一种增材制造用颗粒增强铝基复合材料丝材及其制备方法

本发明涉及一种增材制造用铝基复合材料丝材及其制备方法，属于增材制造、金属材料领域。

背景技术：

1、铝基复合材料综合了增强体和铝合金材料的力学和物理特性，表现出高比强度、比模量、耐磨损、低膨胀性、高热导率等特性。复合效应下，还具备良好的抗疲劳、抗蠕变、耐热和减振等优点。然而，颗粒增强的铝基复合材料的切削加工性能较差，熔体流动性不足，从而不能使用常规铸造等方法来制造形状复杂且尺寸较大的结构件。因此，通常需要采用焊接等连接工艺来进行结构拼装。然而，在焊接过程中很少有相应的复合材料可用作填充金属料，并且颗粒与铝熔体之间容易发生界面反应，导致生成中间脆硬相，进而影响焊接后材料的性能。

2、而采用增材制造(additive?manufacturing，简称am)的方式可满足制造复杂结构件的要求。其中，电弧增材制造和搅拌摩擦增材制造因具有设备成本低、成形结构大等特点而被广泛应用。这其中对丝材的选择至关重要；另一方面，由于丝材主要是采用变形量大的拉拔方式制备，所以通常认为铝基复合材料不适合进行拉拔加工，导致有关铝基复合材料丝材的报道非常少。专利cn110578078a(一种铝基复合材料焊丝的制备方法与应用)提供了一种铝基复合材料焊丝及其制备方法，首先，使用半固态搅拌加超声辅助铸造方法成功实现了将sic颗粒引入合金中，并铸造出一定尺寸的杆状铸锭。随后，对铸锭进行了均匀化热处理，并通过多道次拉拔处理，得到了直径为3mm的铝基复合材料焊丝。这种方法明显提高了焊丝的生产效率，显著降低了生产成本。但是该方法可能会在碳化硅表面生成al4c3脆性相，也可能存在颗粒团聚，气孔等缺陷，从而影响丝材的力学性能。专利cn106736269?a(一种圆形铝基复合材料丝材的制备方法)将铝基复合材料轧制成一定尺寸的板材，然后沿长度方向剪切成宽度与厚度相同的方形线材，用搅拌摩擦焊的方法将多根方形线材连接起来形成方形拉拔坯料，经热处理退火后，采用热拉拔模式，通过圆形?？桌纬稍残嗡坎?，该方法具有成本低、易于操作的优点，然而线材连接处由于采用了搅拌摩擦焊进行拼接，可能导致组织不均匀，进而影响丝材的整体力学性能。

3、为了克服以上不足。本发明提出一种可用于增材制造的颗粒增强铝基复合材料丝材的制造方法。将增强体颗粒和铝合金粉末混合均匀后，经冷等静压成型和真空热压烧结制得铝基复合材料锭坯；锭坯进行热挤压成圆棒材，将其加入连续挤压设备中，进行连续挤压变形得到杆材；最后将杆坯经多道次拉伸和表面处理后得到用于增材制造的铝基复合材料丝材。采用热挤压+连续挤压+拉拔的方式，可以使坯料经多道次复合塑性变形，从而使得组织更加均匀细小并破坏复合材料中的氧化膜，提升其刚度、强度、韧性和耐磨性等综合力学性能。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于增材制造的铝基复合材料丝材，所述复合材料丝材包括基体相和颗粒增强相，所述基体相为al-si系合金；所述增强颗粒为sic、tic、tib2中的至少一种。

2、作为本发明所述复合材料丝材的优选实施方式，所述增强体颗粒在复合材料丝材中的质量分数为5％～30％、优选为15～25％。

3、在本发明中al-si系合金可以选自zl101铝合金、a356铝合金、zl111铝合金中的至少一种，当然其他al-si系合金也可适用于本发明。

4、作为本发明所述复合材料丝材的优选实施方式，所述增强颗粒的尺寸为0.5～50μm，呈正态分布。

5、作为本发明所述复合材料丝材的优选实施方式，所述增强颗粒均匀分布在基体相中。

6、本发明提供了上述复合材料焊丝的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

7、(1)锭坯制备

8、颗粒增强铝基复合材料锭坯通过粉末冶金方式制备。将增强体颗粒粉末与铝基体粉末分别称重后混合均匀，然后将混合好的粉末经过冷等静压压制成坯体，然后放入真空热压机进行真空热压烧结，最终得到所需铝基复合材料锭坯。

9、(2)热挤压变形

10、将步骤(1)所得的锭坯进行热挤压变形，得到直径为10～20mm的棒材。

11、(3)连续挤压

12、将步骤(2)所得的挤压棒材进行连续挤压，制成直径3～12mm的杆材。连续挤压可以连续的进行制备，无需脱模，可以连续高效的制备出长度符合要求的杆材。

13、(4)丝材拉拔

14、将步骤(3)所得的杆材进行多道次拉拔，最终制得相应规格的丝材；单次拉拔的变形量为3-15％；

15、(5)表面处理

16、对步骤(4)所得的丝材进行表面处理，确保表面无划痕且表面清洁干燥并控制表面氧含量小于0.1％。

17、所述步骤(1)中，真空热压烧结温度为540℃～600℃、优选为570～590℃，烧结压力为50-100mpa、优选为70～80mpa，保温热压2-10h、优选为3～5h。

