权利要求
1.一种金属复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.取由机械加工方法加工成不同结构形状的主金属基材，然后在所述主金属基材的需要3D打印的表面进行去氧化层处理，进入S2;
S2、通过3D打印在所述主金属基材熔接与所述主金属基材相同材质的复合过渡层，且所述复合过渡层由多个强度结构构成，得到主金属与复合过渡层复合的主金属-复合过渡层复合结构，将在所述主金属-复合过渡层复合结构中具有所述复合过渡层的一侧面定义上表面，对上表面进行去氧化层清洁干燥处理;
S3、通过压铸工艺在模具内将熔融状态的辅金属与所述主金属-复合过渡层复合结构的上表面相结合，得到复合金属胚料，且所述辅金属的熔点低于所述主金属基材的熔点;
S4、对S2得到的复合金属胚料进行热处理强化，最终得到所述金属复合结构;
在所述S2具体由如下步骤进行：
S2.1、在氧气含量为4000ppm以下，将复合过渡层的基材粉末和所述主金属基材加热至100℃~110℃;
S2.2、在激光功率为100W~300W、扫描速度为500mm/s~1200mm/s、光斑直径为70μm~100μm、脉冲频率为50Hz~200Hz、脉冲宽度为50ns~150ns、打印的每层厚度不大于0.05mm、打印速度为500mm/s~1200mm/s、打印温度为1200℃~1500℃的条件下，打印所述复合过渡层;在打印完成后落粉，在氧气含量为4000ppm以下室温冷却，得到主金属-复合过渡层复合结构;
S2.3、对S2.2得到的主金属-复合过渡层复合结构进行去酸洗去除氧化层，再进行超声波水洗清洁，最后风切干燥处理;
所述S3具体为：将S2.2得到的主金属-复合过渡层复合结构放入压铸模具，压铸温度为500℃~800℃，在惰性气体保护且压铸压力为80MPa~120MPa、压铸时间为150s~220s的条件下，将在熔化炉中的辅金属熔融液添加至模具注射口，通过模具注射至固态的所述主金属-复合过渡层复合结构的上表面，得到复合金属胚料。
2.根据权利要求1所述的金属复合结构的制备方法，其特征在于：在所述复合过渡层中，所述强度结构呈矩阵分布;
所述复合过渡层的厚度为0.1mm~3mm;
所述强度结构为根据需求特征及强度通过3D软件进行编辑的强度结构。
3.根据权利要求1或2所述的金属复合结构的制备方法，其特征在于：在所述S1具体由如下步骤进行：
S1.1、取由机械加工方法加工成不同结构形状的主金属基材;
S1.2、去除S1.1得到的主金属基材的上表面进行去氧化层处理，然后再对主金属基材进行整体清洗干燥。
4.根据权利要求3所述的金属复合结构的制备方法，其特征在于，所述S4具体为：对S2得到的复合金属胚料进行T4热处理和T6热处理，最终得到所述金属复合结构。
5.根据权利要求4所述的金属复合结构的制备方法，其特征在于：所述T4热处理的处理温度为500℃~550℃，处理时间为0.4h~0.6h;
所述T6热处理的处理温度为150℃~200℃，处理时间为2.8h~3.3h。
6.根据权利要求1或2所述的金属复合结构的制备方法，其特征在于：所述主金属基材的材料为钛或不锈钢。
7.根据权利要求1或2所述的金属复合结构的制备方法，其特征在于：所述辅金属的材料为
铝合金或镁合金。
8.一种金属复合结构，其特征在于：采用如权利要求1至7任意一项所述金属复合结构的制备方法制备得到。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属
复合材料科学与工程技术领域，特别涉及一种结合传统机械加工、3D打印与压铸工艺的金属复合结构以及该金属复合结构的制备方法，该金属复合结构可广泛应用于3C领域，如手持电话、平板电脑及手表等。
背景技术
[0002]复合金属材料是指利用复合技术将两种或多种化学、力学性能不同的金属在界面上实现冶金结合而形成的具有新性能的材料。复合金属材料一般主要分为主金属(如钛或不锈钢等)与辅金属(如铝合金等其他低成本金属)。
