次分散，并细化基体晶粒组织。本实用新型加工参数的可控性和自由度高、真空环境加工无氧化、熔体纯度高、表面变形小、能量利用率高，设备及工艺对工件适应能力强，能够用于多种金属的电子束加工场合。

技术领域

本实用新型涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种用于颗粒增强铝基复合材料的电子束重熔装置。

背景技术

铝基复合材料(AMC)，逐渐成为航空航天等高端制造业的关键材料，也是联系有色金属新材料和航空航天工业的交叉和纽带。其中，颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)作为AMC的重要分支，具有优越的力学、导电与耐热性能，且高体积分数PRAMC理论上具备更高的比强度及热稳定性。因此PRAMC在航空航天等轻量化应用领域极具开发潜力。PRAMC微观组织的优劣，是决定其材料力学性能的最重要因素，目前我国在铝基复合材料产业方面与国外的差距，主要体现在材料的微观组织及性能方面，尤其是适用于工业化生产的纳米增强相的均匀化分散技术未获得根本解决，且颗粒分散、界面结合、复合材料塑性变形机制尚未完全明确。因此开展PRAMC的制备、加工及成型技术的相关科学研究，对我国新材料及高端制造产业的发展具有重要意义。

目前已有多种PRAMC的制备方法。其中，原位合成法或熔体反应法是通过向熔体内添加能产生增强相的反应物，在特定反应条件下增强相在Al基体内部形核并长大，该方法消除了外加颗粒附带的污染物，改善了颗粒/基体间的润湿性和结合性，对于提升界面结合强度，改善材料力学性能具有关键意义。并且原位合成法基于成熟的铸造工艺，成本可控，相较外加颗粒法省去清洁增强颗粒的工序，进一步降低成本，是极具产业化前景的PRAMC制备方法。然而原位合成PRAMC技术仍不完善，尤其原位合成高体积分数PRAMC时，难以避免存在较多组织缺陷：

(1)PRAMC铸态组织存在晶粒粗大等铸造缺陷，典型晶粒尺寸在数十至数百μm。不满足晶界大量滑移的条件，已证明金属大量晶界滑移是获得细晶超塑性的必要条件。其次铸造过程形成粗大的树枝晶，树枝晶的大轴比不利于超塑性变形。由于铝合金的超塑性只属于细晶超塑性，但是基体晶粒尺寸和形态均不满足，因此铸态PRAMC的基体无法获得细晶强化效应及细晶超塑性；

(2)颗粒分散性差甚至产生团聚现象。当颗粒团聚区域产生应变，由于基体塑性变形受到更大限制，易引发“空洞”(颗粒/基体界面剥离)，导致材料界面失效，降低材料强度及塑性。团聚现象在高颗粒体积/质量分数、颗粒粒径为纳米级时趋于严重；

(3)由于上述组织缺陷，铸态复合材料的塑性变形能力较差，且高体积/质量分数PRAMC 甚至出现延伸率大幅降低的现象

上述微观组织缺陷直接降低了复合材料的力学性能，并且由于不具备超塑性成形能力，原位合成PRAMC的加工将受到设备、工艺窗口的更多制约，也制约了构件尺寸精度、残余应力等产品指标的提升潜力。因此，解决上述组织缺陷问题，使PRAMC具备理想的微观结构，是其具备优异比强度并兼顾延展性乃至获得超塑性的结构基础。

根据微观组织演变机制及其主要影响因素，可以有针对性地提出加工措施进行改善。如对纳米增强相团聚的缺陷，可以通过物理场冶金、粉末冶金、微波或等离子烧结技术进行改善。针对基体合金晶粒粗大的缺陷，可以通过大塑性变形、搅拌摩擦加工、高能束表面加工等方法获得晶粒尺寸的减小。目前为止，对于获得满足超塑性要求的微观组织、实现PRAMC 的超塑成形，常规方法仍存在局限：

(1)传统冶金方法制备复合材料往往无法兼顾基体的晶粒高度细化和增强相的理想分布，其次部分方法的材料致密度不理想，部分方法制备效率和成本难以工业推广。