基于多能场的陶瓷颗粒增强铝基构件涂覆高效成形方法研究

For the requirements of integrated manufacturing of lightweight composites in aerospace components, and aiming at the problem of the high cost and low forming efficiency of the existing laser additive manufacturing, a novel process of fused-coating additive manufacturing adopting arc and electromagnetic energy is put forward. Numerical models of fused-coating forming of ceramic particles reinforced aluminum-matrix components are built, and the interactions between the coated alloy melt and the ceramic particles in the multi-energy field are researched, revealing the distribution laws and homogenization mechanism of the particles in the molten pool. The effects of different process parameters on the microstructure characteristics of deposition reinforcement / matrix interface are analyzed, and the influences of multiple thermal cycles on interfacial characteristics and microstructural evolution are investigated. The effects of different particle reinforcements, concentration and particle sizes on microstructure and micro - mechanical properties are investigated. The mechanical properties of the fused-coating specimens are characterized and the failure modes and failure mechanism of the particles reinforced aluminum-matrix composites are analyzed. In order to improve the filling efficiency and the surface quality of feature surface, the adaptation between efficient forming parameters and surface quality is researched. By improving the process of fused-coating, the theoretical support of the intergrade forming of aircraft lightweight composite material components with high performance and low cost will be provided.

为满足航空航天构件轻质高强耐磨及整体化制造需求，针对现在增材制造复合材料构件成本高、成形效率低等问题，以陶瓷颗粒增强铝基复合材料构件一体化高效成形为目标，提出电磁感应熔化和电弧复合能场作用下的熔融涂覆增材制造新工艺。建立陶瓷颗粒增强铝基构件涂覆成形数值计算模型，研究多能场下铝合金熔体和陶瓷颗粒相互作用机制，揭示熔池内增强体颗粒分散规律和均匀化机理；分析工艺参数对沉积态增强体/基体界面微区微观组织特征的影响，研究多重热循环下界面特征及微观组织的演化规律，探明不同颗粒增强体、掺杂浓度与粒径分布对界面微观组织的影响规律；表征不同工艺、颗粒参数下涂覆成形试件力学性能，分析颗粒增强铝基复合材料断裂失效形式和破坏机制；同时研究涂覆高效成形参数与表面质量适配性，改进熔融涂覆工艺，以保证在结构内部高效率填充时提高特征表面形貌质量，为轻质高性能复合材料构件高效率、低成本一体化成形提供技术支撑。

颗粒增强铝基复合材料因其出色的比强度、比刚度，高的传热系数和优异的耐磨性，在航空航天和轨道交通等领域具有广阔的应用前景。但现有的增材制造技术不能满足高耐磨铝基复合材料构件高效制造的需求。本项目提出了颗粒增强铝基复合材料熔滴复合电弧增材新方法，实现了高耐磨铝基复合材料高效率、低成本增材制造。搭建了实验平台，建立陶瓷颗粒增强铝合金成形数值计算模型，研究多能场下铝合金熔体和陶瓷颗粒相互作用机制，揭示熔池内增强体颗粒分散规律和均匀化机理。实验研究中，以倾斜变极性电弧为热源，2219铝合金为基体材料，球形WC颗粒为增强相，重点开展了单道多层熔滴复合电弧增材制造工艺研究。成形过程中，由熔滴发生系统产生的铝合金熔滴，竖直落入倾斜电弧产生的熔池，与此同时WC颗粒以气载粉的方式送入熔池后沿，并随着电弧和基板的相对运动分散在铝合金基体中。工艺研究发现，保持送粉方向平行于钨针轴线，且粉末流汇聚于熔池后半区域，有利于在沉积过程中保持电弧形态的稳定并获得良好的颗粒相分散效果。为了探究浸润性对界面气孔缺陷的影响，分别以WC颗粒和Ti颗粒作为植入相，进行了单道多层复合材料试样熔滴复合电弧沉积实验。金相观察发现，WC_P/Al复合材料内部存在明显的气孔缺陷，且这种气孔缺陷总是伴随着WC颗粒；而Ti_P/Al复合材料微观组织中并未观察到明显的界面气孔缺陷。对比研究表明，颗粒增强相与液态Al基体的润湿性对界面孔隙缺陷有显著影响，良好的界面浸润性能够显著降低甚至消除界面气孔缺陷。与此同时，实验研究发现颗粒相的植入能够对铝基体微观组织产生显著的晶粒细化效果，甚至能够实现粗大柱状晶向细小等轴晶的完全转变。与2219铝合金沉积态微观组织相比，体积分数为7.5%的Ti_P/Al复合材料平均晶粒直径由大约100 μm减小到了约20 μm，微观组织的织构强度也由17.7降低到了1.3。销盘摩擦磨损性能测试结果显示，高硬度陶瓷颗粒的植入能够显著提高复合材料构件的表面耐磨性能，相同实验条件下，体积分数为10%的WC_P/Al复合材料试样的体积损失量仅为TC4钛合金的2.84%。熔滴复合电弧增材制造工艺的开发，为高耐磨颗粒增强铝基复合材料构件高效率、低成本增材制造提供了崭新的思路，也为后续研究中增强相选型、界面改善、强韧化和梯度设计提供了坚实的研究基础。