本发明涉及铝合金，具体涉及一种铝基复合材料及其增材制备方法与应用。
背景技术：
1、颗粒增强铝基复合材料是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入铝或铝合金基体中得到的，兼有铝合金优点(韧性和塑性好)和增强颗粒优点(高硬度和高模量)的复合材料。因此，颗粒增强铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。增强体的加入主要是为了弥补基体材料某些方面性能的不足，如提高刚度、耐磨性、高温性能和热物理性能等。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件；此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。颗粒强化铝基复合材料因其优越的比强度、低热膨胀系数和优秀的耐磨性广泛应用于航天、汽车、化工和运输工业。长期以来，对铝基复合材料的研究主要侧重于外加增强体与基体复合的方法，比如粉末冶金法、喷射沉积法、挤压铸造法、搅拌铸造、原位合成法等方法。这类方法不仅设备及工艺复杂，而且所制备的材料中增强体与基体结合处易于产生脆性界面，结合强度低，增强体分布不均匀，特别是对微小的(亚微米和纳米级)增强体极难进行复合等一系列问题。
2、因此，需要开发一种铝基复合材料的增材制备方法实现控制增强相的均匀弥散分布。
技术实现思路
1、本发明旨在解决现有技术中存在的上述技术问题。为此，本发明提出一种铝基复合材料的增材制备方法，本发明将电弧熔丝增材制造技术与搅拌摩擦增材制造技术相结合，将增强相均匀、弥散的分布在电弧熔丝增材的基材上面。
2、本发明还提出了一种增材制备方法制备得到的铝基复合材料在航天、汽车、化工和运输工业中的应用。
3、根据本发明的一个方面，提出了一种铝基复合材料的增材制备方法，包括以下步骤：
4、采用电弧熔丝增材法对铝合金的丝材进行熔丝沉积，在熔丝沉积的过程中，进行搅拌摩擦增材法将增强相送粉至熔丝沉积的基材后得到铝基复合材料；
5、所述搅拌摩擦增材的条件包括：搅拌头的转速为500～1600r/min。
6、根据本发明的第一方面的实施例至少具有以下有益效果：
7、本发明将电弧熔丝增材法与搅拌摩擦增材法相结合，通过电弧熔丝增材与搅拌摩擦增材同步进行，从而实现两种增材制备方法协同制备得到铝基复合材料。本发明采用电弧熔丝增材法制备基材，熔丝沉积的过程中会产生200～300℃的余热，在余热的温度下同步进行搅拌摩擦增材，一方面，有利于进一步细化电弧熔丝增材的基材的同时促进增强相均匀、弥散的分布在电弧熔丝增材的基材上面，进而实现颗粒增强铝基复合材料的增材制造技术。搅拌摩擦增材法将增强相均匀弥散的分散到基材上，同时可以将基材的铸态组织变为变形组织，在搅拌摩擦加工的高速旋转之下，实现基材微观组织的致密化、均匀化和细化，铝合金材料的晶粒尺寸从100μm减小至1μm。电弧熔丝增材法中产生的气孔、疏松、粗大晶粒、粗大化合物等缺陷均可以得到有效改善。通过两种增材技术的协同，熔丝沉积的基材组织变得致密、细小、均匀，可以获得很好得强度和塑性，同时增强相均匀、弥散的分布在基材中，进一步增强基材的强度，尤其是大幅提升基材的硬度和弹性模量，并且伸长率不会有明显的损失；另一方面，在余热的温度下同步进行搅拌摩擦增材，起到固溶淬火的效果，相当于在增材过程中直接淬火，为后续热处理强化提供基础，有利于后续热处理时的相变和析出反应。
8、搅拌头转速低于500r/min，会带来两个问题，第一摩擦产热低，熔丝沉积的基体的组织细化效果不佳，搅拌之后的淬火效果也不佳，第二，转速低导致增强相的分散效果也不好，容易团聚，跟基体的结合也不好。搅拌头转速太高，摩擦产热高，导致基材过热，金属流动速度太快，容易导致基材产生空洞缺陷。
9、在本发明的一些实施方式中，所述电弧熔丝增材的条件包括：电流为200～300a，焊枪扫描速度为50～200mm/min，送丝速度为200～300cm/min，结束温度为200～300℃。
10、本发明中，电流的范围有助于有效熔化焊丝并促进熔池的形成；上述扫描速度的范围可以控制焊接过程中熔池的尺寸和形状，保证最终的堆积成形效果；控制送丝速度可以调节焊丝的补充量，影响熔池的大小和凝固速度，从而保证最终产品的组织结构和性能；上述结束温度可以在保证增材质量的同时，有利于后续搅拌摩擦加工细化母材和增强颗粒的均匀分散，提高生产效率，减少能量消耗。
11、在本发明的一些实施方式中，所述电弧熔丝增材的步骤在保护气氛围下进行，所述保护气包括氩气，所述氩气的流量为10～30l/min。