18、所述步骤(2)中，热挤压温度为460℃～580℃、优选为510～530℃。

19、所述步骤(2)中，热挤压的挤压比优选为12～14:1，这当然包括13:1。

20、本发明中，热挤压变形时，可以卧式挤压。当然其他的挤压方式如立式挤压、反向挤压等也可以用于本发明。

21、所述步骤(3)中，连续挤压转速为1～15rpm。连续挤压时，首次送入挤压设备的试样，其温度为200-260℃。

22、连续挤压时，优选的挤压比控制在5～7:1，这当然包括6:1.

23、本发明先进行适当参数的热挤压、然后在配合适当参数连续挤压；其目的在于通过热挤压预先加热并预形成原料，在连续挤压时更容易实现所需的形状和尺寸。这个过程可以提高铝合金制品的密度和强度，并且有助于减少产生的裂纹和缺陷。若未进行热挤压，直接进行连续挤压会导致连续挤压出的杆材存在缺陷等问题。本发明采用热挤压+连续挤压+拉拔的方式，可以使坯料经多道次复合塑性变形，从而使得组织更加均匀细小并破坏复合材料中的氧化膜，提升其刚度、强度、韧性和耐磨性等综合力学性能。

24、所述步骤(4)中，焊丝在多道次拉拔过程中，塑性逐渐下降，拉拔抗力增大，当拉拔比较困难时，需要对焊丝进行中间退火，消除残余应力和加工硬化。在实际应用时，拉拔2～3次后需进行一次去应力退火，退火温度为280～350℃、优选为290～310℃，退火时间为0.5～3h。最终制得相应规格的丝材，其直径在1～9mm之间。

25、进行多道次拉拔，单次拉拔变形量为4.5～7.5％、优选为4.8～5.2％，拉拔的总变形量为40～60％、优选为42～56％。

26、所述步骤(5)中，对步骤(4)所得的丝材进行表面处理，确保焊丝表面无划痕以及去除其表面的氧化膜和油污等杂质，最终得到可用于增材制造的铝基复合材料丝材。具体方法包括刮削、超声波清洗、蒸馏水清洗、烘干，最后进行真空密封保存，避免焊丝表面被氧化。

27、本发明所设计和制备的铝基复合材料丝材，其抗拉强度大于等于245mpa，屈服强度大于等于180mpa，延伸率大于等于3.0％。经优化后，本发明所设计和制备的铝基复合材料丝材，其抗拉强度大于等于250mpa，屈服强度大于等于200mpa，延伸率大于等于3.5％。

28、本发明所设计和制备的铝基复合材料丝材，当基体为zl101铝合金，sic的用量15～25％时，产品的抗拉强度可为245-275mpa、屈服强度为205～225mpa、延伸率为3～4.1％。具体而言：当基体为zl101铝合金，sic的用量20％时，产品的抗拉强度可为245-265mpa、屈服强度为208～225mpa、延伸率为3～3.8％。当基体为zl101铝合金，sic的用量15％时，产品的抗拉强度可为245-255mpa、屈服强度为205～210mpa、延伸率为3.9～4.1％。当基体为zl101铝合金，sic的用量25％时，产品的抗拉强度可为265-275mpa、屈服强度为215～220mpa、延伸率为3.4～3.6％。

29、本发明所设计和制备的铝基复合材料丝材，当基体为zl101铝合金，tib2的用量20％时，产品的抗拉强度可为259-261mpa、屈服强度为214～216mpa、延伸率为3.7～3.8％。

30、本发明所设计和制备的铝基复合材料丝材，当基体为zl101铝合金，tic的用量20％时，产品的抗拉强度可为269-271mpa、屈服强度为229～231mpa、延伸率为3.4～3.6％。当产品对延伸率要求不高的时，这一方案，具有良好的抗拉强度和屈服强度。

31、本发明所设计和制备的铝基复合材料丝材，，当基体为a356铝合金，sic的用量20％时，产品的抗拉强度可为275-277mpa、屈服强度为199～201mpa、延伸率为4.4～4.6％。当产品对屈服强要求不高的时，这一方案，具有良好的抗拉强度和最高的延伸率。

32、本发明所设计和制备的铝基复合材料丝材，其在增材制造领域中的应用，包括用于电弧增材制造和搅拌摩擦增材制造。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

34、(1)本发明将铝基复合材料制成一定规格的丝材，该丝材可用于电弧增材制造和搅拌摩擦增材制造技术，扩展了铝基复合材料的应用空间；

35、(2)本发明的铝基复合材料丝材经粉末冶金→热挤压→连续挤压→拉拔工艺制成，该工艺使得铝基复合材料丝材表面质量好和内部组织均匀细小，减少了诸如空洞等组织缺陷，使丝材的抗拉强度以及韧性提高。