本發明涉及一種激光-感應復合熔化沉積纖維增強金屬基復合材料的方法，屬于激光增材制造技術領域。
背景技術：
金屬基復合材料由金屬基體和增強相通過一定的工藝復合而成的新型結構材料，按增強相的形態可分為纖維增強金屬基復合材料、晶須及短纖維增強金屬基復合材料、顆粒增強金屬基復合材料等幾種形式。因此，金屬基復合材料具有較高的比強度、比剛度以及良好的抗蠕變、耐高溫性能，尤其是纖維增強金屬基復合材料在其纖維方向上具有很高的強度和模量，在構件的受力狀況基本確定時更能發揮其定向優勢，在航空航天領域具有十分廣闊的應用前景。
目前，纖維增強金屬基復合材料的制備方法主要有粉末冶金法、真空壓力浸滲法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法等。粉末冶金法是預先將短纖維與金屬粉末制成漿狀并混合，經成型干燥熱壓燒結成型，該法較為復雜，不適宜制備大尺寸零件，成本很高。真空壓力浸滲法是將增強相制成預制體，放入承壓鑄型內，加熱、抽真空，通過真空產生的負壓，使液態基體金屬熔體浸滲到預制體中并凝固成形，該方法的設備復雜，工藝周期長，成本較高，適用于制備要求較高的小型零件；擠壓鑄造是將增強材料制成預制件，放入壓型，用壓機將液態金屬壓入凝固后得到成型件，其擠壓鑄造力大，一般在70-100MPa，所制成預制件必須有很高強度，同時需保證預制件的空隙度；攪拌鑄造法是將金屬熔化，在液態或半固態攪拌，同時加入增強材料(短纖維、晶須或粒子等)，制備出復合材料漿料，然后進行鑄造、液態模鍛、軋制或擠壓成形。盡管擠壓鑄造法與攪拌鑄造法在工業中得到較為廣泛的應用，但是這兩種方法制備的纖維增強金屬基復合材料都存在纖維增強相分布不均、結構不完整以及與金屬基體界面潤濕性差等缺點，其綜合性能有待進一步提高。
激光增材制造主要以金屬粉末或金屬絲材為原料，通過CAD模型預分層處理，采用高功率激光束熔化堆積生長，直徑從CAD模型一步完成高性能構件的“近終成形”。與傳統的制造工藝相比，激光增材制造屬于“加法制造”，具有工藝流程短、無模具、制造周期短、小批量零件生產成本低、零件近凈成 型、材料利用率高以及可實現多種材料任意復合制造等優點。近年來，激光-感應復合熔化沉積技術可以在加工效率提高1～5倍的條件下，快速制備組織致密的高性能三維結構件。但是，采用激光-感應復合熔化沉積技術制備纖維增強金屬基復合材料的方法未見文獻報道。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種激光-感應復合熔化沉積纖維增強金屬基復合材料的方法。本發明利用具有快速加熱、快速凝固、柔性制造、易實現自動化等特點的激光-感應復合熔化熱源，將粉末噴嘴噴射出的合金粉末熔化，并將鍍有鎳層的纖維包覆起來，結合分層切片技術形成纖維增強金屬基復合材料結構件。
本發明是這樣來實現的，其方法與步驟為：
(1)利用專用CAD軟件生成纖維增強金屬基復合材料零件的三維CAD實體模型，然后切割成若干相互平行的薄片，實現將零件的三維立體數據轉換成一系列的二維平面數據，并在數控加工臺上生成激光-感應復合熔化熱源的掃描路徑；
