[发明专利]一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法

说明书

本发明公开了一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，属于增材制造技术领域。所得Cf/Mg复合材料中碳纤维体积比为10%~30%，碳纤维与镁基体界面结合良好。其制备方法为：（1）以镁合金丝材与碳纤维为原料，对镁合金丝材与碳纤维进行表面清理；（2）将表面处理后的两种丝材进行绞线，通过不同直径匹配获得不同碳纤维含量的绞线；（3）以复合绞线为原料，利用非熔化极气体保护焊设备、自动送丝设备进行电弧增材制造；（4）将所得打印件进行退火处理，消除内应力。本发明实现了利用电弧增材制造技术制备Cf/Mg复合材料；借助电弧增材技术克服了传统制备技术对构件形状、尺寸的限制；以复合绞线为原料提高了碳纤维分布的均匀性。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法。

背景技术

碳纤维增强镁基复合材料（Cf/Mg复合材料）综合了镁合金基体与碳纤维的优势，表现出密度低、比强度高、比模量高、热膨胀系数低等优势，成为轻量化、高性能结构材料开发的热点之一，在航空、航天、国防军工、高速轨道交通等领域都具有广阔的应用前景。然而，实际获得应用的Cf/Mg复合材料远落后于期望。其原因在于，传统制造工艺（如真空吸渗挤压）通常需要特殊的模具或装备，机械加工容易产生纤维拔出或层间撕裂等缺陷，因此限制了连续纤维复合材料构件的制备与多样性，难以满足不同领域的需求。

近年来，3D打印（增材制造）技术的快速发展为复杂形状构件的材料-结构一体化设计、近净成形制备提供了技术基础。而送丝3D打印技术为连续纤维增强复合材料提供了新的发展方向。该技术在连续纤维增强高分子材料领域取得显著进步，并由Markforged、Stratasys、Arevo等公司开发出了各具特色的3D打印技术、设备及产品。然而，3D打印Cf/Mg复合材料的研究工作却鲜有报道，其原因在于目前用于制备Cf/Mg复合材料的原料很难直接应用于3D打印技术；另一方面是3D打印过程中高能束流与碳纤维、镁合金相互作用，增加了界面反应与界面微观组织调控难度，增大了碳纤维表面受损的风险，非常不利于材料的组织与性能调控。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，以实现高性能、多样化Cf/Mg复合材料构件的制造，进一步扩大Cf/Mg复合材料的应用范围。本发明解决了电弧增材制造Cf/Mg复合材料原料、界面微观组织与性能调控等问题，提供性能良好的Cf/Mg复合材料及增材制造技术，为实现Cf/Mg复合材料构件个性化定制提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种连续碳纤维增强镁基复合材料的电弧增材制造方法，所述复合材料是以镁合金丝材和碳纤维为原料，通过绞线获得的用于电弧增材制造的复合丝材；

所述制备方法包括以下步骤：

步骤一，利用丙酮分别清理镁合金丝材与碳纤维表面的油污和胶质；

步骤二，将表面处理后的镁合金丝材和碳纤维进行绞线，通过不同直径搭配控制碳纤维含量在10%~30%，最终复合绞线直径在1.0~1.8mm之间；

步骤三，以复合绞线为原料，利用非熔化极气体保护焊设备、自动送丝设备进行电弧增材制造，按照预设路径逐层堆积成形出打印件；

步骤四，将步骤三所得打印件在石墨粉覆盖条件下进行退火处理，以消除内应力。

进一步，所述步骤一中，所用镁合金丝材的直径为0.3~0.6mm。

进一步，所述步骤一中，所用镁合金丝材是经过退火处理的软态丝。

进一步，所述步骤一中，所用碳纤维的单丝直径为6.9μm。

进一步，所述步骤二中，将表面处理后的碳纤维螺旋缠绕在镁合金丝材表面，然后将缠绕碳纤维的镁合金丝材与镁合金丝材进行绞线。