一种颗粒增强金属复合材料的制备方法与流程

本发明属于金属复合材料制备技术领域，具体涉及一种颗粒增强金属复合材料的制备方法。

背景技术：

随着材料科学技术的不断发展，颗粒增强金属复合材料的应用越来越广泛。通常情况下，颗粒增强金属复合材料中的增强体为陶瓷颗粒，利用陶瓷颗粒强度高、重量轻等优点，在航空航天、轨道交通、能源化工等领域广泛应用。

然而，在颗粒增强金属复合材料的实际制备时，往往存在制备困难、加工性能差等问题，其复杂构件的成形、制备与加工也存在较大困难，尤其是大型构件的焊接存在极大难度，导致无法在大型结构件中开展应用。

目前，结构类颗粒增强金属复合材料的制备方法大多为搅拌铸造，但由于颗粒相的存在，此类工艺往往存在成形困难、缺陷多发等问题。同时，由于此类材料大多以复杂结构件的形式进行应用，其连接技术也成为了必须攻克的关键技术。通常情况下，颗粒增强金属复合材料的主要连接方法是钎焊或者搅拌摩擦焊。其中，钎焊由于钎接界面承载能力有限而经常导致接头性能难以满足要求；而搅拌摩擦焊接虽然是一种高质量铝合金焊接方法，但由于增强颗粒的硬度极高而给搅拌针提出了极高的要求。如果采用常用的合金工具搅拌针进行焊接，则工具钢搅拌针极易发生直接断裂；即便采用高强碳化钨作为搅拌针，由于增强相的硬度极高，对搅拌针磨损极大，很难实现1米以上焊缝的加工。

此外，由于增强颗粒与母材的熔点差异巨大，造成铝合金形成熔池后，增强颗粒多仍以固相形式存在，再加上熔池中固相颗粒的加入，导致熔池的粘度激增，从而极易形成各类成形缺陷。鉴于上述成型困难、应用困难的存在，使得现阶段的颗粒增强金属复合材料的应用存在极大地限制，无法得到广泛应用。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种颗粒增强金属复合材料的制备方法，可有效实现熔融温度差异较大的增强体颗粒与金属基材料的熔覆成型，避免颗粒增强相局部团聚和加工缺陷的出现，保证制备得到的颗粒增强金属复合材料的结构性能。

为实现上述目的，本发明提供一种颗粒增强金属复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

（1）准备熔融温度介于600℃~1000℃之间的基板，并对应该基板的熔覆加工区域设置可同步走行的激光头、送丝机构、送粉机构和保护气嘴，以及对应所述熔覆加工区域设置磁场加载装置；

（2）控制所述激光头发射单位长度内输入热量为160~450j/mm的激光束到所述熔覆加工区域，以其产生熔池；

（3）控制所述送丝机构、所述送粉机构和所述保护气嘴同步工作，同步向所述熔池输送熔融温度为600℃~1000℃的焊丝、熔融温度为2600~4000℃的增强体颗粒和惰性保护气体；同时，控制所述磁场加载装置在所述熔覆加工区域产生强度介于150~400mt的磁场，利用磁场对增强体颗粒的作用对应搅动所述熔池；

（4）控制各部件在同步工作的情况下按照预定的加工路径同步走行，且磁场连续对加工路径上的熔池进行对应搅动，直至完成单个熔覆层的制备；

（5）控制所述激光头、所述送丝机构、所述送粉机构和所述保护气嘴同时竖向上升相同的高度，并在成型的熔覆层顶部按照步骤（2）~（4）进行另一个熔覆层的成型加工；

（6）循环步骤（5），进行多个熔覆层的依次叠加成型，直至完成颗粒增强金属复合材料的制备。

作为本发明的进一步改进，所述激光头、所述送丝机构、所述送粉机构和所述保护气嘴设置在同一个机械手臂上。

作为本发明的进一步改进，在步骤（1）中，所述增强体为微米级颗粒或者纳米级颗粒；

所述微米级颗粒的粒径介于2~60μm之间；所述纳米级颗粒的粒径介于30~200nm之间。

作为本发明的进一步改进，所述增强体为金属单质颗粒或者陶瓷颗粒。

作为本发明的进一步改进，所述增强体为sic颗粒、tic颗粒、单质钨颗粒、单质钼颗粒中的一种或者多种。

作为本发明的进一步改进，所述激光头的轴线垂直于所述基板，且所述送丝机构和所述送粉机构以一定的倾斜角度分设于所述激光头的两侧。

作为本发明的进一步改进，所述激光头的轴线垂直于所述基板，所述送丝机构同轴集成在所述激光头内，且所述送粉机构以一定倾斜角度设置于所述激光头的一侧。

作为本发明的进一步改进，所述激光头的轴线垂直于所述基板，所述送粉机构同轴集成在所述激光头内，且所述送丝机构以一定倾斜角度设置于所述激光头的一侧。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：