[0003]对于外观结构件主金属强度与硬度较高，可提供期望的外部装饰外观和刚度水平，但是相对较重和较贵，难以加工并且可能导致此种材料的浪费，而内部结构辅金属重量轻、成本低并且易于加工，但是不能提供期望的装饰外观且不耐刮擦。因此复合金属能够结合主金属与辅金属的优缺点，实现具有重量轻、成本低和易于加工，并且可以具有期望的装饰外观、硬度和耐刮擦性的优点。然而由于不同金属的变形程度和应力分布存在差异，这种不均匀性使复合金属在材料受到外力作用时，容易使结合较弱的区域出现分层、剥离等现象，影响材料的整体性能。
[0004]目前复合金属制造工艺主要有轧制复合、压铸复合和热等静压复合三大类，这三大类分别各有优缺点。
[0005]第一种、轧制复合是将两种或多种金属板材加热后通过轧机轧制，使它们在高压下结合在一起，这种方法工艺相对简单。但只适用于单一的平面结合，异型结构难度高难于实现，无法连续式生产;
第二种、压铸复合是将固态金属放入压铸模具中，在高温高压状态下将利用液态金属的流动性和浸润性，使其与固态金属表面接触通过扩散形成机械结合，凝固后与固态金属紧密连接从而实现两种金属的复合，该工艺可用来制作结构复杂的复合金属产品。然而由于不同金属的膨胀系数不一致，冷却过程中会导致结合层产生间隙、开裂等问题。
[0006]第三种、热等静压复合是通过热等静压结合在高温(一般为1000-2200℃)和高压(通常为100-200MPa)同时作用下进行的工艺过程，这种极端的条件下，两种金属在高温高压下会发生塑性变形和扩散，使得金属之间相互融合，该工艺能够消除两种金属材料结合中间内部的孔隙和缺陷。但是其设备结构复杂成本高昂，工艺条件苛刻难于控制，复合过程需要较长的保温保压时间生产效率低。
[0007]因此，针对现有技术不足，提供一种结合传统机械加工、3D打印与压铸工艺的金属复合结构以及该金属复合结构的制备方法以解决现有技术不足甚为必要。
发明内容
[0008]本发明的第一个目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种金属复合结构的制备方法。该金属复合结构的制备方法通过复合过渡层可以提高金属复合结构中的主金属与辅金属之间的结合强度。本发明的制备方法得到的金属复合结构能够广泛应用于3C领域，如手持电话、平板电脑及手表等。
[0009]本发明的上述目的通过以下技术措施实现：
提供一种金属复合结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.取由机械加工方法加工成不同结构形状的主金属基材，然后对所述主金属基材需要3D打印的表面进行去氧化层处理;
S2、通过3D打印在主金属基材熔接与所述主金属基材相同材质的复合过渡层，且所述复合过渡层由多个强度结构构成，得到主金属与复合过渡层复合的主金属-复合过渡层复合结构，将在所述主金属-复合过渡层复合结构中具有所述复合过渡层的一侧面定义上表面，对上表面进行去氧化层清洁干燥处理;
S3、通过压铸工艺在模具内将熔融状态的辅金属与所述主金属-复合过渡层复合结构的上表面相结合，得到复合金属胚料，且所述辅金属的熔点低于所述主金属基材的熔点;
S4、对S2得到的复合金属胚料进行热处理强化，最终得到所述金属复合结构。
[0010]在所述复合过渡层中，所述强度结构呈矩阵分布。
[0011]优选的，上述复合过渡层的厚度为0.1mm~3mm。
[0012]优选的，上述强度结构为根据需求特征及强度通过3D软件进行编辑的强度结构。
[0013]在所述S1具体由如下步骤进行：
S1.1、取由机械加工方法加工成不同结构形状的主金属基材;
S1.2、去除S1.1得到的主金属基材的上表面进行去氧化层处理，然后再对主金属基材进行整体清洗干燥。
[0014]优选的，上述S2具体由如下步骤进行：
S2.1、在氧气含量为4000ppm以下，将复合过渡层的基材粉末和所述主金属基材加热至100℃~110℃;
S2.2、在激光功率为100W~300W、扫描速度为500mm/s~1200mm/s、光斑直径为70μm~100μm、脉冲频率为50Hz~200Hz、脉冲宽度为50ns~150ns、打印的每层厚度不大于0.05mm、打印速度为500mm/s~1200mm/s、打印温度为1200℃~1500℃的条件下，打印所述复合过渡层;在打印完成后落粉，在氧气含量为4000ppm以下室温冷却，得到主金属-复合过渡层复合结构;
