本發(fā)明涉及固相增材制造，具體而言涉及一種金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代制造業(yè)的眾多領(lǐng)域，如航空航天、汽車、電子、生物醫(yī)學(xué)和軍事裝備等，對于高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)有著迫切的需求。例如，在軍事裝備方面常用的復(fù)合裝甲就是一種由多種不同材料組合而成的大型裝甲結(jié)構(gòu)，其常見的形式是采用金屬與非金屬復(fù)合，一般由硬度較高的陶瓷作為面板，韌性較好的金屬作為背板，二者之間通過膠粘劑連接；又如，在汽車工業(yè)中的剎車片、離合器摩擦片、車門密封條等都是典型的金屬-非金屬結(jié)構(gòu)，在這些復(fù)合構(gòu)件中，金屬結(jié)構(gòu)提供強度和剛性，非金屬部件可以提供減震功能，還可以提供摩擦力；再如，在航空航天方面的glare纖維-金屬板也是典型的金屬-非金屬結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，一般是通過膠接和鉚接組合而成的大型結(jié)構(gòu)件。

2、但是，這些傳統(tǒng)制造方法制備的復(fù)合構(gòu)件存在著一定的不足，通過膠結(jié)或鉚接的方式對金屬非金屬進行粘接，由于被粘接兩種材料間結(jié)構(gòu)和極性相差較大，很難形成化學(xué)鍵，而且物理吸附力也很弱，導(dǎo)致金屬和非金屬之間的結(jié)合度差，結(jié)合處容易出現(xiàn)斷裂的問題，最終影響復(fù)合構(gòu)件的服役壽命；同時，上述方法還存在制備過程復(fù)雜，成型慢，精度差的缺點。

3、現(xiàn)有技術(shù)中采用液態(tài)金屬打印頭與光固化成型方法相結(jié)合，制備金屬-非金屬復(fù)合構(gòu)件，可以取得更快的成型速度和更高的精度，但這種技術(shù)所使用的設(shè)備相對復(fù)雜，對操作技能有較高要求，并且成本相對較高，且僅能解決細小復(fù)雜的電子電路結(jié)構(gòu)，而光固化材料的固化過程與金屬熔融溫度差異較大，仍然會導(dǎo)致界面處的結(jié)合不夠牢固。

4、現(xiàn)有技術(shù)文獻：

5、中國專利：cn2017107231674

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中金屬和非金屬復(fù)合構(gòu)件界面結(jié)合不牢固的問題，提供一種金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，通過攪拌摩擦的方式實現(xiàn)金屬與非金屬材料之間的緊密連接，顯著增強金屬與非金屬復(fù)合材料的連接強度，提高金屬和非金屬復(fù)合構(gòu)件的服役壽命。

2、根據(jù)本發(fā)明的目的，提供一種金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，包括以下步驟：

3、以金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，在基板上進行金屬增材，獲得復(fù)合構(gòu)件中的金屬體；

4、以非金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，在所述金屬體上進行非金屬增材，獲得復(fù)合構(gòu)件中的非金屬體；

5、其中，在金屬體表面打印非金屬體時，通過攪拌摩擦使金屬材料發(fā)生塑性變形并流動，同時使非金屬粉末的聚合物鏈自由流動，金屬與非金屬材料表面經(jīng)由機械攪拌使金屬與非金屬材料在界面處形成機械咬合，同時通過攪拌摩擦使得金屬體的溫度升高，機械咬合的金屬與非金屬材料混合形成流動與冶金結(jié)合，并通過攪拌摩擦的機械應(yīng)力和溫度的綜合作用使非金屬與金屬材料結(jié)合處的金屬晶粒再結(jié)晶和晶粒細化，提高金屬體與非金屬體的連結(jié)強度，獲得金屬-非金屬復(fù)合構(gòu)件。

6、作為可選的實施方式，所述金屬粉末的種類包括鋁合金、鎂合金或鈦合金中的一種。

7、作為可選的實施方式，所述非金屬粉末的種類包括碳化硅。

8、作為可選的實施方式，所述以金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，攪拌摩擦增材制造工藝被設(shè)置成根據(jù)金屬體參數(shù)確定攪拌摩擦參數(shù)，并根據(jù)此設(shè)定打印程序進行金屬體的打印成型。

9、作為可選的實施方式，所述以金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，具體工藝條件包括：

10、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為200r/min～1000r/min，前進速度為50mm/min～300mm/min，下壓力為5kn～50kn，送料速度為25mm/min～200mm/min，打印層單層厚度為0.5mm～2mm。

