SiC f /Ti-6Al-4V复合材料激光熔覆增材制造装置设计及工艺研究
发布时间：2021-04-01 20:21
SiCf/Ti基复合材料由于具有高比强度、高比刚度、耐高温以及耐疲劳等优异性能,是热门的空天材料。将SiCf/Ti基复合材料用于飞行器蒙皮能够提高飞行器表面耐高温性能,提升飞行器飞行速度上限以及在不降低强度的情况下减轻飞机重量。传统制造该材料的方法存在制造成本高、周期长、需要专用工装和模具等缺点。本文采用制造周期短、制造成本低、无需专用工模具、制造零件形状复杂等特点的激光熔覆叠层复合增材制造技术（LCLD）制备SiC纤维增强钛基复合材料,主要在专用成形装置设计、控制系统开发及三维成形工艺三个方面开展研究工作。首先,针对SiCf/Ti基复合材料激光熔覆叠层复合增材制造工艺要求,设计了SiCf/Ti复合材料激光熔覆叠层复合增材制造装置。设计的铺拉丝装置,实现了将SiC纤维精准铺放到成形平面的功能;设计的四轴运动平台,成形尺寸为300 mm×300 mm×20 mm,成形精度达±0.2 mm;设计的成形室实现了钛合金粉末、保护气、激光、冷却水等输入功能,并能够为SiCf/Ti基复合材...
【文章来源】：石家庄铁道大学河北省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LCLD制备SiCf/TC4复合材料
4进行了Al2O3/TiAl3复合材料的同步打印成形。南京航空航天大学顾冬冬等[29]在铝合金粉末中加入了稀土和纳米陶瓷颗粒，采用SLM技术同步打印成形；同济大学严彪等[26]将316L不锈钢粉末与硅酸钙相混合，采用SLM技术同步打印成形，并对其进行研究，探讨了生物相容性好的材料制备新工艺；Belter等[30]在ABS试件内部设计空腔，并在打印结束后填充高强度树脂来提高打印件强度。颗粒增强复合材料的方法简单，但基体内部增强体同向性差，复合材料力学性能提升有限，故很多学者进行了连续纤维增强复合材料研究。根据打印过程及原理，连续纤维增强复合材料增材制造方法可分为纤维铺放方法、纤维-基体预先混合方法和纤维-基体在机实时混合方法。纤维铺放方法将纤维丝预先单独铺放在成形平面上，然后在纤维表面打印基体，层层铺放层层打印；纤维-基体预先混合法预先将基体涂覆到纤维表面制成先驱丝，将先驱丝放入打印机打印成形；纤维-基体在机实时混合方法将纤维和基体同时放入打印机，在打印头中实现纤维与基体混合。MarkForged公司[31]于2014年开发了全球首台连续碳纤维增强复合材料3D打印机MarkOne，其外观如图1-8所示，该打印机基于纤维-基体预先混合方法和熔融沉积成型技术（FDM），具有两个喷头一个打印传统热塑性材料，一个打印碳纤维涂覆热塑性材料基体的热熔丝，能够实现高质量传统热塑性材料打印和不同纤维占比的复合材料打樱两年后该公司推出了基于纤维铺放方法和熔融沉积成型技术（FDM）的MarkTwo3D打印机，该打印机同样具有两个喷头，一个打印碳纤维，一个打印热塑性材料，能够实现纤维分布可控的复合材料打印，但这两台打印机不能打印脆性纤维增强复合材料和连续纤维增强金属基复合材料。图1-8MarkOne打印机
5Klift等[32]借助MarkOne打印了不同纤维占比的复合材料，并进行了相关力学实验，结果表明，复合材料中纤维含量越高，其力学性能越优异，但材料内部会出现很多孔洞。美国ThaoGibson,G.P.Tandon,AdamasHicks等[33]基于纤维铺放方法，采用SLM技术进行了碳纤维增强Ti-6Al-4V的成形，如图1-9所示，安装碳纤维布后再铺钛合金粉末，然后进行成形，由于其只进行了两层成形研究，如何实现边铺碳纤维边铺粉末尚待探讨。另外，成形时碳纤维在激光作用下烧损现象非常严重。图1-9SLM技术进行碳纤维增强钛基复合材料成形南昌航空大学肖建华[34]基于纤维-基体预先混合方法，提出一种通过单螺杆挤出机制制造连续碳纤维增强热塑性材料的制造方法，如图1-10所示，该方法先利用单螺杆挤出机制备Cf/LDPE、Cf/PP、Cf/ABS预浸丝料，然后通过3D打印机打印成型，该制造方法同样不适用于脆性纤维增强复合材料和连续纤维增强金属基复合材料3D打樱图1-10单螺杆挤出原理西安交通大学田小永等[35]基于纤维-基体在机实时混合法，采用熔融挤压沉积（FDM）技术，将纤维和热塑性树脂丝材作为原材料输送进同一打印头中，加热后的熔融树脂浸渍包覆在纤维上形成复合丝材，然后从打印头喷嘴挤出，
