非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法技術

本發明專利技術涉及非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，所述的制備方法包括提取零件的分層數據，在金屬箔材基底上采用超聲波固結技術逐層焊接非晶/金屬箔材，并按照設定的零件輪廓逐層對焊接后的非晶/金屬微疊層復合材料進行切割，最終獲得由非晶/金屬微疊層復合材料構成的零件。該方法易實現由非晶/金屬微疊層復合材料構成的三維復雜形狀零件的制造以及大尺寸的非晶基微疊層復合材料。該復合材料中存在的微米級多界面效應能克服非晶合金室溫塑性差、斷裂韌性低的劣勢，超聲波固結技術能保證成型三維構件內部較低的殘余內應力以及良好的結構穩定性。

Ultrasonic accumulation manufacturing method for amorphous / metal micro laminated composite material

The present invention relates to amorphous metal micro / laminated composite ultrasonic accumulation manufacturing method, the preparation method comprises extracting hierarchical data in parts of the metal foil substrate by ultrasonic welding technology of consolidation amorphous / metal foil layer, and in accordance with the outline set by layer after welding of amorphous micro / metal laminated composite material cutting, obtained from amorphous metal micro / laminated composite material parts composition. The method is easy to realize the fabrication of three-dimensional complex parts composed of amorphous / metal micro laminated composite material, and large size amorphous base micro laminated composite material. The micron composite materials in the interface can overcome the effect of amorphous alloy poor room temperature ductility and low fracture toughness disadvantage, ultrasonic consolidation technology can ensure the residual stress component forming three-dimensional low internal structure and good stability.