S2.3、对S2.2得到的主金属-复合过渡层复合结构进行去酸洗去除氧化层，再进行超声波水洗清洁，最后风切干燥处理。
[0015]优选的，上述S3具体为：将S2.2得到的主金属-复合过渡层复合结构放入压铸模具，压铸温度为500℃~800℃，在惰性气体保护且压铸压力为80MPa~120MPa、压铸时间为150s~220s的条件下，将在熔化炉中的辅金属熔融液添加至模具注射口，通过模具注射至固态的所述主金属-复合过渡层复合结构的上表面，得到复合金属胚料。
[0016]优选的，上述S4具体为：对S2得到的复合金属胚料进行T4热处理和T6热处理，最终得到所述金属复合结构。
[0017]优选的，上述T4热处理的处理温度为500℃~550℃，处理时间为0.4h~0.6h。
[0018]优选的，上述T6热处理的处理温度为150℃~200℃，处理时间为2.8h~3.3h。
[0019]优选的，上述主金属基材的材料为钛或不锈钢。
[0020]优选的，上述辅金属的材料为铝合金或镁合金。
[0021]本发明的一种结合传统机械加工、3D打印与压铸工艺的金属复合结构以及该金属复合结构的制备方法，其中金属复合结构的制备方法，S1.取由机械加工方法加工成不同结构形状的主金属基材，然后对所述主金属基材需要3D打印的表面进行去氧化层处理;S2、通过3D打印在主金属基材熔接与所述主金属基材相同材质的复合过渡层，且所述复合过渡层由多个强度结构构成，得到主金属与复合过渡层复合的主金属-复合过渡层复合结构，将在所述主金属-复合过渡层复合结构中具有所述复合过渡层的一侧面定义上表面，对上表面进行去氧化层清洁干燥处理;S3、通过压铸工艺在模具内将熔融状态的辅金属与所述主金属-复合过渡层复合结构的上表面相结合，得到复合金属胚料，且所述辅金属的熔点低于所述主金属基材的熔点;S4、对S2得到的复合金属胚料进行热处理强化，最终得到所述金属复合结构。本发明的有益效果：1.适用于异型结构：由于3D打印能够根据设计模型快速、准确地制造出具有任意复杂形状的复合过渡层，而压铸工艺又可以高效地将辅金属填充到复合过渡层中，形成最终金属复合结构，对于不同规格结构的3C产品都可以轻松实现，如手持电话、平板电脑及手表等，满足了多样化的设计制造需求。2.综合性能优异：主金属基材可通过传统机械大批量加工生产，具有良好的强度、耐腐蚀性和装饰性;而本发明的复合过渡层异型结构保证了其与主金属基材、辅金属的结合强度，复合过渡层易于编辑而且所需要材料用量少，加工效率高，因此实现智能制造;由于辅金属重量轻且易于加工，通过压铸工艺可以与复合过渡层紧密熔合;通过本技术方案将主金属与辅金属结合起来，能够充分发挥两种金属材料的优势，且不会有结合强度的问题。3.制造工艺简单化：与现有的传统金属复合材料加工工艺相比，本发明将主金属基材、复合过渡层和辅金属通过各自可轻松实现的工艺加工，复合后具备完美的结合强度，在保证了高可靠性的同时避免了传统加工工艺难度高的问题。简单成熟的制造工艺提高了产品的良率、降低了制造成本。
附图说明
[0022]图1为金属复合结构的结构示意图。
[0023]图2为另一金属复合结构的示意图。
[0024]图3为金属复合结构的截面示意图。
[0025]图4为图3中的主金属基材与辅金属交界的放大图。
[0026]图5为强度结构的示意图。
[0027]在图1至图5中，包括有：
主金属基材1、复合过渡层2、强度结构21、辅金属3。
具体实施方式
[0028]结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
[0029]实施例1、一种金属复合结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.取由机械加工方法加工成不同结构形状的主金属基材1，然后对主金属基材1需要3D打印的表面进行去氧化层处理，进入S2;