(2)對纖維進行粗化、敏化、活化與化學鍍處理，在直徑為0.2～10μm的纖維表面形成厚度為20～50μm的鍍鎳層，其中纖維為碳纖維、石英纖維或玻璃纖維；纖維進行粗化時溶液配方為：鉻酸200～300g/l，濃硫酸150～300ml/l，溫度50～60℃，時間90～120min；敏化時溶液配方為：膠體鈀6～10ml/l，鹽酸200～300ml，溫度30℃，時間40～60s；活化時溶液配方：氫氧化鈉9～11g/l，溫度30～40℃，時間15～30s；化學鍍Ni時溶液配方為：六水合硫酸鎳35～60g/L，次亞磷酸鈉25～40g/L，二水合檸檬酸三鈉25～50g/L，氯化銨35～45g/L，加入5～10g/L氨水，溫度30～38℃，pH＝8～9，溫度40～60min；在粗化、敏化、活化與化學鍍Ni后，都需要對纖維用去離子水沖洗5～10min，然后在100～120℃的烘箱內烘干；
(3)采用三組專用纖維編織模板，將纖維編織成相互平行的結構，其中專用纖維編織模板由兩個完全相同且表面均勻分布有群孔的304不銹鋼板組成，編織的纖維與304不銹鋼板表面垂直，304不銹鋼板的尺寸為20×20×0.2cm3，纖維編織的厚度為0.1～1.2mm，纖維編織的底部與基材表面接觸；
(4)專用纖維編織模板其中的一塊304不銹鋼板固定在基材的端面，另一 塊304不銹鋼板固定在激光-感應復合熔化沉積裝置的加工頭上，且位于激光-感應復合熔化熱源前端3～5mm處，編織纖維的長度方向與激光掃描方向平行；
(5)在真空室內將激光器產生的激光束與自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應加熱區內，實現激光熱源與感應加熱源的復合；利用粉末噴嘴將合金粉末吹入激光-感應復合熔化熱源形成的熔池內，當激光-感應復合熔化熱源移開后，熔融的合金粉末快速凝固并將纖維包覆起來，形成纖維增強金屬基沉積層；
激光功率為1～5kW，激光掃描速度為600～3500mm/min，粉末流量為10～120g/min，粉末噴嘴與基材表面的夾角為40～60°，基材被感應加熱的溫度為500～1100℃，感應加熱線圈與編織纖維的距離為2～5mm，粉末噴嘴與編織纖維的垂直距離為8～12mm，單層沉積層的厚度為0.2～1.3mm，合金粉末的粒徑為20～45μm；
合金粉末為Ni基合金、Fe基合金或Al基合金，其中Ni基合金粉末的化學成分為：C0.2wt.％，Si2.2wt.％，B1.0wt.％，Nb3.0wt.％，Fe8.0wt.％，Cr2.8wt.％，Ce2O30.8％，余量為Ni；Fe基合金粉末的化學成分為：C0.4wt.％，Si0.7wt.％，Ni9.2wt.％，Y2O32.2wt.％，V2.1wt.％，Cr17.2wt.％，Mn8.5wt.％，余量為Fe；Al基合金粉末的化學成分為：Zn6.2wt.％，Mg2.25wt.％，Cu2.3wt.％，Zr0.1wt.％，Si0.12wt.％，Al2O36.2wt.％，余量為Al；
(6)當在基材表面沉積完一道之后，沿著激光掃描速度的垂直方向移動加工機床，其移動的距離為激光束光斑直徑的40～50％；
(7)重復步驟(5)-(6)，直到沉積層寬度滿足零件寬度要求；
(8)檢測沉積層是否滿足零件高度要求，如果沒有，將安裝有另一塊304不銹鋼板的激光-感應復合熔化沉積裝置的加工頭與感應加熱線圈沿Z軸向上升到與CAD二維薄片厚度相等的距離，然后按下一層的掃描軌跡進行激光-感應復合熔化沉積，當所有的二維薄片都被掃描完成后，最終形成三維纖維增強金屬基復合材料。
本發明在進行所述的步驟(3)時，纖維經過化學鍍鎳后的直徑為20.2～60μm，將編織模板分為三組：第一組模板①群孔孔徑為35.1μm，孔間距為35.2～45μm；第二組模板②群孔孔徑為45.1μm，孔間距為45.2～60μm；第三組模板③群孔孔徑為60.1μm，孔間距為60.2～70μm；當鍍Ni層纖維直徑為20.2～35μm時，選用模板①；當鍍Ni層纖維直徑為35.001～45μm時，選用模板②； 當鍍Ni層纖維直徑為45.001～60μm時，選用模板③；選定模板后，根據纖維編織的厚度，選擇相鄰或不相鄰孔洞進行編制，實現纖維之間距離的可控。