（1）本发明的颗粒增强金属复合材料的制备方法，其步骤简单，操作简便，特别适用于增强体颗粒与金属基材料之间熔融温度差异较大情况下的熔覆成型，通过激光头、送丝机构、送粉机构、保护气嘴和磁场加载装置的对应设置与控制，可实现基板顶面上熔池的连续形成以及焊丝、增强体向熔池的同步送料；且基材与增强体材料的对应选择以及磁场加载装置的对应设置，使得焊丝、增强体向熔池送料的同时，增强体颗粒可以以固态形式存在于熔池中，并因增强体与基材之间的温度差导致增强体颗粒表面形成热电流，继而在磁场作用下实现增强体颗粒在熔池中的不断运动，实现熔池的不断搅动，保证高熔融温度增强体颗粒在熔池中的均匀分布和加热，避免熔池中颗粒增强相的局部团聚，使得增强体与焊丝发生反应后生成的金属间化合物成为一种均匀分布的细晶相而非聚集长大后的脆晶相，有效提升颗粒增强金属复合材料的致密性，保证复合材料性能的稳定性。

（2）本发明的颗粒增强金属复合材料的制备方法，其通过将各部件同时集成在同一个机械手臂上，利用机械手臂在同一个水平面上按照对应的走行路径进行走行，可保证各部件的同步运动，继而实现一个熔覆层的对应制备；同时，通过控制机械手臂的竖向升降，可实现各部件的同步升降，为多个熔覆层的依次成型提供了条件，进而实现了相应工件的直接成型，避免了颗粒增强金属复合材料的二次加工，缩短了工件的制备周期，降低了工件的制备能耗和制备成本，具有较好的应用前景和推广价值。

（3）本发明的颗粒增强金属复合材料的制备方法，其通过优选设置送粉机构、送丝机构、激光头、保护气嘴等部件的组合形式，使得熔覆成型过程中各材料的送料形式可以根据实际需要优选为旁轴送粉送丝方式、光丝同轴旁轴送粉形式、光粉同轴旁轴送丝形式等，有效提升了制备系统的设置灵活性，使其可以满足不同应用形式下的设置、工作需要，降低了颗粒增强金属复合材料的制备成本。

附图说明

图1是本发明实施例1中颗粒增强金属复合材料制备系统的结构示意图；

图2是本发明实施例2中颗粒增强金属复合材料制备系统的结构示意图；

图3是本发明实施例3中颗粒增强金属复合材料制备系统的结构示意图；

图4~7是不同磁场搅拌状态下制备的颗粒增强金属复合材料的晶相结构图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1.激光头，2.送丝机构，3.焊丝，4.保护气嘴，5.基板，6.磁场加载装置，7.工作台，8.送粉机构，9.增强体，10.激光束，11.分光镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

在本发明的优选实施例中，提出了一种基于磁场搅拌和同步送粉送丝的颗粒增强金属复合材料的制备方法，用于实现增强体对金属基材料的增强。

在优选实施例中，增强体9的熔融温度介于2600℃~4000℃之间，对于这类增强材料，其本身具有较好的耐高温能力，材料本身的强度也较大，最后形成的颗粒增强金属复合材料的性能也较普通的增强材料好。具体而言，优选实施例中的增强体9可以为高熔点的金属单质颗粒材料，例如钨（w）、钼（mo）等金属单质颗粒，也可以为sic颗粒、tic颗粒等高熔点陶瓷颗粒材料，这类增强体普遍具有硬度高、耐磨性好、比强度高等优点，对于金属基材料的性能增强效果明显。此外，增强体颗粒在使用时可以选用一种颗粒，也可以选用多种不同的颗粒混合后再进行送料，即增强体颗粒可以为sic颗粒、tic颗粒、单质钨颗粒、单质钼颗粒中的一种或者多种。