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC纤维增强β21S复合材料及蒙皮结构制备技术研究[J]. 赵冰,王晓亮,曲海涛,林松,辛社伟. 航空制造技术. 2018(20)
[2]连续SiC纤维增强钛基复合材料研制[J]. 黄浩,王敏涓,李虎,李四青,张书铭,李臻熙,黄旭,解川. 航空制造技术. 2018(14)
[3]连续碳化硅纤维增强钛基（SiCf/Ti）复合材料的制备技术及界面特性研究综述[J]. 成小乐,尹君,屈银虎,符寒光,赵冰. 材料导报. 2018(05)
[4]316L不锈钢与CaSiO3复合材料选择性激光熔化制备工艺[J]. 马铮杰,任灿,严彪,王联凤,程灵钰. 有色金属材料与工程. 2018(01)
[5]碳纤维-热塑性复合材料三维打印及其自监测[J]. 栾丛丛,姚鑫骅,刘丞哲,傅建中. 浙江大学学报(工学版). 2017(09)
[6]连续纤维增强金属基复合材料研究进展及其激光熔覆[J]. 石川,雷剑波,周圣丰,郭津博,王威. 激光与光电子学进展. 2017(06)
[7]连续SiC纤维增强钛基复合材料研究进展[J]. 王玉敏,张国兴,张旭,杨青,杨丽娜,杨锐. 金属学报. 2016(10)
[8]高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索[J]. 田小永,刘腾飞,杨春成,李涤尘. 航空制造技术. 2016(15)
[9]3D打印用碳纤维增强热塑性树脂的挤出成型[J]. 肖建华. 塑料工业. 2016(06)
[10]SiCf/TB8复合材料的制备及其热物理性能研究[J]. 林松,赵冰,侯红亮,曲海涛. 航空制造技术. 2016(08)
博士论文
[1]反应浸渗制备连续纤维增强SiC基复合材料及其性能研究[D]. 王洪磊.国防科学技术大学 2012
[2]SiC纤维增强Ti基复合材料界面反应研究[D]. 朱艳.西北工业大学 2003
硕士论文
[1]短纤维增强复合材料打印装置及工艺研究[D]. 张肖男.机械科学研究总院 2019
[2]SiCf/Ti-6Al-4V的激光熔覆工艺与界面产物研究[D]. 林齐.石家庄铁道大学 2019
[3]小型化激光熔覆沉积增材制造装置研制[D]. 王望明.石家庄铁道大学 2018
[4]纤维增强复合材料超声辅助增材制造技术研究[D]. 李英睿.哈尔滨工业大学 2018
[5]纤维增强复合材料增材制造技术研究[D]. 夏正付.哈尔滨工业大学 2017
[6]增材制造用功能复合材料的制备及性能研究[D]. 唐城城.浙江工业大学 2015
[7]SiCf/Ti基复合材料界面的研究[D]. 杜赵新.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3113915
【文章来源】：石家庄铁道大学河北省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LCLD制备SiCf/TC4复合材料
4进行了Al2O3/TiAl3复合材料的同步打印成形。南京航空航天大学顾冬冬等[29]在铝合金粉末中加入了稀土和纳米陶瓷颗粒，采用SLM技术同步打印成形；同济大学严彪等[26]将316L不锈钢粉末与硅酸钙相混合，采用SLM技术同步打印成形，并对其进行研究，探讨了生物相容性好的材料制备新工艺；Belter等[30]在ABS试件内部设计空腔，并在打印结束后填充高强度树脂来提高打印件强度。颗粒增强复合材料的方法简单，但基体内部增强体同向性差，复合材料力学性能提升有限，故很多学者进行了连续纤维增强复合材料研究。根据打印过程及原理，连续纤维增强复合材料增材制造方法可分为纤维铺放方法、纤维-基体预先混合方法和纤维-基体在机实时混合方法。纤维铺放方法将纤维丝预先单独铺放在成形平面上，然后在纤维表面打印基体，层层铺放层层打印；纤维-基体预先混合法预先将基体涂覆到纤维表面制成先驱丝，将先驱丝放入打印机打印成形；纤维-基体在机实时混合方法将纤维和基体同时放入打印机，在打印头中实现纤维与基体混合。MarkForged公司[31]于2014年开发了全球首台连续碳纤维增强复合材料3D打印机MarkOne，其外观如图1-8所示，该打印机基于纤维-基体预先混合方法和熔融沉积成型技术（FDM），具有两个喷头一个打印传统热塑性材料，一个打印碳纤维涂覆热塑性材料基体的热熔丝，能够实现高质量传统热塑性材料打印和不同纤维占比的复合材料打樱两年后该公司推出了基于纤维铺放方法和熔融沉积成型技术（FDM）的MarkTwo3D打印机，该打印机同样具有两个喷头，一个打印碳纤维，一个打印热塑性材料，能够实现纤维分布可控的复合材料打印，但这两台打印机不能打印脆性纤维增强复合材料和连续纤维增强金属基复合材料。图1-8MarkOne打印机