【技術實現步驟摘要】
非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法
本專利技術涉及3D打印復合材料制備
，特別是一種利用超聲波固結技術制造非晶/金屬箔微疊層復合材料的制備方法。
技術介紹
非晶合金由于其特殊的長程無序、短程有序的原子結構，表現出比常規晶態金屬更加優異的性能，如高強度、高模量、良好的耐磨耐蝕性、優異的磁學性能等，在航空、航天、軍事及民用領域具有非常廣泛的應用前景。但由于非晶合金室溫塑性差，且當前可制備的塊體非晶材料臨界尺寸小，使得非晶合金的廣泛應用受到極大限制。通過非晶及其復合材料超聲波固結積累制造技術可實現低溫下非晶、金屬箔間的冶金焊合，并基于此通過積累增材、銑削減材等步驟實現非晶/金屬復層三維零件的3D制造，迄今為止尚未見報道。
技術實現思路
本專利技術提供一種非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，從而克服非晶材料臨界尺寸小、室溫塑性差、限制其作為結構材料的缺陷。為解決以上技術問題，根據本專利技術的一個方面，提供的一種非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，提取零件的分層數據，在金屬箔材基底上采用超聲波焊接逐層將非晶帶材與金屬箔材焊接結合，并按照設定的零件輪廓逐層對焊接后的非晶/金屬疊層復合材料進行切削，最終獲得由非晶/金屬微疊層復合材料構成的零件結構。本專利技術的基本構思是非晶及其復合材料超聲波固結積累制造技術可實現低溫下非晶、金屬箔間的冶金焊合，利用積累增材制造獲得非晶/金屬疊層復合材料，再通過數控銑削完成對復合材料的減材制造過程，從而實現非晶/金屬復層三維零件的3D制造。進一步地，所述的非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，包括步驟：一，首先對非晶帶材及金屬箔材表面進行表面處理；二，在電磁吸附基板上先鋪放一張金屬箔，通過電磁力或夾具將其位置固定；三，對成型零件進行三維數據采集及切片處理得到若干層水平層數據，設定非晶帶材的疊放方向和疊放路徑，其中，疊放方向包括X方向、Y方向和介于X、Y方向之間的角度，疊放路徑包括開始和結束時的疊放位置；四，進行超聲波焊接，滾動超聲波發生器沿設定的疊放路徑在非晶/金屬箔材表面滾動，非晶帶材與金屬箔在軋制壓力作用以及超聲波振動作用下實現焊合；五，完成一層非晶/金屬箔焊接后切割該復合層至所需的零件輪廓；六，重復步驟三至五，直到完成非晶/金屬微疊層復合材料零件的成形；七，對成形零件進行后處理，獲得非晶/金屬微疊層復合材料。進一步地，步驟一中，采用化學清洗結合機械研磨方式對非晶帶材及金屬箔材表面進行表面處理，具體是將非晶帶材及金屬箔材的表面采用質量濃度為3％的鹽酸酒精清理，再用砂紙對非晶帶材及金屬箔材表面進行粗磨，再用羊毛氈分別對非晶帶材及金屬箔材從橫向、縱向和45°方向上進行打磨，隨后放置于超聲波清洗機中清洗，而后使用蘸有丙酮的棉花擦洗箔材表面，直到徹底清洗干凈后使用吹風機將表面吹干。進一步地，步驟三中，非晶帶材在與金屬箔層上疊放時，同層非晶帶材成相互平行的方向鋪滿鋁箔層，非晶帶材間距≤0.1mm；非晶帶材的疊放角度從第一層向上沿順時針方向逐層遞加，不同層中非晶帶材疊放角度應與相鄰層間夾角≤10°。進一步地，步驟四中，按設定好的疊放方向轉動基板至相應的角度，沿所設定的疊放路徑利用超聲波滾焊方式逐條將非晶帶材焊接至金屬箔上，直至非晶帶材覆蓋整個金屬箔材表面。進一步地，所述的鐵基非晶帶材，其成分為：Fe73.5Si13.5B9.5Cu1Nb2.5，厚度為30μm，寬度為25mm。進一步地，所述的金屬箔材選自鐵金屬箔材和鋁金屬箔材中的一種，其厚度為650μm，長度×寬度為150×150mm。根據本專利技術的另一方面，提供一種非晶/金屬微疊層復合材料，所述的材料由上述方法制備得到。本專利技術的有益效果為：（1）選取普通商用非晶、金屬帶材作為原材料，利用成本低廉的原材料，通過層層疊加制造方法制備結構功能一體化的大塊體非晶/金屬微疊層復合材料。該復合材料中存在的微米級多界面效應能克服非晶合金室溫塑性差、斷裂韌性低的劣勢。（2）超聲波固結過程是固態焊接成形過程，溫度低（僅為一般是金屬熔點的25%~50%），因此材料內部的殘余內應力低，結構穩定性好，省去了后期可能會導致非晶組織晶化的去應力退火工藝。（3）該方法與數控系統相結合，易實現由非晶/金屬微疊層復合材料構成的三維復雜形狀零件的制造，可實現溝槽、孔洞、泡沫結構、蜂巢結構等復雜結構的數控加工一體化，還可根據零件不同部位的工作條件與性能要求實現疊層梯度化加工成型。（4）超聲波焊接不僅可以獲得焊合界面的冶金結合，且在焊接過程中超聲波可有效擊碎箔材表面的氧化膜、鈍化膜等，使焊材界面處露出新鮮表面，同時通過滾焊提供的下壓力促進新鮮表面的緊密連接結合，從而制備出大尺寸的非晶基微疊層復合材料。附圖說明圖1本專利技術成形裝置結構裝置示意圖。圖中：1-換能器，2-滾動聲極，3-已成型的非晶/金屬微疊層復合材料，4-待成型的非晶帶材，5-電磁吸附基板，6-數控銑刀，7-成型平臺，8-成型平臺轉軸。圖2是實施例1制得的非晶/鐵箔微疊層復合材料顯微組織。圖3是實施例2制得的非晶/鋁箔微疊層復合材料界面硬度分布曲線。圖4是實施例2制得的非晶/鋁箔微疊層復合材料顯微組織及界面硬度壓痕分布圖。圖5是實施例2制得的非晶/鋁箔微疊層復合材料的金屬及非晶層硬度壓痕對比圖。具體實施方式微疊層復合材料（Micro-Laminate）是依據仿生學原理，模擬自然界中貝殼的結構，以高硬度、高彈性模量的非晶箔帶材作為強性層與塑性、韌性較好的金屬鋁箔層交替疊加，利用層層疊加制造方法獲得大塊體非晶復合材料；同時通過微米級層間距帶來的多界面效應克服非晶合金室溫塑性差、斷裂韌性低的劣勢，以期獲得具有高強度、高比模量、高韌性等優異性能的結構功能一體化非晶/金屬微疊層復合材料。超聲波固結疊層制造是一種固態自由成型工藝，采用超聲波工藝焊接金屬箔、帶材，制造3D金屬結構。超聲波焊接是在超聲頻率機械振動能量和靜壓力共同作用下，連接同種或異種金屬、半導體、塑料等的特殊焊接方法。超聲波焊接金屬材料時，既不向工件輸送電流，也不引入高溫熱源，只是聲極在壓力作用下做縱向超聲振動，以激振力作用于工件上，使被焊金屬之間產生高頻摩擦，瞬間激活金屬晶格中的金屬原子產生相互擴散，從而達到材料的焊合。由于超聲波固結適于焊接金屬箔、帶材，因此可以將超聲波焊接過程與積累制造過程相結合，用于制備具有疊層結構的復合材料或零件。超聲波焊接技術與傳統的疊層復合材料制造方法（如鑄造，擴散焊接和噴射沉積技術等）相比具有顯著的優勢：第一，超聲波焊接工藝成型溫度較低。焊接界面的摩擦熱溫度僅為金屬箔材熔點的四分之一到一半左右，在零件制造的離散過程中，這部分熱量幾乎可以忽略不計。這一工藝特點特別適合于對溫度十分敏感的非晶合金的焊接成型，成型溫度低于熔點有利于保持非晶箔材中原子長程無序的非平衡結構。此外，也不必擔心凝固收縮帶來的尺寸誤差，殘余應力，以及液態成形中常出現的脆性金屬間化合物和異質金屬的互溶問題。第二，在金屬箔表面有氧化膜或鈍化膜時，如鋁合金、不銹鋼等，超聲波能量打碎并分散表面氧化膜和雜質，形成原子連接，因此不必考慮被焊金屬材料間的界面潤濕性問題。第三，超聲波制造結合了增材制造和去除制造的優勢，可以用來制造復雜的3D結構零件，并且具有高本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，其特征在于：提取零件的分層數據，在金屬箔材基底上采用超聲波焊接逐層焊接鐵基非晶帶材，并按照設定的零件輪廓逐層對焊接后的非晶/金屬箔進行切割，最終獲得非晶/金屬微疊層復合材料。

