增材制造连续碳纤维增强铝基复合材料工艺研究.pdf

摘要

摘要

连续C/Alf复合材料作为航天及汽车工业中的高端材料，在发动机活塞、螺旋桨叶

片等零部件上应用广泛。与传统工艺相比，激光熔覆增材制造技术在低成本、高效率

制备复杂结构件方面优势巨大，前景广阔，本文创新采用该技术进行连续C/Al复合材f

料工艺制备研究。

针对激光熔覆速热骤冷、工艺参数难以把控的技术特点，采用有限元软件进行无

纤维、含未镀层纤维、含镀层纤维熔覆单道样件分组建立温度场、热应力耦合模型。-

通过对熔覆样件熔池尺寸形貌、热通量、温度峰值、热应力等分布变化规律进行分析，

系统研究了激光功率、扫描速度、光斑半径、纤维镀层等变量对工艺的影响，并将模

拟研究结果作为具体实验理论依据，通过预铺纤维丝束结合同轴送粉的方式成功进行

连续C/Al复合材料制备，对制得试样进行界面微观组织表征分析和相关力学测试，测f

试效果较好，结论如下：

(1)熔池温度峰值、尺寸形貌随激光功率增大而增大；熔池温度峰值、尺寸形貌随

扫描速度增大而减小；熔池温度峰值、尺寸形貌随光斑半径增大而减小。熔覆过程中

样件温度呈首端向末端梯度升高，且分布规律稳定。对含镀层纤维熔覆模型进行热通

量分析发现镀镍层纤维单位时间受热密度比镀铜层低，有利于保护纤维减少高温损伤。

(2)模型末端界面等效应力因激光熔覆技术特性导致在短时间内激增骤降，界面应

力峰值随熔池温度峰值变化而变化。分析纤维轴向应力可知应力主要集中在各层界面

结合处，从内向外梯次递减，且纤维和镀层面主要表现为压应力，基体层面表现为拉

应力，因此熔覆材料内部容易产生相切于界面的裂纹缺陷。

(3)含镀镍层与含镀铜层纤维熔覆模型等效应力峰值相比未镀层模型，从174MPa

分别增大为223.47MPa和287.36MPa，应力分布整体相似。而镍层与铝基体界面处应

力峰值为159MPa，相较未镀层模型有所减小，在镍层保护碳纤维减少氧化损伤同时提

高润湿性的情况下，更有利于界面结合，因此对纤维镀层金属选为镍。经模拟分析，

工艺参数优选范围为：激光功率700W-800W，扫描速度2mm/S，光斑半径3mm。

(4)通过对比实验发现，碳纤维镀镍预处理可以有效改善复合材料的界面结合形貌

和提高性能。对试样界面组织形貌进行SEM观测和EDS能谱分析发现碳纤维保存良

好且有大量白色晶状AlxNi析出相围绕碳纤维根束生成，避免纤维与铝基直接接触产

生Al4C3脆性相，界面结合紧密，无过多缝隙缺陷，但较多的纤维团聚现象又导致了

性能相应降低。试样熔粉融化彻底，碳纤维与铝基结合均匀，力学试验中碳纤维较好

的承接载荷且未有过多丝束脱拔，样件抗拉和抗弯强度为72.41MPa、122.1MPa，相比

6#13.44%13.6%

纯铝熔覆样件分别有和的提升，致密度有所降低。

关键词：C/Al，激光熔覆，温度场，应力场，界面结合f

论文类型：应用研究

I

目录

目录

第1章绪论1

1.1课题研究背景及意义1

1.2连续C/Al复合材料研究现状2

f

1.2.1连续碳纤维概况2

1.2.2连续C/Al复合材料制备工艺3

f

1.2.3连续C/Al复合材料界面结合研究5

f

1.2.4工艺发展趋势7

1.3激光熔覆技术相关研究7

1.3.1激光熔覆技术原理及其研究概况7