一種連續SiC纖維增強鈦基復合材料的激光增材制造方法與流程

本發明屬于金屬基復合材料制備技術領域，具體涉及一種連續SiC纖維增強鈦基復合材料的激光增材制造方法。

背景技術：

隨著航空工業的迅速發展，具有高比強度、比剛度，更優異的高溫性能、抗氧化、抗腐蝕性能的結構材料成為研究熱點。連續SiC纖維增強鈦基復合材料是在鈦合金中引入SiC纖維作為增強體的一種耐高溫、輕量化結構材料，除了保留鈦合金原有的優點之外，還具有密度更低、比強度和比剛度更高、高溫性能更優異等特點，適用于制備局部選擇性增強結構件，如高速飛行器翼面、局部加強筋等結構件，在航空領域具有明確的應用前景。

目前，連續SiC纖維增強鈦基復合材料的制備方法有很多，針對蒙皮用材料的大尺寸、低厚度的結構特點，主要采用箔-纖維-箔法。該方法的主要工藝過程為將鈦合金箔材裁剪成合適的尺寸規格并對箔材表面清洗干凈；將纖維在數控纏繞機上排布成規定尺寸的纖維布；纖維-箔材交錯疊層后，經過真空除氣，封裝入金屬包套中，經熱壓復合成形。箔-纖維-箔法熱壓工藝簡單，但制箔困難，成形過程中纖維易損傷，復合材料成品形狀受到限制。另一種方法是基體涂覆纖維法，一般采用物理氣相沉積工藝將鈦合金基體涂覆在SiC纖維表面，通過調整涂覆基體的厚度來控制復合材料中纖維的體積分數。將已涂覆鈦合金的先驅絲纏繞排布再經熱等靜壓成型。該方法纖維分布極為均勻、纖維損傷小、可獲得形狀復雜的復合材料，復合材料性能最好，但制備時間長成本高、鈦合金包套的利用率低。

目前，采用增材制造技術可完成非金屬材料、單一材料、性能差別不大的材料或交叉打印兩種金屬材料，對于利用增材制造技術制備包含SiC纖維和鈦合金兩種性能差異較大的復合材料還未見報道。

技術實現要素：

針對目前纖維增強金屬基復合材料制造技術存在的諸多問題，本發明提供一種連續SiC纖維增強金屬基復合材料的激光增材制造方法，采用激光增材制造技術在SiC纖維上直接沉積鈦合金絲材，或者在SiC纖維增強的鈦基復合材料上沉積鈦合金絲材，從而完成鈦合金與纖維的復合成形。該方法實現復雜形狀結構件制備、加工一體化，提高生產效率，降低成本。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種連續SiC纖維增強鈦基復合材料的激光增材制造方法，該方法包括如下步驟：

(1)建立所需結構件的三維CAD實體模型，并沿該模型的成形方向進行切片分層；分層厚度根據實際情況確定；

(2)根據所分割的一系列層片，采用激光熔覆技術在SiC纖維上直接沉積一層鈦合金絲材，或者在SiC纖維增強的鈦基復合材料上沉積一層鈦合金絲材；

(3)沉積一層鈦合金絲材后，重復步驟(2)的過程，直至沉積完所有層片，完成鈦合金絲材與SiC纖維或SiC纖維增強的鈦基復合材料的逐層熔合，即形成所述連續SiC纖維增強鈦基復合材料的三維實體結構件。

所述激光增材制造技術的工藝參數為：激光功率為500-2000W，掃描速度為300-1200mm/min，送絲速度為4-12m/min，光斑直徑為1-3mm，每層厚度為0.5-1.5mm。

步驟(2)中，沉積鈦合金絲材的過程采用氬氣保護。

所述鈦合金絲材規格為Φ0.5-1.5mm。

所述連續SiC纖維為SiC纖維單絲、SiC纖維布或SiC纖維增強體。

可根據結構件服役需求，設計SiC纖維排布方式或纖維增強體的結構特征。

本發明具有如下優點：

1.首次在國內外提出采用激光增材制造技術的方法，制備SiC纖維增強鈦基復合材料，采用激光增材制造技術制備的SiC纖維增強鈦基復合材料具有保持了材料性能優勢，適用于快速制備復雜形狀零件的優點，可用于制備形狀復雜、性能優異的纖維增強鈦基復合材料結構件，與傳統方法相比，增材制造技術具有無需模具、基體種類不受限制、纖維排布好、制備周期短、成本低廉的優點。