S2、通过3D打印在主金属基材1熔接与主金属基材1相同材质的复合过渡层2，且复合过渡层2由多个强度结构21构成，得到主金属与复合过渡层2复合的主金属-复合过渡层复合结构;将在主金属-复合过渡层复合结构中具有复合过渡层2的一侧面定义上表面，对上表面进行去氧化层清洁干燥处理;其中复合过渡层2由多个强度结构21构成，在复合过渡层2中，强度结构21呈矩阵分布，复合过渡层2的厚度为0.1mm~3mm;本发明的强度结构21为根据需求特征及强度通过3D软件进行编辑的强度结构21;
S3、通过压铸工艺在模具内将熔融状态的辅金属3与主金属-复合过渡层复合结构的上表面相结合，得到复合金属胚料，且辅金属3的熔点低于主金属基材1的熔点;
S3、通过压铸工艺在模具内将熔融状态的辅金属3与主金属-复合过渡层复合结构的上表面相结合，得到复合金属胚料，如图1至图4，且辅金属3的熔点低于主金属基材1的熔点。其中，主金属基材1的材料为钛或不锈钢，辅金属3的材料为铝合金或镁合金;
S4、对S2得到的复合金属胚料进行热处理强化，最终得到金属复合结构。
[0030]在本发明中，将主金属基材1与复合过渡层2熔接的侧面定义为上表面，那么强度结构21与主金属基材1熔接的一端即为底端，强度结构21远离主金属基材1的一端即为顶端，本发明的强度结构21的顶端最大宽度大于底端最大宽度。
[0031]本发明强度结构21通过3D打印熔接在主金属基材1的上表面，因此形成很好的结合强度。然后高温高压状态下，将辅金属3的熔融液高温高压注射至固态的主金属-复合过渡层复合结构的上表面，熔融液流入强度结构21之间空隙中形成填充融合，从而将这主金属基材1和辅金属3熔合，形成完整的具有强剥离力、强剪切力的复合金属材料，并通过热处理使两种金属达到一定的金属强度、硬度。本发明得到金属复合结构在后续机械加工与表面处理，可广泛应用于3C等多个领域，如手持电话、平板电脑及手表等。
[0032]本发明强度结构21的顶端最大宽度大于底端最大宽度的作用是，进一步提高剥离力。而本发明示意的强度结构21为上端大底端小的结构，在强度结构21的上端与底端之间形成卡插结构，从而与辅金属3形成紧密结构，因此能形成这种卡插结构的强度结构21即可作为本发明的强度结构21，如图5所示，本发明以图5的强度结构21为例进行说明。而且本发明的强度结构21表面还分布多个凸点，凸点的作用在辅金属3的熔融液填充后，进一步提高增强复合过渡层2的结合强度。
[0033]在S1具体由如下步骤进行：
S1.1、取由机械加工方法加工成不同结构形状的主金属基材1;
S1.2、去除S1.1得到的主金属基材1的上表面进行去氧化层处理，然后再对主金属基材1进行整体清洗干燥。
[0034]需要说明的是，本发明在S1的目的是在3D打印前去除打印结合面表层的油污、灰尘、氧化层等杂质，从而提高复合过渡层2与主金属基材1的连接强度。
[0035]在S2具体由如下步骤进行：
S2.1、在氧气含量为4000ppm以下，将复合过渡层2的基材粉末和主金属基材1加热至100℃~110℃;
S2.2、在激光功率为100W~300W、扫描速度为500mm/s~1200mm/s、光斑直径为70μm~100μm、脉冲频率为50Hz~200Hz、脉冲宽度为50ns~150ns、打印的每层厚度不大于0.05mm、打印速度为500mm/s~1200mm/s、打印温度为1200℃~1500℃的条件下，打印复合过渡层2;在打印完成后落粉，在氧气含量为4000ppm以下室温冷却，得到主金属-复合过渡层复合结构;
S2.3、对S2.2得到的主金属-复合过渡层复合结构进行去酸洗去除氧化层，再进行超声波水洗清洁，最后风切干燥处理。
[0036]S3具体为：将S2.2得到的主金属-复合过渡层复合结构放入压铸模具，压铸温度为500℃~800℃，在惰性气体保护且压铸压力为80MPa~120MPa、压铸时间为150s~220s的条件下，将在熔化炉中的辅金属3熔融液添加至模具注射口，通过模具注射至固态的主金属-复合过渡层复合结构的上表面，得到复合金属胚料。
[0037]S4具体为：对S2得到的复合金属胚料进行T4热处理和T6热处理，最终得到金属复合结构。T4热处理的处理温度为500℃~550℃，处理时间为0.4h~0.6h。T6热处理的处理温度为150℃~200℃，处理时间为2.8h~3.3h。