同时，优选实施例中焊丝（基材）的熔点介于600℃~1000℃之间，且优选实施例中基板的选材跟焊丝相同。即便基板的选材与焊丝的选材不同，基板的熔点也优选介于600℃~1000℃之间，即焊丝与基板的熔点相差不大。在一个具体实施例中，基板和焊丝的选材均为铝材，其熔点为660℃，与增强体9的熔点差异巨大。

进一步地，在相同的工艺参数下，颗粒尺寸大小对得到的成形件的拉伸强度、延展性、硬度等力学性能影响很大。在优选实施例中，颗粒增强体的颗粒直径可以是微米级（2~60μm），也可以是纳米级（30~200nm）。当颗粒增强体的直径为纳米级时，其加工制得的复合增强材料比微米级增强体制得的复合增强材料在耐磨性、阻尼特性、机械性能等方面都具有明显的优势。然而，由于颗粒增强体的熔融温度较高，其在向金属基材料熔池中加入时，通常始终保持着固体形态，在这种情形下，由于颗粒增强体与熔融液态基体的润湿性较差、范德华力较大，极易发生团聚现象，形成大颗粒或者大面积增强体团聚物，导致金属基材料的性能不升反降。同时，上述团聚问题在增强体为纳米颗粒时尤为明显。

鉴于上述情况，当需要向金属基材料熔池中加入颗粒增强材料时，往往需要对金属基熔池进行搅拌，使得颗粒增强体可以充分分散。不过，由于熔覆成型时的熔池往往较小，常规的接触式搅拌往往无法有效适用。究其原因，一是因为装置空间有限，很难设置搅拌机构，无法满足基板上各位置熔池的实时准确搅拌；二是因为如果采用常规接触式搅拌形式（例如搅拌棒搅拌），很容易导致颗粒增强材料在搅拌棒处的富集，并可能导致金属基材料加工端面的平整性较差。因此，对于不熔融颗粒增强体的复合增强过程，往往需要对应金属基熔池设置不接触式的搅拌装置。

在优选实施例中，针对金属基熔池的搅拌设置有磁场加载装置，其进一步优选为永磁体或者电磁线圈，可向金属基熔池区域产生磁场强度介于150~400mt之间的磁场。虽然磁场的加设对于熔池能起到一定的搅拌作用，但是，由于基板上进行熔覆的熔池较小，导致磁场对熔池本身的搅拌作用极弱，几乎可忽略不计。不过，由于增强体熔点与基材（焊丝及基板）熔点差异巨大，使得增强体颗粒与基材之间会产生巨大的温度差，进而在增强体颗粒的表面产生热电流。利用增强体颗粒表面热电流的存在，使得增强体颗粒可以在外加磁场的作用下在熔池中不断运动，进而实现增强体颗粒的分散，取得较好的熔池搅拌效果。相较于直接作用于熔池的搅拌方式而言，优选实施例中通过外加磁场对增强体颗粒进行驱动进而搅动熔池的不仅更容易实现，而且搅拌的效果更好。之所以产生上述效果，最本质的原因便是增强体颗粒与基材之间熔融温度差导致的热电流，而随着增强体颗粒与基材熔融温度差异的增大，热电流效应的作用也更加明显，取得较好搅拌效果时需要外加的磁场强度也越小；反之，若增强体颗粒与基材熔融温度的差异较小（相对而言），需要外加的磁场强度就越大。

在实际设置时，若磁场加载装置为磁铁，可以选择不同尺寸或磁力大小的磁铁，并通过对应改变其安装位置与基板的距离来调节主要加工区域的磁场大小；若磁场加载装置为电磁线圈，可以通过调节励磁电流的大小来调节主要加工区域的磁场大小。通过磁场加载装置的对应调节，可以确保基体加工区域的磁场强度满足相应的加工需求。

进一步具体地，参阅图4~7，其为不同强度磁场作用下制备的颗粒增强金属复合材料在扫描电镜下的晶相结构示意图。对于图4而言，此时的磁场强度为240mt左右，加入熔池中的颗粒增强体在熔池凝固过程中作为晶粒生长的核心，最终使得颗粒增强体均匀分散在晶粒的内部，形成均匀性较高的复合材料结构。同理，对于图5而言，此时的磁场强度为350mt左右，颗粒增强体的分散作用进一步加强，使得增强体颗粒呈弥散分布，晶粒在增强体颗粒的外周形成环状结构，没有明显的增强体颗粒团聚现象。相比之下，当磁场强度较小或者不外加磁场作用时，增强体颗粒在熔池的分散能力较差，此时，极易出现如图6中所示的局部少量粉末凝聚现象，甚至导致如图7中所示的粉末严重凝聚的现象，导致制备的熔覆层产生明显的结构缺陷。