2.本發明實現復雜形狀的金屬基復合材料結構件制備加工一體化，縮短制備周期，降低制備成本；

3.本發明采用激光熔覆技術實現SiC纖維與鈦合金的結合，制備過程采用激光熔覆代替傳統熱壓方式，避免了由于熱壓導致纖維發生斷裂的問題，保證纖維增強的安全可靠性。

4.本發明可根據結構件服役需求，設計SiC纖維排布方式和纖維增強體的結構特征。

附圖說明

圖1在SiC纖維上激光熔覆鈦合金絲材的金相顯微鏡觀察圖片。

圖2在SiC纖維上激光熔覆鈦合金絲材的室溫拉伸斷口圖片。

圖3在SiC纖維增強鈦基復合材料板材表面激光熔覆鈦合金絲材的圖片。

圖4在SiC纖維增強鈦基復合材料環件沿環周向一側沉積鈦合金絲材圖片。

圖5在SiC纖維增強鈦基復合材料環件沿環周向兩側及環外側沿徑向沉積鈦合金絲材的圖片。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做更進一步的解釋，應該理解以下實施例僅旨在說明，不應被視為對本發明范圍的限制。

本發明為連續SiC纖維增強鈦基復合材料的激光增材制造方法，過程如下：

(1)建立結構件的三維CAD實體模型，并沿該模型的成形方向進行切片分層；將模型按照一定厚度切片分層，即將結構件的三維形狀信息轉換成一系列二維輪廓信息，節約了具有復雜結構的復合材料結構件的制備時間和成本。

(2)根據所分割的一系列層片，采用激光熔覆技術在SiC纖維上直接沉積鈦合金絲材，或者在SiC纖維增強的鈦基復合材料上沉積鈦合金絲材；該步驟中，在數控系統控制下，采用多束高能激光聚焦熔化金屬焊絲，按照設定的填充路徑在SiC纖維或SiC纖維增強的鈦基復合材料逐點填滿給定的二維形狀。

(3)沉積完所有層片后，形成所述連續SiC纖維增強鈦基復合材料的三維實體結構件。

實施例1

步驟一：設計在SiC纖維表面沉積鈦合金絲材。首先在數控機床上用夾具固定在TC4基板，基板尺寸為200×180×30mm。

步驟二：輸入焊接參數：激光功率為1050W，掃描速度為600mm/min，TC4絲材直徑1mm，送絲速度為8m/min，光斑直徑為3mm，每層厚度為1mm，設定焊接槍頭的運動軌跡，通過焊接器激光熔化將鈦合金焊絲填充在基板上，完成第一道焊道，長150mm、寬15mm、高度1.5mm。

步驟三：將SiC纖維截段成長度100mm，取15根纖維，其間略帶空隙沿基板長度方向鋪設在焊道上，SiC纖維兩端用夾具壓緊10mm，完成第二層焊道，長65mm、寬15mm、高度1.5mm。

步驟四：在第二層焊道上鋪設同等數量的SiC纖維重復步驟三，完成第三層焊道，此時復合材料長度約為65mm、寬15mm、高度約為5mm。復合材料橫截面形貌采用金相顯微鏡觀察結果與拉伸斷口如圖1、圖2所示，纖維與鈦合金基體結合較好，界面連續無缺陷，纖維形貌保持完整、表面涂層保持完好，未出現纖維損傷開裂等現象，可見利用激光增材制造技術可實現SiC纖維增強鈦基復合材料的制備。

實施例2

步驟一：設計SiC纖維增強鈦合金板狀試樣，制備方法與本部分實施例1相似，不同之處在于：板材為SiC纖維增強鈦基復合材料，內部含有SiC纖維增強體，板材尺寸為65×14×4.2mm，三維模型分割層片至5層。

步驟二：采用纖維與TC4鈦合金絲材熔覆的方法，實現復合材料板材外部熔合鈦合金。焊接參數為：激光功率為1050W，掃描速度為600mm/min，TC4絲材直徑1mm，送絲速度為8m/min，光斑直徑為3mm，每層厚度為1mm。板材表面形貌如圖3所示，在前期制備的復合材料增強體表面熔覆鈦合金，替代傳統復合材料的制備方法，可實現獲得形狀復雜的SiC纖維增強鈦基復合材料，無需模具，縮短制備周期。

實施例3

步驟一：設計在鈦基復合材料環件表面生成帶有葉片的環形結構件，環件尺寸為Φ185×5mm，激光熔覆鈦合金將環平面兩側厚度各增至20mm，并在環外徑沿徑向向外生長鈦合金厚度10mm。

步驟二：沉積過程與參數與實施例2類似，不同之處在于先將鈦合金絲材熔覆在環平面一側，利用激光增材制造技術完成一側增厚20mm，其表面形貌如圖4所示。

步驟三：重復步驟二在環件另一側激光熔覆鈦合金絲材。再在環外徑處沿徑向向外熔覆鈦合金絲材厚度至10mm，模擬葉片生長過程，完成后的形貌如圖5所示。可見，利用激光增材制造技術可以制備復合環形結構件，并完成復雜形狀的結構設計。

另外，本領域技術人員還可于本發明精神內做其他變化，只要其不偏離本發明的技術效果均可。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。