增材制造連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料性能

楊立寧，王金業(yè)，張永弟，常宏杰，楊光

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

近年來，以選區(qū)激光熔化成型[1-5]、激光近凈成型[6]、電子束選區(qū)熔化成型[7-8]為主的金屬材料增材制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。這些技術(shù)基于離散-堆積的成型原理，相對于傳統(tǒng)制造工藝方法，在具有復(fù)雜外形及內(nèi)腔結(jié)構(gòu)金屬零部件的高效率、柔性化制造方面具有顯著優(yōu)勢。為了實(shí)現(xiàn)金屬材料增材制造技術(shù)在汽車、機(jī)床等量大面廣制造行業(yè)中的推廣應(yīng)用，本文第一作者攻讀博士研究生期間提出一種金屬熔融三維直寫技術(shù)[9-11]，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鋅合金、錫鉍合金等中低熔點(diǎn)金屬材料的逐層熔融沉積成型，并有望在小批量、多品種試制金屬模具及零部件的直接制造方面得到廣泛應(yīng)用。本文采用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)相與金屬基體同步熔融-浸漬-復(fù)合-擠出-沉積的方式，來實(shí)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料增材制造工藝，可以使三維直寫成型金屬零部件的力學(xué)性能進(jìn)一步提高。

通過廣泛查閱相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)得知，目前國內(nèi)外對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)及設(shè)備的研究較多，但主要是以熱固性、熱塑性樹脂作為基體材料[12-18]，而針對連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增材制造的相關(guān)報(bào)道極少，且僅有我國西安交通大學(xué)汪鑫等[19-20]開展了相關(guān)工藝探索。

本文通過理論分析和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了連續(xù)碳纖維表面改性、路徑搭接率、打印噴頭溫度、基板溫度、打印速度等過程處理方法及工藝參數(shù)對所制備金屬基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的影響。相關(guān)成果可為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增材制造技術(shù)的進(jìn)一步研究提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用金屬基體材料為東莞市沃昌金屬制品有限公司生產(chǎn)的直徑為1.5mm的錫鉍合金絲材（成分配比為Sn48Bi52，熔點(diǎn)為138℃）。

實(shí)驗(yàn)所用碳纖維為日本東麗公司生產(chǎn)的聚丙烯腈（PAN）系1K 碳纖維束，每一束碳纖維含單絲約1000根，單絲直徑約為6～8μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文對東莞一邁智能科技有限公司生產(chǎn)的MAGIC-HT-M型高性能材料3D打印機(jī)進(jìn)行改造，完成了如圖1所示的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增材制造實(shí)驗(yàn)裝置的搭建。該裝置打印尺寸為220mm（長）×220mm（寬）×220mm（高），噴頭最高可加熱溫度為450℃，基板最高可加熱溫度為120℃。

圖1 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增材制造實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 分析測試儀器

掃描電鏡（SEM），S-4800 型，日本日立公司；倒置顯微鏡平臺(tái)，LEICA DMi8 型，德國徠卡公司；電子萬能試驗(yàn)機(jī)，UTM6503 型，深圳三思縱橫科技股份有限公司。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增材制造工藝原理如圖2所示。

圖2 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增材制造工藝原理

復(fù)合材料增材制造工藝過程為：首先建立預(yù)成型零件的三維模型，然后對三維模型進(jìn)行分層處理并得到逐層數(shù)據(jù)；逐層數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)增材制造設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)信息；增材制造設(shè)備三軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)信號的控制下，按照規(guī)劃好的路徑帶動(dòng)打印噴頭和基板進(jìn)行逐層相對運(yùn)動(dòng)；同時(shí)送絲輪按照預(yù)設(shè)速度將金屬絲材導(dǎo)入噴頭；金屬絲材在噴頭下部被高效加熱熔化，并與同步送入的連續(xù)碳纖維進(jìn)行浸漬復(fù)合；復(fù)合材料在噴頭末端被擠出，并隨著噴頭的相對移動(dòng)沉積于基板上；復(fù)合材料逐道沉積、逐層疊加，最終獲得預(yù)成型連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料整體零件。

2 結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)碳纖維表面改性對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的影響