5Klift等[32]借助MarkOne打印了不同纤维占比的复合材料，并进行了相关力学实验，结果表明，复合材料中纤维含量越高，其力学性能越优异，但材料内部会出现很多孔洞。美国ThaoGibson,G.P.Tandon,AdamasHicks等[33]基于纤维铺放方法，采用SLM技术进行了碳纤维增强Ti-6Al-4V的成形，如图1-9所示，安装碳纤维布后再铺钛合金粉末，然后进行成形，由于其只进行了两层成形研究，如何实现边铺碳纤维边铺粉末尚待探讨。另外，成形时碳纤维在激光作用下烧损现象非常严重。图1-9SLM技术进行碳纤维增强钛基复合材料成形南昌航空大学肖建华[34]基于纤维-基体预先混合方法，提出一种通过单螺杆挤出机制制造连续碳纤维增强热塑性材料的制造方法，如图1-10所示，该方法先利用单螺杆挤出机制备Cf/LDPE、Cf/PP、Cf/ABS预浸丝料，然后通过3D打印机打印成型，该制造方法同样不适用于脆性纤维增强复合材料和连续纤维增强金属基复合材料3D打樱图1-10单螺杆挤出原理西安交通大学田小永等[35]基于纤维-基体在机实时混合法，采用熔融挤压沉积（FDM）技术，将纤维和热塑性树脂丝材作为原材料输送进同一打印头中，加热后的熔融树脂浸渍包覆在纤维上形成复合丝材，然后从打印头喷嘴挤出，
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC纤维增强β21S复合材料及蒙皮结构制备技术研究[J]. 赵冰,王晓亮,曲海涛,林松,辛社伟. 航空制造技术. 2018(20)
[2]连续SiC纤维增强钛基复合材料研制[J]. 黄浩,王敏涓,李虎,李四青,张书铭,李臻熙,黄旭,解川. 航空制造技术. 2018(14)
[3]连续碳化硅纤维增强钛基（SiCf/Ti）复合材料的制备技术及界面特性研究综述[J]. 成小乐,尹君,屈银虎,符寒光,赵冰. 材料导报. 2018(05)
[4]316L不锈钢与CaSiO3复合材料选择性激光熔化制备工艺[J]. 马铮杰,任灿,严彪,王联凤,程灵钰. 有色金属材料与工程. 2018(01)
[5]碳纤维-热塑性复合材料三维打印及其自监测[J]. 栾丛丛,姚鑫骅,刘丞哲,傅建中. 浙江大学学报(工学版). 2017(09)
[6]连续纤维增强金属基复合材料研究进展及其激光熔覆[J]. 石川,雷剑波,周圣丰,郭津博,王威. 激光与光电子学进展. 2017(06)
[7]连续SiC纤维增强钛基复合材料研究进展[J]. 王玉敏,张国兴,张旭,杨青,杨丽娜,杨锐. 金属学报. 2016(10)
[8]高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索[J]. 田小永,刘腾飞,杨春成,李涤尘. 航空制造技术. 2016(15)
[9]3D打印用碳纤维增强热塑性树脂的挤出成型[J]. 肖建华. 塑料工业. 2016(06)
[10]SiCf/TB8复合材料的制备及其热物理性能研究[J]. 林松,赵冰,侯红亮,曲海涛. 航空制造技术. 2016(08)
博士论文
[1]反应浸渗制备连续纤维增强SiC基复合材料及其性能研究[D]. 王洪磊.国防科学技术大学 2012
[2]SiC纤维增强Ti基复合材料界面反应研究[D]. 朱艳.西北工业大学 2003
硕士论文
[1]短纤维增强复合材料打印装置及工艺研究[D]. 张肖男.机械科学研究总院 2019
[2]SiCf/Ti-6Al-4V的激光熔覆工艺与界面产物研究[D]. 林齐.石家庄铁道大学 2019
[3]小型化激光熔覆沉积增材制造装置研制[D]. 王望明.石家庄铁道大学 2018
[4]纤维增强复合材料超声辅助增材制造技术研究[D]. 李英睿.哈尔滨工业大学 2018
[5]纤维增强复合材料增材制造技术研究[D]. 夏正付.哈尔滨工业大学 2017
[6]增材制造用功能复合材料的制备及性能研究[D]. 唐城城.浙江工业大学 2015
[7]SiCf/Ti基复合材料界面的研究[D]. 杜赵新.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3113915
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