本發明的優點是：(1)加工效率高、組織致密、無氣孔與裂紋、纖維增強相結構完整且在復合材料內分布均勻與可控；(2)制備的纖維增強金屬基復合材料綜合性能優異，如硬度可達1000～1250HV0.2，干滑動磨損性能約是硬度為60HRC的GCr15的3～5倍，抗拉強度可達1000～1200Mpa，延伸率為20～45％。
具體實施方式
實施例1
采用激光-感應復合熔化沉積的方法制備碳纖維增強鐵基復合材料，其中碳纖維直徑為0.2μm，鐵基合金粉末的化學成分為：C0.4wt.％，Si0.7wt.％，Ni9.2wt.％，Y2O32.2wt.％，V2.1wt.％，Cr17.2wt.％，Mn8.5wt.％，余量為Fe，碳纖維增強鐵基復合材料的尺寸內徑為30mm，外徑為60mm，高度為200mm的管狀工件，具體實施過程如下：
(1)利用專用CAD軟件生成碳纖維增強鐵基復合材料零件的三維CAD實體模型，然后切割成若干相互平行且厚度為0.5mm的薄片，實現將零件的三維立體數據轉換成一系列的二維平面數據，并在數控加工臺上生成激光-感應復合熔化熱源的掃描路徑；
(2)對碳纖維進行粗化、敏化、活化與化學鍍處理，在直徑為0.2μm的碳纖維表面形成厚度為20μim的鍍鎳層，碳纖維進行粗化時溶液配方為：鉻酸200g/l，濃硫酸150ml/l，溫度50℃，時間90min；敏化時溶液配方為：膠體鈀6ml/l，鹽酸200ml，溫度30℃，時間40s；活化時溶液配方：氫氧化鈉9g/l，溫度30℃，時間15s；化學鍍Ni時溶液配方為：六水合硫酸鎳35g/L，次亞磷酸鈉25g/L，二水合檸檬酸三鈉25g/L，氯化銨35g/L，加入5g/L氨水，溫度30℃，pH＝8，溫度40min；在粗化、敏化、活化與化學鍍Ni后，對碳纖維用去離子水沖洗5min，然后在100℃的烘箱內烘干；
(3)采用專用纖維編織模板，將碳纖維編織成相互平行的結構，其中專用纖維編織模板由兩個完全相同且表面均勻分布有群孔的304不銹鋼板組成，群孔孔徑為35.1μm，孔間距為40μm，編織的碳纖維與304不銹鋼板表面垂直，304不銹鋼板的尺寸為20×20×0.2cm3，碳纖維編織的厚度為0.4mm，碳纖維編織 的底部與基材表面接觸；
(4)專用纖維編織模板其中的一塊304不銹鋼板固定在基材的端面，另一塊304不銹鋼板固定在激光-感應復合熔化沉積裝置的加工頭上，且位于激光-感應復合熔化熱源前端3mm處，編織碳纖維的長度方向與激光掃描方向平行；
(5)在真空室內將激光器產生的激光束與自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應加熱區內，實現激光熱源與感應加熱源的復合；利用粉末噴嘴將鐵基合金粉末吹入激光-感應復合熔化熱源形成的熔池內，當激光-感應復合熔化熱源移開后，熔融的鐵基合金粉末快速凝固并將碳纖維包覆起來，形成碳纖維增強鐵基沉積層；
激光功率為2kW，激光掃描速度為1200mm/min，粉末流量為40g/min，粉末噴嘴與基材表面的夾角為40°，基材被感應加熱的溫度為500℃，感應加熱線圈與編織碳纖維的距離為2mm，粉末噴嘴與編織碳纖維的垂直距離為8mm，單層沉積層的厚度為0.5mm，鐵基合金粉末的粒徑為25μm；
(6)當在基材表面沉積完一道之后，沿著激光掃描速度的垂直方向移動加工機床，其移動的距離為激光束光斑直徑的40％；