此外，需要对熔覆加工的激光功率进行对应的控制，该激光功率与金属基体的熔融温度、焊丝的熔融温度、增强体的熔融温度相对应，即在激光的作用下，金属基体的顶面可以形成熔池，焊丝可不断熔化进入熔池中，且增强体颗粒可在加入熔池后被激光加热到一定温度，并以固态形式稳定存在于熔池中。当激光功率较小时，会使得基体、焊丝的熔融不充分，成型层与基板不能形成良好的冶金结合，而这种情况在增强体熔融温度与基体熔融温度相差较大时的影响更为明显，更容易产生加工缺陷；不过，当激光功率过高时，可能会使得颗粒增强体烧损，出现氧化物等杂质，影响成型层的质量。因此，对于本发明优选实施例中的制备系统而言，其需要在加工过程中要控制合适的激光功率。

具体而言，本发明优选实施例中以单位长度内激光输入的热量q作为加工过程中能量输入大小的参考依据。定义q为：

其中，p是激光功率，v是扫描速度。进而激光功率控制在1000~3000w之间，扫描速度控制在0.36~0.6m/min之间，即能量输入控制在160~450j/mm。在上述设置条件下，优选实施例中的颗粒增强金属复合材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将金属制基板5固定在工作台7上，并在基板5的底部对应设置磁场加载装置6，使得磁场加载装置6可在基板5的加工区域内生成强度为150~400mt的磁场；

利用上述磁场作用于基板5顶部熔池的增强体颗粒，使得熔池进行被动搅动，进而排除熔池中可能因增强体9加入而产生的气泡，避免增强体颗粒的团聚以及后续成型缺陷的出现，保证成型层与基板材料层之间能形成可靠的冶金结合，提升颗粒增强金属复合材料和后续形成工件的性能。

（2）对应基板5设置激光头1、送丝机构2和送粉机构8，分别用于发射激光束10，输送焊丝3，以及输送增强体9。具体而言，激光头1、送丝机构2和送粉机构8在设置后可以同步运动，且焊丝3的送丝轴线、激光束10的轴线、送粉机构8的送粉轴线在基板5的顶面相交，确保焊丝3和增强体9可以同步送料到基板5顶面由激光束10加热所形成的熔池中去。此时，激光束10的能量输入值控制在160~450j/mm，激光头1的扫描速度控制在0.36~0.6m/min之间。

进一步优选地，为提升颗粒增强金属复合材料成型的准确性和成型质量，优选实施例中在送丝机构2中设置有通电机构，用于在焊丝3送丝的同时对其通电；同时，在一个具体实施例中，焊丝3优选为铝丝。

（3）在激光头1的旁侧对应设置有可与其同步运动的保护气嘴4，用于向熔池通入惰性保护气体。在优选实施例中，激光头1、送丝机构2、送粉机构8和保护气嘴4同时固定设置在同一个机器人手臂或者机械手臂上，通过控制机器人手臂的走行，可以实现各机构的同步走行，保证激光束10的轴线、焊丝3的轴线、增强体的送料轴线始终汇集于基板5上的加工区域，且保护气嘴4的送气口始终对着上述加工区域。

（4）控制激光头1、送丝机构2、送粉机构8和保护气嘴4按预定的加工路径同步走行并同步工作，直到完成单一熔覆层的成型；

（5）待完成一个熔覆层的加工后，控制激光头1、送丝机构2、送粉机构8和保护气嘴4在垂直方向上同步上升一定高度，继而在前一个熔覆层的顶面按照预定的加工路径叠加形成第二个熔覆层，确保相邻两层准确熔合在一起。

（6）循环步骤（5），实现多个对应熔覆层的依次叠加成型，并最终成型好整个加工件。

进一步地，在优选实施例中，用于进行颗粒增强金属复合材料制备的制备系统可以根据实际需要进行优选设置，例如旁轴送粉送丝方式、光丝同轴旁轴送粉形式、光粉同轴旁轴送丝形式。

