具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明所述的原位生成氮化铝增强铝基复合材料，由电弧熔丝增材制造工艺及搅拌摩擦加工工艺制备而成，所述电弧熔丝增材制造工艺中的保护气体为纯氮气或者氮气和氩气的混合气体；

复合材料中的氮化铝强化相通过电弧增材制造过程中Al与N反应原位生成，并通过搅拌摩擦加工将氮化铝充分破碎得到，其中，复合材料中含有弥散分布的氮化铝颗粒。

通过调节保护气体中氮气的含量，以调节复合材料中氮化铝颗粒的含量，使得复合材料中氮化铝的质量百分比A为0.16％～0.41％，其中，A为：

A＝-0.1597*B*B+0.7106*B-0.144

其中，B为混合气体中氮气含量，B≥50％。

通过调节搅拌摩擦加工工艺中搅拌头的旋转速度R_FSP及行走速度V_FSP，以控制搅拌摩擦加工后氮化铝的最大尺寸C，其中，C为：

C＝500-17.668(R_FSP/V_FSP)+0.15434(R_FSP/V_FSP)*(R_FSP/V_FSP)。

本发明所述的原位生成氮化铝增强铝基复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)确定待制备复合材料中氮化铝的含量及最大尺寸；

2)以熔化极气体保护焊电弧为热源，铝合金焊丝为原材料，铝合金板材作为堆积基板，纯氮气或者氮气和氩气的混合气体为保护气体，通过电弧熔丝增材制造进行增材堆积，形成沉积体，其中，保护气体中氮气的含量根据待制备复合材料中氮化铝的含量确定；

3)切除堆积基板，对沉积体的表面进行整平，得板材；

4)根据待制备复合材料中氮化铝的最大尺寸确定搅拌摩擦加工工艺中搅拌头的旋转速度R_FSP及行走速度V_FSP，再采用搅拌摩擦加工工艺对板材进行多道次搅拌摩擦加工，得原位生成氮化铝增强铝基复合材料。

步骤2)中，当采用的堆积方式为单道多层堆积时，堆积形成墙状沉积体；当采用的堆积方式为单层多道堆积，堆积形成薄块状。

电弧熔丝增材制造过程中的电流为90A-150A，电压为16V-22V，焊枪行走速度为15cm/分钟-50cm/分钟，氮气的流量为10L/分钟-20L/分钟；

步骤3)中，对沉积体的表面进行铣削加工整平，得厚度为4mm-7mm的板材。

多道次搅拌摩擦加工采用搭接的方式，搭接率OR为0-1，搭接率OR为：

OR＝(d_pi-l)/d_pi

其中，d_pi为搅拌针端部的直径，l为连续两道次之间中心线的距离。

多道次搅拌摩擦加工过程中搅拌头的转速为700r/min-2000r/min，搅拌头的行走速度为15cm/min-95cm/min。

实施例一

本发明所述原位生成氮化铝增强铝基复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)需要制备氮化物含量为0.4％、最大尺寸为2μm的铝基复合材料；

2)采用氮气保护进行电弧熔丝增材制造，制备沉积体；

步骤2)中，以直径为1.2mm的5356铝合金焊丝为原材料，以5083铝合金作为基板，基板厚度为3mm，以MIG电弧为热源，保护气采用纯氮气(99.99％N₂)，堆积方式为单道多层堆积，增材参数为电流102A，电压16.6V，焊枪行走速度为30cm/min，保护气流速13L/min。堆积过程中，每堆积一道采用钢刷清除焊道表面，使其露出金属光泽，随后进行下一焊道堆积，直至堆积完成。

3)采用线切割切掉沉积体的基板，随后采用铣床铣去沉积体表面的凹凸不平部分，使其变成平整的板材，铣削后的板材厚度为5.5mm；

4)对平整的板材进行多道次搅拌摩擦加工，得到氮化铝增强铝基复合材料。

步骤4)中，多道次搅拌摩擦加工采用搅拌头尺寸为：轴肩直径为24mm，搅拌针长度为3.5mm，搅拌针端部直径为5mm；搅拌摩擦加工参数为：搅拌头旋转速度为1180r/min，搅拌头行走速度为23.5cm/min。多道次搅拌摩擦加工采用搭接的方式，搭接率OR＝0，即两个搅拌摩擦加工道次中心线之间的距离为5mm，确保板材的每一部分都经过搅拌针的处理。