(7)重復步驟(5)-(6)，直到沉積層寬度滿足零件壁厚要求；
(8)檢測沉積層是否滿足零件高度要求，如果沒有，將安裝有另一塊304不銹鋼板的激光-感應復合熔化沉積裝置的加工頭與感應加熱線圈沿Z軸向上升0.5mm的距離，然后按下一層的掃描軌跡進行激光-感應復合熔化沉積，當所有的二維薄片都被掃描完成后，最終形成三維碳纖維增強鐵基復合材料。
實施例2
采用激光-感應復合熔化沉積的方法制備石英纖維增強鎳基復合材料，其中石英纖維直徑為5μm，Ni基合金粉末的化學成分為：C0.2wt.％，Si2.2wt.％，B1.0wt.％，Nb3.0wt.％，Fe8.0wt.％，Cr2.8wt.％，Ce2O30.8％，余量為Ni；石英纖維增強鎳基復合材料的尺寸為：50mm(長)×30mm(寬)×200mm(高)，具體實施過程如下：
(1)利用專用CAD軟件生成石英纖維增強鎳基復合材料零件的三維CAD實體模型，然后切割成若干相互平行且厚度為0.8mm的薄片，實現將零件的三維立體數據轉換成一系列的二維平面數據，并在數控加工臺上生成激光-感應復合熔化熱源的掃描路徑；
(2)對石英纖維進行粗化、敏化、活化與化學鍍處理，在直徑為5μm的纖維表面形成厚度為40μm的鍍鎳層，石英纖維進行粗化時溶液配方為：鉻酸250g/l，濃硫酸200ml/l，溫度55℃，時間100min；敏化時溶液配方為：膠體鈀8ml/l，鹽酸250ml，溫度30℃，時間50s；活化時溶液配方：氫氧化鈉10g/l，溫度35℃，時間20s；化學鍍Ni時溶液配方為：六水合硫酸鎳45g/L，次亞磷酸鈉35g/L，二水合檸檬酸三鈉40g/L，氯化銨40g/L，加入8g/L氨水，溫度35℃，pH＝8.5，溫度50min；在粗化、敏化、活化與化學鍍Ni后，對石英纖維用去離子水沖洗8min，然后在110℃的烘箱內烘干；
(3)采用專用纖維編織模板，將石英纖維編織成相互平行的結構，其中專用纖維編織模板由兩個完全相同且表面均勻分布有群孔的304不銹鋼板組成，群孔孔徑為45.1μm，孔間距為50μm，編織的石英纖維與304不銹鋼板表面垂直，304不銹鋼板的尺寸為20×20×0.2cm3，石英纖維編織的厚度為1.0mm，纖維編織的底部與基材表面接觸；
(4)專用纖維編織模板其中的一塊304不銹鋼板固定在基材的端面，另一塊304不銹鋼板固定在激光-感應復合熔化沉積裝置的加工頭上，且位于激光-感應復合熔化熱源前端4mm處，編織纖維的長度方向與激光掃描方向平行；
(5)在真空室內將激光器產生的激光束與自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應加熱區內，實現激光熱源與感應加熱源的復合；利用粉末噴嘴將合金粉末吹入激光-感應復合熔化熱源形成的熔池內，當激光-感應復合熔化熱源移開后，熔融的合金粉末快速凝固并將石英纖維包覆起來，形成石英纖維增強鎳基沉積層；
激光功率為3.5kW，激光掃描速度為2200mm/min，粉末流量為85g/min，粉末噴嘴與基材表面的夾角為45°，基材被感應加熱的溫度為1000℃，感應加熱線圈與編織纖維的距離為4.0mm，粉末噴嘴與編織纖維的垂直距離為10mm，單層沉積層的厚度為1.0mm，鎳基合金粉末的粒徑為35μm；
(6)當在基材表面沉積完一道之后，沿著激光掃描速度的垂直方向移動加工機床，其移動的距離為激光束光斑直徑的45％；
(7)重復步驟(5)-(6)，直到沉積層寬度滿足零件寬度要求；