12、在电弧熔丝增材法中，由于熔滴小、冷却快(通过氮气保护和冷却)，所以产生的粗大化合物较少。结合搅拌摩擦增材法的特点，剧烈的搅拌摩擦有利于将这些粗大化合物细化，同时能够将粗大的铸态组织转变为细小的变形组织，从而实现晶粒的细化。这种工艺可以改善材料的显微组织，提高材料的性能和品质，避免伴生的有害相金属间化合物呈针状或条片状，割裂基材，影响基材的强度；也避免偏析于晶粒边界的有害反应化合物影响材料的耐蚀性和抗疲劳性。
13、在本发明的一些实施方式中，所述搅拌摩擦增材的条件还包括：搅拌头前进速度为50～200mm/min，送粉量为20～60g/min，轴间下压量为1～3mm，搅拌区域温度为500～550℃。
14、上述条件下有助于保证熔丝沉积的基材组织变得致密、细小、均匀，可以获得很好的强度和塑性，同时增强相均匀、弥散的分布在基材中，进一步增强基材的强度，尤其是大幅提升基材的硬度和弹性模量，并且伸长率不会有明显的损失。
15、在本发明的一些实施方式中，所述搅拌摩擦增材的过程中还包括冷却，所述冷却的冷却介质的流量为20～60l/min，所述冷却的冷却速率为10～30℃/s。
16、上述冷却的条件下有效地控制了搅拌区域的温度，保证了搅拌区域的温度在500～550℃。还到淬火冷却的效果，相当于增材的过程中直接淬火，为后续热处理强化提供基础。
17、在本发明的一些实施方式中，按重量百分比计，所述铝合金的丝材的组分包括：si：0.5～1.5％，mg：0.4～1.0％，cu：0.2～0.6％，ti：0.1～0.2％，sc：0.1～0.4％，zr：0.1～0.4％，fe<0.1％，zn<0.1％，其余为al。
18、在本发明的一些实施方式中，所述增材制备方法还包括：将所述铝基复合材料在-150～-250℃的冷却液中放置20～120min后取出在150～250℃进行加热。
19、上述条件下，采用急冷急热处理，可以产生大量位错，强化基材，同时还可以消除材料中残余的应力。
20、在本发明的一些实施方式中，所述增强相包括：陶瓷颗粒；所述陶瓷颗粒包括硼化物、碳化物、氮化物和氧化物中的至少一种。
21、在本发明的一些实施方式中，所述硼化物包括zrb2和tib2中的至少一种。
22、在本发明的一些实施方式中，所述碳化物包括sic和tic中的至少一种。
23、在本发明的一些实施方式中，所述氮化物包括aln和si3n4中的至少一种。
24、在本发明的一些实施方式中，所述铝合金的丝材的直径为1～2mm。
25、根据本发明的第二个方面，提出了一种铝基复合材料，所述铝基复合材料由所述增材制备方法制备得到。
26、根据本发明的第三个方面，提出了所述的增材制备方法制备得到的铝基复合材料在航天、汽车和化工中的应用。
1.一种铝基复合材料的增材制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料的增材制备方法，其特征在于，所述电弧熔丝增材法的条件包括：电流为200～300a，焊枪扫描速度为50～200mm/min，送丝速度为200～300cm/min，结束温度为200～300℃。
3.根据权利要求1所述的铝基复合材料的增材制备方法，其特征在于，所述电弧熔丝增材法的步骤在保护气氛围下进行，所述保护气包括氩气，所述氩气的流量为10～30l/min。
4.根据权利要求1所述的铝基复合材料的增材制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦增材法的条件还包括：搅拌头前进速度为50～200mm/min，送粉量为20～60g/min，轴间下压量为1～3mm，搅拌区域温度为500～550℃。
5.根据权利要求1所述的铝基复合材料的增材制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦增材法的过程中还包括冷却，所述冷却的冷却介质的流量为20～60l/min，所述冷却的冷却速率为10～30℃/s。
6.根据权利要求1所述的铝基复合材料的增材制备方法，其特征在于，按重量百分比计，所述铝合金的丝材的组分包括：si：0.5～1.5％，mg：0.4～1.0％，cu：0.2～0.6％，ti：0.1～0.2％，sc：0.1～0.4％，zr：0.1～0.4％，fe<0.1％，zn<0.1％，其余为al。
7.根据权利要求1所述的铝基复合材料的增材制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：将所述铝基复合材料在-150～-250℃的冷却液中放置20～120min后取出在150～250℃进行加热。
8.根据权利要求1所述的铝基复合材料的增材制备方法，其特征在于，所述增强相包括：陶瓷颗粒；所述陶瓷颗粒包括硼化物、碳化物、氮化物和氧化物中的至少一种。
9.一种铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料由权利要求1～8中任一项所述的增材制备方法制备得到。
10.一种如权利要求1～8中任一项所述的增材制备方法在航天、汽车和化工中的应用。