2.1.1 界面復(fù)合效果對拉伸試樣斷裂模式的影響分析

對于增材制造連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)相和金屬基體之間的界面結(jié)合性能將決定拉伸試樣的斷裂方式，圖3 所示為不同界面復(fù)合效果對應(yīng)的拉伸試樣斷裂模式示意圖。圖3(a)所示在增材制造形成的復(fù)合材料試樣內(nèi)部，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)相將均勻分布于金屬基體內(nèi)。如果連續(xù)碳纖維與金屬基體之間形成了良好的界面復(fù)合，則在試樣被拉伸過程中，金屬基體發(fā)生塑性變形且通過復(fù)合界面將拉伸載荷有效地傳遞給碳纖維，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，并最終形成如圖3(b)所示的理想斷裂模式，斷裂后試樣內(nèi)部連續(xù)碳纖維與金屬基體無明顯脫離現(xiàn)象。但是，當(dāng)連續(xù)碳纖維與金屬基體之間未形成良好的界面復(fù)合時(shí)，試樣在被拉伸過程中會(huì)有大量連續(xù)碳纖維脫離金屬基體且被拔出，試樣將呈現(xiàn)出較差的力學(xué)性能，且最終形成如圖3(c)所示的斷裂模式。

圖3 不同界面復(fù)合效果對應(yīng)的拉伸試樣斷裂模式示意圖

2.1.2 采用表面未改性連續(xù)碳纖維制備的復(fù)合材料的性能分析

采用表面未改性的連續(xù)碳纖維原材料，使用孔徑為2mm 的打印噴頭，在設(shè)定噴頭加熱溫度150℃、基板加熱溫度80℃、打印層厚1mm、噴頭移動(dòng)速度5mm/s、送絲速度4mm/s、路徑搭接率50%的參數(shù)條件下，進(jìn)行了2層復(fù)合材料樣件的打印成型。然后參照ISO 6892-1:2009 標(biāo)準(zhǔn)，將打印成型的原樣件進(jìn)行機(jī)加工處理，得到具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸87.5mm（長）×12.5mm（寬）×2mm（高）的拉伸試樣。最后對機(jī)加后的試樣進(jìn)行拉伸性能測試，并對拉斷后試樣截面的微觀形貌進(jìn)行觀察。試驗(yàn)過程中，打印原樣件、機(jī)加后樣件、拉斷后樣件如圖4所示。

圖4 打印、機(jī)加、拉斷樣件

采用表面未改性連續(xù)碳纖維制備的金屬基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為69MPa，低于普通擠壓鑄造成型的單一錫鉍合金材質(zhì)零件的抗拉強(qiáng)度（約為75MPa），可見連續(xù)碳纖維不僅未對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度起到增強(qiáng)作用，還對材料的抗拉強(qiáng)度造成了負(fù)面影響。

圖5 所示為采用表面未改性連續(xù)碳纖維制備的金屬基復(fù)合材料試樣經(jīng)拉伸斷裂后的斷口形貌。由圖可以看出，在復(fù)合材料內(nèi)部，連續(xù)碳纖維與金屬基體之間存在明顯的未復(fù)合分界面，且在分界面的邊緣處形成了裂紋擴(kuò)展高發(fā)生區(qū)域。復(fù)合材料在受力過程中，極易在此分界面及其邊緣處形成應(yīng)力集中，從而發(fā)生脆性斷裂。由此可見，表面未改性連續(xù)碳纖維的添加會(huì)破壞原有材料的機(jī)械強(qiáng)度。

圖5 采用表面未改性連續(xù)碳纖維制備的試樣經(jīng)拉伸斷裂后的斷口形貌

2.1.3 采用表面改性連續(xù)碳纖維制備的復(fù)合材料的性能分析

為了實(shí)現(xiàn)成型過程中碳纖維與金屬基體的有效復(fù)合，提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，對原材料碳纖維進(jìn)行了表面改性處理。首先，將碳纖維在加熱爐中于400℃下高溫煅燒40min，以去除表面有機(jī)膠膜；然后，將碳纖維置入配制好的電鍍銅溶液中，在1.2V 電壓下電鍍30min。圖6 所示為表面改性前后碳纖維的微觀形貌，可以看出，未經(jīng)改性處理的碳纖維表面較為光滑，很難與金屬基體形成良好結(jié)合。經(jīng)過改性處理的碳纖維表面形成了連續(xù)致密且厚度較均勻的銅鍍層，銅鍍層厚度約為2.5μm。