(8)檢測沉積層是否滿足零件高度要求，如果沒有，將安裝有另一塊304不銹鋼板的激光-感應復合熔化沉積裝置的加工頭與感應加熱線圈沿Z軸向上 升0.8mm的距離，然后按下一層的掃描軌跡進行激光-感應復合熔化沉積，當所有的二維薄片都被掃描完成后，最終形成三維石英纖維增強鎳基復合材料。
實施例3
采用激光-感應復合熔化沉積的方法制備玻璃纖維增強鋁基復合材料，其中玻璃纖維直徑為10μm，鋁基合金粉末的化學成分為：Zn6.2wt.％，Mg2.25wt.％，Cu2.3wt.％，Zr0.1wt.％，Si0.12wt.％，Al2O36.2wt.％，余量為Al；玻璃纖維增強鋁基復合材料的尺寸為：60mm(長)×20mm(寬)×500mm(高)，具體實施過程如下：
(1)利用專用CAD軟件生成玻璃纖維增強鋁基復合材料零件的三維CAD實體模型，然后切割成若干相互平行且厚度為1.2mm的薄片，實現將零件的三維立體數據轉換成一系列的二維平面數據，并在數控加工臺上生成激光-感應復合熔化熱源的掃描路徑；
(2)對玻璃纖維進行粗化、敏化、活化與化學鍍處理，在直徑為10μm的纖維表面形成厚度為50μm的鍍鎳層，玻璃纖維進行粗化時溶液配方為：鉻酸290g/l，濃硫酸270ml/l，溫度60℃，時間118min；敏化時溶液配方為：膠體鈀10ml/l，鹽酸285ml，溫度30℃，時間60s；活化時溶液配方：氫氧化鈉11g/l，溫度38℃，時間30s；化學鍍Ni時溶液配方為：六水合硫酸鎳60g/L，次亞磷酸鈉40g/L，二水合檸檬酸三鈉50g/L，氯化銨45g/L，加入10g/L氨水，溫度38℃，pH＝9，溫度58min；在粗化、敏化、活化與化學鍍Ni后，對玻璃纖維用去離子水沖洗10min，然后在120℃的烘箱內烘干；
(3)采用專用纖維編織模板，將玻璃纖維編織成相互平行的結構，其中專用纖維編織模板由兩個完全相同且表面均勻分布有群孔的304不銹鋼板組成，群孔孔徑為60.1μm，孔間距為65μm，編織的玻璃纖維與304不銹鋼板表面垂直，304不銹鋼板的尺寸為20×20×0.2cm3，玻璃纖維編織的厚度為1.2mm，纖維編織的底部與基材表面接觸；
(4)專用纖維編織模板其中的一塊304不銹鋼板固定在基材的端面，另一塊304不銹鋼板固定在激光-感應復合熔化沉積裝置的加工頭上，且位于激光-感應復合熔化熱源前端5mm處，編織纖維的長度方向與激光掃描方向平行；
(5)在真空室內將激光器產生的激光束與自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應加熱區內，實現激光熱源與感應加熱源的復合；利用粉末噴嘴將鋁合金粉末 吹入激光-感應復合熔化熱源形成的熔池內，當激光-感應復合熔化熱源移開后，熔融的合金粉末快速凝固并將玻璃纖維包覆起來，形成玻璃纖維增強鋁基沉積層；
激光功率為5kW，激光掃描速度為3500mm/min，粉末流量為120g/min，粉末噴嘴與基材表面的夾角為53°，基材被感應加熱的溫度為800℃，感應加熱線圈與編織纖維的距離為5mm，粉末噴嘴與編織纖維的垂直距離為12mm，單層沉積層的厚度為1.2mm，鋁基合金粉末的粒徑為45μm；
(6)當在基材表面沉積完一道之后，沿著激光掃描速度的垂直方向移動加工機床，其移動的距離為激光束光斑直徑的50％；
(7)重復步驟(5)-(6)，直到沉積層寬度滿足零件寬度要求；
(8)檢測沉積層是否滿足零件高度要求，如果沒有，將安裝有另一塊304不銹鋼板的激光-感應復合熔化沉積裝置的加工頭與感應加熱線圈沿Z軸向上升1.2mm的距離，然后按下一層的掃描軌跡進行激光-感應復合熔化沉積，當所有的二維薄片都被掃描完成后，最終形成三維玻璃纖維增強鋁基復合材料。