[发明专利]双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料零件的方法

说明书

双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料零件的方法，所述的双丝为药芯焊丝和金属焊丝。堆焊时：打开非转移弧，校正堆焊起始位置，通过金属焊丝送丝机构及药芯焊丝加热送丝机构调整金属焊丝和药芯焊丝的送丝位置和送丝角度，开启转移弧进行堆焊，金属焊丝送丝机构从焊枪前方将金属焊丝送至等离子弧的弧柱区域，金属焊丝融化形成熔池，药芯焊丝加热送丝机构将药芯焊丝加热至180℃～220℃后开始送丝，药芯焊丝的送丝时间延迟1～2秒，在金属焊丝形成熔池后，药芯焊丝从等离子弧的弧柱外插入熔池中，插入深度为2～3mm，在控制代码的控制下，机器人驱动焊枪按照既定轨迹进行逐层堆积，轨迹运行完成后，堆积获得颗粒增强的金属基复合材料零件。

技术领域

本发明涉及颗粒增强金属基复合材料和增材制造技术领域，特别是一种采用双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料零件的方法。

背景技术

近年来，随着增材制造技术的蓬勃发展，利用增材技术制造颗粒增强金属基复合材料零件的技术和应用研究持续增加。增材制造技术将颗粒增强金属基复合材料制备和形状制造融为一体，具有短流程、高效率和低成本等制造优势。

颗粒增强金属基复合材料兼具金属的塑性、韧性和陶瓷的高强度、高刚度，从而显示出不同于基体合金的物理和机械性能，如较高的比强度、比刚度及更好的热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性等。颗粒增强金属基复合材料的传统制备方法有粉末冶金法、搅拌铸造法、真空压力浸渍法和共喷射沉积法。其中，粉末冶金法中的激光粉末烧结法和等离子弧熔积法都是具有增材技术属性的方法，均拥有良好的应用前景。

激光粉末烧结法是一种典型的增材技术制备方法，所制零件性能优越，增强体分布均匀，但是制造成本比较高，不太适合中大型零件的制造。等离子弧熔积法制备颗粒增强金属基复合材料，则是利用等离子弧熔化原材料并分层堆积制造零件。相较而言，等离子弧熔积法是一种生产效率更高的增材方法，更适合中大型零件的制造。现有等离子弧熔积法的制造过程是：在基体金属的等离子弧焊过程中，向金属熔池喷射陶瓷粉末，逐层堆积形成零件。该制造过程存在如下问题：（1）现有的等离子弧熔积法一般采用保护气体送粉的方法将粉末送至熔池区域，陶瓷粉末利用率低；（2）由于熔池的表面反弹以及表面张力作用，陶瓷粉末难进入熔池内部，只有部分粉末覆着于熔池表面，难以与金属基体形成深层的混合。

发明内容

本发明的目的是克服现有等离子弧熔积法存在的问题，提供一种采用双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料零件的方法。

本发明的技术方案是：双丝等离子弧堆焊制造颗粒增强金属基复合材料的方法，采用双丝分层堆积来制造颗粒增强金属基复合材料零件，所述的双丝为药芯焊丝和金属焊丝。其具体步骤为：

A、制备药芯焊丝：采用轧拔法制备药芯焊丝，药芯焊丝包括药芯和外壳，药芯为陶瓷粉末和金属粉末的混合物，外壳为金属基体。

制备药芯焊丝前，采用球磨法将陶瓷粉末和金属粉末充分混合，陶瓷粉末和金属粉末的体积比根据零件颗粒增强相的目标体积含量决定，为保证陶瓷粉末被金属粉末包围，金属粉末与陶瓷粉末的体积比大于2。

所述的金属粉末和陶瓷粉末的粉末粒径为5～150μm。

所述的药芯焊丝的直径为1.2～2.4mm，外壳的厚度为0.3～0.8mm。

所述的陶瓷粉末为氧化铝或者是碳化硅或者是碳化钛或者是二硼化钛。

所述的金属粉末为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料。

所述的外壳金属基体为铝或者是镁或者是铜或者是钢，或者是上述金属的合金材料。

B、程序代码的准备：利用面向增材制造的CAD软件建立零件的三维模型，该模型不仅包含零件的几何信息，还包括陶瓷颗粒密度在空间上的变化；随后，利用切片软件依据零件的CAD模型进行分层切片处理，规划并获得零件的堆积路径，生成机器人运动和送丝速度的控制代码。