11、作為可選的實施方式，所述以非金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，攪拌摩擦增材制造工藝被設(shè)置成根據(jù)非金屬體參數(shù)確定攪拌摩擦參數(shù)，并根據(jù)此設(shè)定打印程序進行非金屬體的打印成型。

12、作為可選的實施方式，所述以非金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，具體工藝條件包括：

13、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為200r/min～1000r/min，前進速度為50mm/min～300mm/min，下壓力為5kn～50kn，送料速度為25mm/min～200mm/min，打印層單層厚度為0.5mm～2mm。

14、作為可選的實施方式，在金屬增材和非金增材的過程中，在打印當(dāng)前層之前，對前一層打印層進行預(yù)熱，保證層與層之間的結(jié)合。

15、作為可選的實施方式，對獲得的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件進行后續(xù)熱處理，在優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)的同時加強界面結(jié)合強度。

16、由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可見，本發(fā)明提出的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，在金屬體增材階段，通過攪拌頭的攪拌摩擦發(fā)生劇烈的塑性流動和動態(tài)再結(jié)晶，從而改善材料的微觀組織，獲得了致密性高，機械性能優(yōu)異，缺陷較少的金屬件，確保了復(fù)合材料的高致密性和卓越的耐用性，并且，攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動會在金屬表面產(chǎn)生顯著的塑性變形和熱量積累；

17、在非金屬增材階段，高速旋轉(zhuǎn)的工具頭在金屬和非金屬界面施加壓力和摩擦力，使金屬材料發(fā)生塑性變形并流動，同時通過攪拌頭的攪拌摩擦使非金屬粉末的聚合物鏈能自由流動，金屬與非金屬材料表面發(fā)生強烈的機械攪拌，從而使金屬與非金屬材料在界面處形成強的機械咬合，同時金屬體溫度升高，從而使非金屬粉末與金屬體更容易混合并形成流動與冶金結(jié)合，金屬和非金屬之間發(fā)生固態(tài)沉積、進凈成形和界面混合，并通過攪拌摩擦的機械應(yīng)力和溫度的綜合作用使非金屬與金屬結(jié)合處的金屬晶粒再結(jié)晶和晶粒細化，提高金屬與非金屬的連結(jié)強度，提高了制造精度以及復(fù)合構(gòu)件的服役壽命。

技術(shù)特征：

1.一種金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，其特征在于，所述金屬粉末的種類包括鋁合金、鎂合金或鈦合金中的一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，其特征在于，所述非金屬粉末的種類包括碳化硅。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，其特征在于，所述以金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，攪拌摩擦增材制造工藝被設(shè)置成根據(jù)金屬體參數(shù)確定攪拌摩擦參數(shù)，并根據(jù)此設(shè)定打印程序進行金屬體的打印成型。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，其特征在于，所述以金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，具體工藝條件包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，其特征在于，所述以非金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，攪拌摩擦增材制造工藝被設(shè)置成根據(jù)非金屬體參數(shù)確定攪拌摩擦參數(shù)，并根據(jù)此設(shè)定打印程序進行非金屬體的打印成型。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，其特征在于，所述以非金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，具體工藝條件包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，其特征在于，在金屬增材和非金增材的過程中，在打印當(dāng)前層之前，對前一層打印層進行預(yù)熱，保證層與層之間的結(jié)合。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項所述的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，其特征在于，對獲得的金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件進行后續(xù)熱處理，在優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)的同時加強界面結(jié)合強度。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種金屬與非金屬復(fù)合構(gòu)件的攪拌摩擦固相增材制造方法，以金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，在基板上進行金屬增材，獲得復(fù)合構(gòu)件中的金屬體；以非金屬粉末為原料，采用攪拌摩擦增材制造工藝，在所述金屬體上進行非金屬增材，獲得復(fù)合構(gòu)件中的非金屬體。本發(fā)明的方法通過攪拌摩擦的方式實現(xiàn)金屬與非金屬材料之間的緊密連接，顯著增強金屬與非金屬復(fù)合材料的連接強度，提高金屬和非金屬復(fù)合構(gòu)件的服役壽命，并提高復(fù)合構(gòu)件的力學(xué)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：孫中剛,孫藝欣,劉杰,郭艷華,戴國慶,江濤,李文亞,孫通
受保護的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15