[发明专利]一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置及方法

说明书

本发明公开一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置及方法，包括粉芯丝材成型机构、固相增材制造机构和增材制造零件；粉芯丝材成型机构包括水平方向依次布置的折弯部件、填粉部件和成型部件，折弯部件工作部位、填粉部件工作部位和成型部件的工作部位加装有粉芯丝材原料；固相增材制造机构包括旋转部件和非旋转部件，旋转部件和非旋转部件转动连接。该装置及方法规避了增强相与基体间的过度冶金反应，提高了增强相的分布均匀性，且可连续制备粉芯丝材完成大尺寸构件的连续固相增材制造，具有增材制造零件性能高、生产成本低、工艺易实现、过程可靠性好、适用性广泛等特点。

技术领域

本发明涉及固相增材制造技术领域，特别是涉及一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置及方法。

背景技术

空天科技领域的快速发展对金属材料性能的进一步提升提出了更高的要求，为了同时满足轻量化、高刚度、高强度、高韧性等一系列优良综合力学性能，金属基复合材料成为了一类极有发展潜力的战略性新材料。特别是以碳质纳米相(包括但不限于石墨烯、碳纳米管、富勒烯等)为增强相的金属基复合材料，其独特的一维、二维超大比表面积结构，带来了显著的金属强韧化效果，十分适宜做增强相材料。然而，这一类材料却往往难以适用于目前新兴的增材制造加工技术，如激光选区熔覆、激光选区烧结、电弧增材制造等。这是由于这一类工艺方法需要经历一次材料熔化再凝固的过程，该过程的高温会使得碳质纳米相发生氧化甚至结构破损，从而严重降低碳质纳米相的强韧化效果。更进一步的，对于最常见的铝基复合材料，液相过程中熔融态的铝会与碳之间发生冶金反应形成Al₄C₃易水解金属间化合物，通过传统熔化再凝固增材制造手段获取的碳质纳米相增强铝基复合材料往往在潮湿环境下仅需几周、甚至几天即会发生整体结构的崩溃坍缩。这使得传统熔化再凝固增材制造技术几乎难以应用于这一类金属基复合材料的有效制备。

固相增材制造技术作为一种新生的增材制造技术，因其结构制造过程中无熔化再凝固行为，可有效地避免气孔、裂纹等缺陷，并抑制高热输入带来的晶粒粗化、异质相间过度反应等问题，有效突破了上述传统熔化再凝固增材制造的本征瓶颈，可适用于金属基复合材料的制备。然而，通过固相增材制造技术目前仍存在一定的技术障碍。首先是原料难以获取，完全基于粉末的固相增材目前尚未得到突破，而采用非粉末方案的固相增材制造技术又面临着原料板材、棒材、丝材的制备方式难以绕过熔化再凝固方案(如搅拌/挤压铸造、熔渗等工艺)制备的流程，这依然会导致液相过程带来的一系列问题。其次是尺寸问题，在忽略成本高昂的前提下，可以采用固相烧结(如热压烧结、等离子体放电烧结等工艺)的方式来规避液相过程，但通过这一类方案制备的金属基复合材料增材制造原料尺寸通常受到设备的严格限制，导致有限的原料难以实现连续的增材制造过程。最后，由于增强相和基体通常拥有不同的密度，在熔化过程中，二者往往会在重力的作用下发生相分离，导致材料组织的不均匀性，从而严重损害材料的综合力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种金属基复合材料粉芯丝材固相增材制造装置，包括粉芯丝材成型机构、固相增材制造机构和增材制造零件；

所述粉芯丝材成型机构包括水平方向依次布置的折弯部件、填粉部件和成型部件，所述折弯部件工作部位、所述填粉部件工作部位和所述成型部件的工作部位加装有粉芯丝材原料；

所述固相增材制造机构包括旋转部件和非旋转部件，所述旋转部件和非旋转部件转动连接。

优选的，所述折弯部件包括两组第一辊轮，所述粉芯丝材原料位于两组所述第一辊轮之间；所述填粉部件包括漏斗，所述漏斗内部加装有经过预混合处理的金属基复合材料粉末，所述漏斗的出口的位于所述粉芯丝材原料正上方；所述成型部件包括两组第二辊轮之间。

优选的，所述粉芯丝材原料初始形态为金属薄带状，所述粉芯丝材原料的截面呈平板状。