【技術特征摘要】
1.一種非晶/金屬微疊層復合材料超聲波積累制造方法，其特征在于：提取零件的分層數據，在金屬箔材基底上采用超聲波焊接逐層焊接鐵基非晶帶材，并按照設定的零件輪廓逐層對焊接后的非晶/金屬箔進行切割，最終獲得非晶/金屬微疊層復合材料。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，包括步驟：一，首先對非晶帶材及金屬箔材表面進行表面處理；二，在電磁吸附基板上先鋪放一張金屬箔，通過電磁力或夾具將其位置固定；三，對成型零件進行三維數據采集及切片處理得到若干層水平層數據，設定非晶帶材的疊放方向和疊放路徑，其中，疊放方向包括X方向、Y方向和介于X、Y方向之間的角度，疊放路徑包括開始和結束時的疊放位置；四，進行超聲波焊接，滾動超聲波發生器沿設定的疊放路徑在非晶/金屬箔材表面滾動，非晶帶材與金屬箔在軋制壓力作用以及超聲波振動作用下實現焊合；五，完成一層非晶/金屬箔焊接后切割該復合層至所需的零件輪廓；六，重復步驟三至五，直到完成非晶/金屬微疊層復合材料零件的成形；七，對成形零件進行后處理，獲得非晶/金屬微疊層復合材料。3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于：步驟一中，采用化學清洗結合機械研磨方式對非晶帶材及金屬箔材表面進行表面處理，具體是將非晶帶材及金屬箔材的表面采用質量濃度為...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王宇，白培康，趙占勇，黨驚知，劉斌，王建宏，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：山西,14