[0038]本发明得到的金属复合结构的剥离强度为5N/mm、剪切力为400Mpa-550Mpa，而主金属硬度280HV-340HV，金属复合结构的重量减轻约50%，良率99.8%。目前无复合过渡层2的轧制与压铸复合得到的金属复合结构的剥离强度为2N/mm，剪切力170Mpa-250Mpa。
[0039]该制备方法得到的金属复合结构，其主金属基材1位于外层，直接与外界环境接触，提供良好的耐磨性和硬度、高强度及外观装饰性;而辅金属3位于内层，与复合过渡层2的强度结构21相接触，辅金属3发挥其良好的易加工和导热与轻质特性;复合过渡层2位于中间，通过T型倒钩等其他的强度结构21，实现主金属基材1与辅金属3的紧密融合。在工作过程中，外层的主金属基材1承受外部的刮擦、碰撞等作用力，保护内部结构。内层的辅金属3可与其他结构件相连接，降低加工难度与减轻整体重量。复合过渡层2通过3D编辑形成任意形状的特殊结构，增加了主金属基材1与辅金属3之间的物理结合力，确保了整体稳定性和可靠性。
[0040]该金属复合结构的制备方法的有益效果：1.适用于异型结构：由于3D打印能够根据设计模型快速、准确地制造出具有任意复杂形状的复合过渡层2，而压铸工艺又可以高效地将辅金属3填充到复合过渡层2中，形成最终金属复合结构;对于不同规格结构的3C产品，如手持电话、平板电脑及手表等，都可以轻松实现，满足了多样化的设计制造需求。2.综合性能优异：主金属基材1可通过传统机大批量加工生产，具有良好的强度、耐腐蚀性和装饰性;而本发明的复合过渡层2异型结构保证了其与主金属基材1、辅金属3的结合强度，复合过渡层2易于编辑而且所需要材料用量少，加工效率高，因此实现智能制造;由于辅金属3重量轻且易于加工，通过压铸工艺可以复合过渡层2紧密熔合;通过本技术方案将主金属与辅金属3结合起来，能够充分发挥两种金属材料的优势，且不会有结合强度的问题。3.制造工艺简单化：与现有的传统金属复合材料加工工艺相比，本发明将主金属基材1、复合过渡层2和辅金属3通过各自可轻松实现的工艺加工，复合后具备完美的结合强度，在保证了高可靠性的同时避免了传统加工工艺难度高的问题。简单成熟的制造工艺提高了产品的良率、降低了制造成本。
[0041]实施例2、一种金属复合结构，由实施例1的金属复合结构的制备方法制备得到。
[0042]该金属复合结构的主金属基材1位于外层，直接与外界环境接触，提供良好的耐磨性和硬度、高强度及外观装饰性;辅金属3位于内层，与复合过渡层2的强度结构21相接触，辅金属3发挥其良好的易加工和导热与轻质特性;复合过渡层2位于中间，通过T型倒钩等其他的强度结构21，实现主金属基材1与辅金属3的紧密融合。在工作过程中，外层的主金属基材1承受外部的刮擦、碰撞等作用力，保护内部结构。内层的辅金属3可与其他结构件相连接，降低加工难度与减轻整体重量。复合过渡层2通过3D编辑形成任意形状的特殊结构，增加了主金属基材1与辅金属3之间的物理结合力，确保了整体稳定性和可靠性。
[0043]该金属复合结构的主金属基材1可通过传统机械大批量加工生产，具有良好的强度、耐腐蚀性和装饰性，辅金属3重量轻且易于加工，本发明的金属复合结构通过将主金属与辅金属3结合起来，能够充分发挥两种金属材料的优势，且不会有结合强度的问题且而能减少主金属基材1的用量，实现重量减轻约50%，且良率99.8%。该金属复合结构适用于不同规格结构的3C产品，如手持电话、平板电脑及手表等，满足了多样化的设计制造需求。
[0044]最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
说明书附图(5)
声明：
“复合金属结构及制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：广州众山精密科技有限公司
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2025年04月25日 ~ 27日 