圖6 表面改性前后碳纖維的微觀形貌

同樣采用經(jīng)表面改性后的連續(xù)碳纖維制備出標(biāo)準(zhǔn)尺寸拉伸試樣，并進(jìn)行拉伸性能測試，測試結(jié)果顯示其抗拉強(qiáng)度為101MPa，相比普通擠壓鑄造成型的單一錫鉍合金材質(zhì)零件的抗拉強(qiáng)度提高了約34.7%?？梢娊?jīng)表面改性后，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)相的添加對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度起到較好的增強(qiáng)作用。

圖7所示為采用經(jīng)表面改性后連續(xù)碳纖維制備的金屬基復(fù)合材料試樣經(jīng)拉伸斷裂后的斷口形貌。由圖可以看出，改性后碳纖維隨打印單道路徑分布于成型復(fù)合材料試樣內(nèi)部，連續(xù)碳纖維與金屬基體之間形成了良好的復(fù)合界面，且打印單道和打印層之間均形成了良好的金屬熔合。

圖7 采用經(jīng)表面改性后的連續(xù)碳纖維制備的試樣拉伸斷裂后的斷口形貌

2.2 路徑搭接率對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的影響

2.2.1 路徑搭接率對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的影響分析

圖8為復(fù)合材料成型過程中兩相鄰打印路徑之間形成搭接區(qū)域的示意圖。圖中w為單道打印路徑寬度，l為路徑搭接區(qū)域的寬度，則打印路徑搭接率δ可用式(1)表示。

圖8 相鄰兩打印路徑之間形成搭接區(qū)示意圖

由圖9可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)的成型試樣尺寸一定時(shí)，增大打印路徑搭接率，則打印路徑數(shù)量需要相應(yīng)增加，因此制備的試樣內(nèi)碳纖維的含量也會(huì)增大，使得試樣的抗拉強(qiáng)度升高。

圖9 不同路徑搭接率條件下制備的試樣內(nèi)纖維分布情況示意圖

2.2.2 不同路徑搭接率條件下制備的復(fù)合材料的性能分析

圖10(a)、(b)所示分別為路徑搭接率30%和60%時(shí)，打印的單層復(fù)合材料試樣的表面及斷面形貌?？梢钥闯霎?dāng)路徑搭接率為30%時(shí)，兩相鄰打印道無法實(shí)現(xiàn)較好搭接，道間存在明顯的間隙，碳纖維分布于打印單道內(nèi)部且整體碳纖維含量較少；當(dāng)路徑搭接率增加到60%時(shí)，相鄰打印道之間過度重疊而形成凸起，表面質(zhì)量較差，但整體碳纖維含量相對較多?；谝陨辖Y(jié)果，本文在路徑搭接率為35%～55%范圍內(nèi)進(jìn)行進(jìn)行了兩層復(fù)合材料樣件打印成型，并對打印樣件進(jìn)行機(jī)加工及拉伸性能測試。

圖10 不同路徑搭接率條件下所得單層試樣表面及斷面形貌

圖11 所示為不同路徑搭接率條件下成形的試樣的碳纖維體積分?jǐn)?shù)及其抗拉強(qiáng)度的變化情況。由圖11 可以看出，隨著路徑搭接率的增大，所得試樣的碳纖維體積分?jǐn)?shù)及其抗拉強(qiáng)度也隨之上升。當(dāng)路徑搭接率由30%增加到60%時(shí)，試樣內(nèi)的碳纖維體積分?jǐn)?shù)由4.42% 上升到8.12%，增長約83.71%。在本試驗(yàn)條件下，采用增材制造工藝成型的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)錫鉍合金試樣的抗拉強(qiáng)度均達(dá)到80MPa 以上；當(dāng)路徑搭接率由30%增加到35%時(shí)，復(fù)合材料試樣的抗拉強(qiáng)度提高較為明顯，這是由于當(dāng)路徑搭接率為30%時(shí)，相鄰打印道間存在間隙而無法形成一個(gè)整體，使得試樣抗拉強(qiáng)度也較低，而當(dāng)路徑搭接率增加至35%時(shí)，打印道間的間隙缺陷消除，基體相融合為一體，從而使得試樣抗拉強(qiáng)度顯著提升；當(dāng)路徑搭接率由35%增加到60%時(shí)，復(fù)合材料試樣的抗拉強(qiáng)度由原來的90MPa提高到107MPa，相對于單一錫鉍合金材質(zhì)零件強(qiáng)度提升了約42.67%，可見連續(xù)碳纖維對于復(fù)合材料起到了有效增強(qiáng)作用。

