一种CMT增材制造复合材料构件的方法技术领域
本发明属于快速成形技术领域，涉及金属材料加工方向，具体为一种利用CMT增材
制造制作复合材料构件的方法。
背景技术
增材制造是指利用离散-堆积的原理，通过所选材料的逐渐累加，快速并精密地制
造出任意结构形状的零件，最终达到制造实体目的的技术。相比于传统的“减材”制造，增材
制造在成型过程中，不需要专用的夹具与模型，缩短了成型的加工周期与能源消耗，增加了
成型的生产效率与材料的利用率。增材制造又被称为“3D打印技术”、“快速原型制造技术”
等等。
冷金属过渡焊接技术(CMT)是一种没有焊渣飞溅的新型焊接技术，这种工艺技术
是将焊丝的运动与焊接过程结合起来，在熔滴短路时，焊机得到短路信号后会切断电流，同
时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，实现熔滴的冷过渡，在熔滴从焊丝上滴落之后，数字控制
系统再次提高焊接电流，并进一步将焊丝向前送出。之后，重新生成焊接电弧，开始新一轮
的焊接过程。这种“冷-热”之间的交替变化大大降低了焊接热的产生，并减少了焊接热在被
焊接件中的传导，消除了飞溅现象。该技术极大的提高了焊接的生产能力，并可有效保证被
焊件的焊接质量。而CMT增材制造是指基于冷金属过渡焊接技术的增材制造方法。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观
(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合
材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。随着工业的发展，对结构材料的
综合性能要求不断提高，单一的结构材料已经不能满足现代工业的发展，为了满足结构轻
型化、结构功能一体化和低成本设计与制造的发展要求，综合利用不同材料的性能优势，将
具有不同特性的材料组合在一起已经变成应有的趋势。
在CMT增材制造过程中配合异种材料，可以显著提升结构件性能。陶瓷材料具有硬
度高、密度小的优点，抗冲击性能强，在外来物撞击陶瓷复合材料的瞬间，撞击产生的超压
冲击波沿着陶瓷复合材料和外来物传播，造成两者损坏，高硬度陶瓷可以产生较大的反作
用力，降低外来物速度。
在工业生产中可以达到多种要求，可以探究高抗冲击结构及其制造技术，形成高
抗冲击结构设计方法及其制造工艺技术能力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术问题，提供一种利用CMT增材制造制作复合材料
构件的方法。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
该方法为：
以陶瓷为增强材料，配合在金属外壳中，并复合至CMT增材制造形成的具有凹槽结
构的构件中，制造复合材料构件。
该方法具体为：
步骤一：根据陶瓷增强材料尺寸，机械加工制造内部留有空腔的金属外壳；
步骤二：通过CMT增材制造，制造出具有凹槽结构的构件；
步骤三：将陶瓷增强材料配合至金属外壳空腔中，并对金属外壳整体进行封闭；
步骤四：将配合陶瓷增强材料后的金属外壳，放置在增材制造构件时留出的凹槽
结构内，并使其紧密配合；
步骤五：在紧密配合金属外壳的构件上，再进行CMT增材制造，使得配合有陶瓷增
强材料后的金属外壳被覆盖，完成增材制造制作复合材料构件。
步骤一中，陶瓷增强材料是尺寸为直径为3mm—10mm的陶瓷球。陶瓷球与增材制造
金属构件的体积比例不超过23％。
步骤一中，金属外壳为圆柱形金属外壳。
步骤二中，CMT增材制造具体为：
1、准备与焊丝焊接性相匹配的基板；
2、将基板进行表面处理，以清除基板表面的氧化层、油渍和污垢；
3、利用夹具将基板固定在操作台上，通过CMT增材制造构件，并选择指定位置留出
凹槽结构空缺。
其中，选择指定位置是指在陶瓷球与增材制造金属构件的体积比例不超过23％的
条件下，在增材制造构件的上表面均匀分布。
步骤二中，CMT增材制造焊丝的材料与金属外壳的材料相同；CMT增材制造采用的
焊丝类型为304不锈钢、316L不锈钢或者含氮量在0.8％以上的高氮钢奥氏体镍铬合金焊
丝。
步骤三中，对金属外壳整体进行封闭为焊接、自锁结构或螺栓。
陶瓷增强材料包括碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硼陶瓷以及硬质合
金陶瓷。
优选的，步骤五中，覆盖金属外壳时，覆盖高度为陶瓷球直径的1.7倍至2.3倍。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：
1、本发明利用增材制造制作复合材料构件，构件近净成型，机加余量小，材料利用
率高；相比传统工艺，复杂零件制造工艺流程大大缩短；制作复合材料构件的方法便捷高
效，应用前景很广。
2、由于陶瓷材料本身所具有的高硬度、高抗压强度、相对低的密度等优点，在金属
构件中复合陶瓷材料，可以有效的提高构件的抗冲击能力，结构件的防护系数可以增大
16％-20％以上。
3、圆柱形的金属外壳便于结构件与金属外壳之间的紧密配合，球形陶瓷可以使得
复合结构件每个方向都可以提高抗冲击能力。
4、本发明利用增材制造可实现多种材料任意复合制造，可以根据不同需求，选择
不同的配合材料制造复合构件，提升结构件的不同性能。
附图说明
图1是紧密配合陶瓷球的圆柱形金属壳示意图。
图2是增材制造复合构件示意图。
其中：1、增材制造基板；2、增材制造构件；3、凹槽结构；4、金属外壳；5、增材制造复
合构件；6、CMT焊枪及焊丝。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的连接方法，下面将结合实施例和附图来详细说明本发
明所涉及的方法。
不锈钢—陶瓷复合材料构件具体实施方式：
步骤一：金属外壳材料为高氮奥氏体不锈钢，加工金属外壳为直径10mm、长12mm的
圆柱形金属外壳，其分为上下两个部分，并且上下配合面光滑，在金属壳内部留有直径8mm
的球形空腔，如图1为该圆柱型金属外壳的示意图。
步骤二：选取1块300mm×300mm×15mm的ER304不锈钢板材作为基板，选用直径为
1.2mm的氮含量0.85％的高氮奥氏体不锈钢焊丝。如图2中所示，试验前通过砂轮机对基板1
表面进行打磨去除氧化层处理，并用无水酒精和丙酮清洗干净。
步骤三：基于CMT焊接技术，采用Fronius焊机一元化参数设置，选取如下工艺参
数：焊接速度35cm/min，5.5cm/min的送丝速度、电流170A、电压11.2V、保护气为97.5％氩气
+2.5％氧气，送气速度为18L/min，焊道之间层间间隔时间为90s。增材制造构件尺寸为60mm
×60mm×2.5mm的样品，如图2中所示。在增材制造过程中在外表面留有4个直径10mm、长
12mm的圆柱形凹槽空缺。
步骤四：将直径10mm的球形碳化硅陶瓷材料配合在金属壳的空腔之中，并利用钎
焊将金属壳的上下两个部分进行焊接，使其紧密连接。
步骤五：将圆柱形金属壳配合在增材制造样品所留出的凹槽空缺位置，并使其紧
密配合，尽可能的减少其间空隙。
步骤六：依次重复步骤四、五，在其余3个凹槽空缺处分别配合内嵌球形陶瓷的圆
柱型金属壳。
步骤七：最后再通过CMT增材制造将金属外壳覆盖，增材制造样品尺寸为60mm×
60mm×2.5mm。最终得到配合内嵌球形陶瓷的高氮钢增材制造结构件，样品尺寸为60mm×
60mm×5.0mm。