具体而言，在优选实施例1中，该制备系统如图1中所示，即旁轴送粉送丝方式，包括工作台7、激光头1、送丝机构2、保护气嘴4、磁场加载装置6和送粉机构8。其中，工作台7呈水平设置的板状结构，其顶面上对应设置有磁场加载装置6，进而待加工处理的基板5可以对应固定在磁场加载装置6的上方。同时，优选实施例1中激光头1的轴线沿竖向设置，即激光束10沿垂直于基板5顶面的方向射向待加工区域。优选地，磁场加载装置6为固定磁铁或者电磁线圈，其在基板5待加工区域所形成的磁场强度如前述内容中所示，磁场强度的调节可以通过改变固定磁铁的位置或者改变电磁线圈内的电流大小来实现。

进一步地，优选实施例中的送丝机构2和送粉机构8分别设置在激光头1的两侧，两机构与激光头1可以同步走行和同时工作，分别用于将焊丝3和增强体9送料到激光束10照射的区域。优选地，在优选实施例1中，两种机构的轴线分别在基板5的顶面处与激光束10的轴线相交；进一步优选地，三种机构轴线相交的位置与三机构的距离始终恒定。

此外，在工作台7上方对应激光束10照射的区域设置有保护气嘴4，用于将惰性保护气体喷向激光束10的加工区域。显然，为保证制备系统工作的准确性，保护气嘴4应与送丝机构2、激光头1和送粉机构8同步运动。更为具体地，在实际设置时，可以将上述四种机构设置在同一个机器人手臂上，并能对应调节送丝机构2和送粉机构8的倾斜角度，以改变焊丝3和增强体9送料的角度，进而改变三种机构轴线相交的位置。

在优选实施例2中，复合材料的制备系统如图2中所示，即光丝同轴旁轴送粉形式，其与优选实施例1中制备系统最大的差别是将送丝机构与激光头进行了集成设置，使得焊丝3在激光束10内同轴送丝。具体而言，在实际工作时，由激光头1产生的激光束10通过分光镜11分解为沿环向分布的多注激光，且多注激光在基板5的顶面上汇聚，即焊丝3在激光的汇聚处与激光束10相交，完成焊丝3的熔化。除了上述设置外，优选实施例2中其他部件的设置均与优选实施例1中相同。

在另一个优选实施例3中，复合材料的制备系统如图3中所示，即光粉同轴旁轴送丝形式。此时，相比于优选实施例1中的制备系统而言，送粉机构与激光头进行了集成设置，而其他部件的设置形式不变。通过上述设置，使得增强体9可以在激光束10的外周进行同轴送料，并使得增强体9的送料口处于激光束10作用于基板5的区域，进而实现颗粒增强金属复合材料的制备。

利用上述制备系统的对应设置，可以实现颗粒增强金属复合材料的制备，其制备过程优选如下：

对应开启磁场加载装置6和激光头1，在高能激光束10的作用下，基板5顶面的对应位置开始形成一定深度的熔池，且焊丝3和增强体9同步开始向熔池送料，即焊丝3不断熔化进入熔池，且增强体9不断加热进入熔池。进而激光头1、送丝机构2、保护气嘴4和送粉机构8按照预定的走行路径走行，依次完成基板5上对应区域的颗粒增强加工。在加工过程中，由于磁场的搅拌作用，可以很好地解决增强体9加入后对熔池流动性的影响，消除各类成型缺陷的存在，促进增强体9在熔池中分布的均匀性，使得增强体与焊丝发生反应后生成的金属间化合物成为一种均匀分布的细晶相而非聚集长大后的脆晶相，保证了制备件的性能稳定性。

在基板5顶面上按照预定加工路径熔覆出具有一定面积和形状的熔覆层后，可以控制各机构沿竖直方向同步上升一定高度，并可在前一层的基础上叠加形成后续的熔覆层，使得相邻两熔覆层紧密熔合在一起，如此循环最后在基板5上形成完整的加工件。

本发明中的颗粒增强金属复合材料的制备方法，其中通过激光头、送丝机构和送粉机构的对应设置，利用激光功率、磁场强度的对应控制，可以充分适用于熔融温度高的增强体颗粒在金属基体材料上的熔覆成型，避免增强体颗粒的团聚，提升增强体颗粒在金属基体材料内分布的均匀性；此外，通过各机构的同步走行控制，可以在确保加工精度的同时，制备颗粒增强金属复合材料的同时，直接成型为对应的工件，在保证工件性能的前提下，有效避免了复合材料的二次加工，缩短了对应工件制备的周期，降低了能耗，降低了复杂结构件的制备成本，具有较好的应用前景和推广价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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