圖11 不同路徑搭接率條件下成形的試樣的碳纖維體積分?jǐn)?shù)及其抗拉強(qiáng)度的變化曲線

2.3 溫度參數(shù)對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的影響

2.3.1 復(fù)合材料內(nèi)部氣孔缺陷形成過程分析

圖12 所示為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增材制造工藝過程中在復(fù)合材料內(nèi)部形成氣孔缺陷的示意圖。第一層復(fù)合材料成形過程中，由于從打印噴頭擠出的復(fù)合材料溫度相對于環(huán)境溫度較高，因此復(fù)合材料沉積到打印基板平面后，隨著溫度降低和體積收縮，將會(huì)在其表面形成微裂紋。同時(shí)，在相鄰兩打印路徑之間的搭接區(qū)域會(huì)形成凹坑，且搭接率越小形成的凹坑也越明顯。當(dāng)?shù)诙訌?fù)合材料沉積到第一層之上時(shí)，如果熔融金屬或打印基板的溫度不夠高，則其金屬液表面張力和黏度會(huì)增大，流動(dòng)性降低。一方面會(huì)導(dǎo)致兩層復(fù)合材料無法在接觸面形成充分的重熔復(fù)合，從而在第一層復(fù)合材料表面微裂紋處形成氣孔缺陷；另一方面，第二層復(fù)合材料內(nèi)的熔融金屬將無法充分填充第一層復(fù)合材料表面的搭接區(qū)凹坑，同樣會(huì)形成氣孔缺陷。由此可見，合理調(diào)控成型過程中打印噴頭和打印基板的溫度，可以有效避免上述復(fù)合材料內(nèi)部氣孔缺陷的形成。

圖12 復(fù)合材料內(nèi)部氣孔缺陷形成過程示意圖

2.3.2 不同打印噴頭溫度條件下制備的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度

設(shè)定打印基板溫度為80℃，在不同打印噴頭溫度條件下進(jìn)行了兩層復(fù)合材料樣件打印成型，并對打印樣件進(jìn)行機(jī)加工及拉伸性能測試，測試結(jié)果如圖13所示。

由圖13可以看出，隨著打印噴頭溫度的升高，成型試樣的抗拉強(qiáng)度也呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，這是由于打印噴頭溫度的升高一方面有利于試樣成型過程中層間和道間的重熔復(fù)合，另一方面由于高溫會(huì)使得金屬基體的表面張力和黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而避免在試樣內(nèi)部形成氣孔缺陷，致密度增高，因此其抗拉強(qiáng)度也會(huì)增大。當(dāng)打印噴頭溫度從155℃升高到160℃時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)最大幅度增大，且之后隨溫度的升高變化不明顯，這說明在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)打印噴頭溫度為160℃時(shí)，即可以實(shí)現(xiàn)打印試樣抗拉性能的有效提升，且達(dá)到約108MPa，與圖13 中所示最大抗拉強(qiáng)度約111MPa（打印噴頭溫度為170℃）相差甚小。

圖13 不同打印噴頭溫度條件下成型試樣的抗拉強(qiáng)度

2.3.3 不同打印基板溫度條件下制備的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度

設(shè)定打印噴頭溫度為160℃，在不同打印基板溫度條件下進(jìn)行了兩層復(fù)合材料樣件打印成型，并對打印樣件進(jìn)行機(jī)加工及拉伸性能測試，測試結(jié)果如圖14所示。

由圖14可以看出，隨著打印基板溫度的升高，成型試樣的抗拉強(qiáng)度也呈現(xiàn)逐步增大的趨勢；當(dāng)打印基板溫度從100℃升高到110℃時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)最大幅度增大，且之后隨溫度的升高變化較小。這說明在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)打印基板溫度為110℃時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)打印試樣抗拉性能的有效提升，且達(dá)到約114MPa，與圖14中所示最大抗拉強(qiáng)度約115MPa（打印基板溫度為120℃）相差甚小。