氮气保护电弧熔丝增材制造沉积体如图1a所示，由于沉积体逐层堆积的方式，使得表面凹凸不平，铣削后成为一个十分平整的板材，如图1b所示。搭接率OR＝0时，沉积体多道次搅拌摩擦加工表面形貌如图2所示。沉积体经过多道次搅拌摩擦加工得到的氮化铝增强铝基复合材料组织如图3所示，细小的氮化物颗粒均匀的分布在铝合金基体中，拉伸性能如图4所示，氮化铝增强铝基复合材料拉伸强度为343MPa，延伸率为24％，市场上与其成分相近的5083铝合金基板抗拉强度为295MPa，延伸率为31％，因此本发明制备得到的铝基复合材料的强度远超过与其成分相近的市售材料，同时拥有优异的塑性。

实施例二

本发明所述原位生成氮化铝增强铝基复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)需要制备得到氮化物含量为0.4％，最大尺寸为2μm的铝基复合材料；

2)采用氮气保护进行电弧熔丝增材制造，制备沉积体；

步骤2)中，以直径1.2mm的5356铝合金焊丝为原材料，以5083铝合金作为基板，基板厚度为3mm，以MIG电弧为热源。保护气采用纯氮气(99.99％N₂)。堆积方式为单层多道堆积，增材参数为：电流为102A，电压为16.6V，焊枪行走速度为30cm/min；堆积过程中，每堆积一道采用钢刷清除焊道表面，使其露出金属光泽，随后进行下一焊道堆积，直至堆积完成。

3)采用线切割切掉沉积体的基板，随后采用铣床铣去沉积体表面凹凸不平部分，使其变成平整的板材，铣削完板材厚度为5.5mm；

4)对平整的板材进行多道次搅拌摩擦加工，得到氮化铝增强铝基复合材料。

步骤4)多道次搅拌摩擦加工采用搅拌头尺寸为：轴肩直径为24mm，搅拌针长度为3.5mm，搅拌针端部直径为5mm。计算得到搅拌摩擦加工参数为：搅拌头旋转速度1180r/min，搅拌头行走速度23.5cm/min。多道次搅拌摩擦加工采用搭接的方式，搭接率OR＝0.5，即两个搅拌摩擦加工道次中心线之间的距离为2.5mm，确保板材的每一部分都经过搅拌针的处理。

搭接率OR＝0.5时沉积体多道次搅拌摩擦加工表面形貌如图5所示；沉积体经过多道次搅拌摩擦加工得到的氮化铝增强铝基复合材料组织如图6所示，细小的氮化物颗粒均匀的分布在铝合金基体中；拉伸性能如图7所示，氮化铝增强铝基复合材料拉伸强度为351MPa，延伸率为27％，市场上与其成分相近的5083铝合金基板抗拉强度为295MPa，延伸率为31％，因此本发明制备的铝基复合材料强度远超过与其成分相近的市售材料，同时拥有优异的塑性。

最后需要说明的是，本发明将电弧熔丝增材制造技术与搅拌摩擦加工技术相结合，充分利用两者的优势制备铝基复合材料。同时，铝基复合材料中氮化物数量及尺寸可调控。该铝基复合材料中的氮化铝通过电弧熔丝增材制造过程中Al与N反应生成得到。由于是在铝合金基体中原位生成的，氮化铝能够与铝合金基体很好的润湿，两者之间有效结合。但此时氮化铝在铝合金基体中的存在形式为层片状，且尺寸很大，长度可达500μm，这种大尺寸的氮化铝并不能有效起到强化作用。因此本发明采用搅拌摩擦加工的方式对沉积体进行处理，破碎沉积体中的氮化铝，使氮化铝能够更加均匀的分布在铝合金基体中。经过搅拌摩擦加工后氮化铝的形状变为颗粒状，尺寸大幅减小，最大尺寸仅为几微米，从而制备出具有高强度、优良塑性的氮化铝增强铝基复合材料。