圖14 不同打印基板溫度條件下成型的試樣的抗拉強(qiáng)度

2.3.4 不同溫度參數(shù)條件下制備的復(fù)合材料的內(nèi)部氣孔分布情況

如圖15 所示，對不同溫度參數(shù)條件下打印成型的兩層復(fù)合材料樣件的內(nèi)部氣孔分布情況進(jìn)行了觀察，結(jié)果顯示，當(dāng)基板溫度和噴頭溫度分別為70℃和145℃時(shí)，在上下層之間的搭接區(qū)域凹坑處形成了明顯的氣孔缺陷；當(dāng)基板溫度和噴頭溫度進(jìn)一步升高至90℃和155℃時(shí)，上下層之間仍然存在氣孔缺陷，但相比之前顯著減小；當(dāng)基板溫度和噴頭溫度升高至110℃和160℃時(shí)，上下層之間僅存在一些較小的氣孔缺陷。以上結(jié)果驗(yàn)證了本文2.3.1節(jié)中對復(fù)合材料內(nèi)部氣孔缺陷形成過程的分析，并支撐了不同溫度參數(shù)條件下制備的復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。

圖15 不同溫度參數(shù)條件下成型的試樣的內(nèi)部氣孔分布

2.4 打印速度對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的影響

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增材制造工藝可近似為一個(gè)具有設(shè)定溫度的復(fù)合材料熱源進(jìn)行逐點(diǎn)沉積、逐道搭接排列、逐層疊加的過程。因此，如果采用較大的打印速度，則零件成型所需時(shí)間會(huì)縮短，零件內(nèi)積攢的熱量也會(huì)增多，導(dǎo)致零件整體溫度升高，這樣有利于增材制造過程中層間和道間的重熔復(fù)合以及氣孔等缺陷的減少，從而有利于零件致密度和抗拉強(qiáng)度的提高。本文在設(shè)定打印噴頭溫度為160℃、打印基板溫度為110℃的條件下，采用不同打印速度進(jìn)行了兩層復(fù)合材料樣件的打印成型，并對打印樣件的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同打印速度條件下成型試樣的抗拉強(qiáng)度

由圖16 可以看出，隨著打印速度的增加，成型試樣的抗拉強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)逐步增大的趨勢；當(dāng)打印速度從2mm/s增加到6mm/s時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度由106MPa 上升到117MPa，增長約10.38%，說明在這一過程中，試樣內(nèi)部的致密度及其結(jié)合性能得到了提升。當(dāng)打印速度進(jìn)一步增加到7mm/s時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度上升不明顯。

通過以上2.3節(jié)和2.4節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果及分析可以看出，噴頭溫度、基板溫度、打印速度均會(huì)對金屬基復(fù)合材料增材制造過程中的溫度分布及變化產(chǎn)生影響，從而進(jìn)一步影響成型試樣的內(nèi)部缺陷、致密度及抗拉強(qiáng)度。本試驗(yàn)條件下所得3個(gè)最優(yōu)參數(shù)為噴頭溫度160℃、基板溫度110℃、打印速度5mm/s。同時(shí)在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步升高噴頭溫度、基板溫度、打印速度，均會(huì)造成制件因溫度過高而出現(xiàn)局部塌陷的現(xiàn)象，從而影響成型質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）采用對連續(xù)碳纖維進(jìn)行表面改性處理的方法，可以促進(jìn)增材制造過程中金屬基體與連續(xù)碳纖維之間的界面復(fù)合，從而改善復(fù)合材料在拉伸性能試驗(yàn)過程中的斷裂模式，以有效提高其抗拉強(qiáng)度。

（2）增大路徑搭接率，可以提升增材制造復(fù)合材料試樣的碳纖維體積分?jǐn)?shù)及其抗拉強(qiáng)度，但搭接率過大也會(huì)導(dǎo)致相鄰打印道過度重疊而形成凸起的問題，本文所得較優(yōu)路徑搭接率范圍為35%～55%。

（3）采用增材制造工藝成型的復(fù)合材料試樣中，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)相起到了有效的增強(qiáng)作用，其抗拉強(qiáng)度高于普通擠壓鑄造成型的單一錫鉍合金材質(zhì)零件的抗拉強(qiáng)度。

（4）升高打印噴頭溫度和打印基板溫度、增加打印速度，均有利于增材制造復(fù)合材料試樣層間和道間的重熔復(fù)合，也可使得試樣內(nèi)的氣孔等缺陷減少，致密度增高，從而實(shí)現(xiàn)試樣抗拉性能的有效提升，本文所得較優(yōu)參數(shù)為打印噴頭溫度160℃、打印基板溫度110℃、打印速度5mm/s。