CN106216672A - 一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法 - Google Patents

一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法。其步骤包括：Bi‑Sn颗粒增强陶瓷基复合材料设计，陶瓷基材的确定及颗粒的准备，Bi‑Sn合金颗粒的制备与保存，成形件数模切片分层处理，成形件的激光增材制造，成形件的无损检测，以及后处理获得最终成形件。其具有成形零件内应力极小、综合性能强，综合成本低、成形件重量轻，表面光滑，能够满足使用要求、提高其使用寿命等优点。

Description

一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料增材制造成形技术领域，尤其涉及一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法。
背景技术
陶瓷材料通常都具有很高的硬度，非常适合于制造成机械零件。但是，它们又都有着一个重大的缺陷，即它们都有着很高的脆性，这使得它们很少被制造成机械零件。如果利用加入金属作为第二相来使得材料得到增韧，则问题可以获得解决。同轴送粉激光熔覆(LCD)是一种可以制造较大机械零件的增材制造技术。进行激光同轴送粉熔覆时，激光束、粉末输送、保护气体供给同步进行，可有效地提高熔覆层的质量和粉末利用率。然而，对于陶瓷材料，由于其脆性较高，并且有关的研究尚不多，因此，提出一种能够克服上述缺陷的制备方法具有重要的研究意义。
发明内容
针对现有技术中将金属与陶瓷材料相结合的制备方法存在的不足，本发明的目的在于：提供一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法，该方法具有成形零件内应力极小、综合性能强，综合成本低、成形件重量轻，表面光滑，能够满足使用要求、提高其使用寿命等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)首先进行Bi-Sn颗粒增韧陶瓷基复合材料的材料设计，确定陶瓷主材，其中陶瓷主材包括SiO2、Al2O3、Si3N4、TiC、TiN、TiC+TiN、h-NB、WC、长石、石英中任一种或其组合；
2)确定陶瓷基材的种类以及颗粒的准备，根据成形件的性能要求，确定采用何种陶瓷材料作为主料，其中陶瓷颗粒的粒径为30-300μm，将其颗粒放置于设置在增材制造机床的送粉器中，并进行烘干保温处理，保温时的温度为800-1000℃，留作备用；
3)采用雾化法Bi-Sn合金制备的颗粒，该合金颗粒的粒径为30-300μm，将其加热熔化至液态，熔化温度为139-232℃，将液态的Bi-Sn合金颗粒放置于设置在增材制造机床的激光器喷头附近的液态合金喷头中保温，留作备用，保温时的温度为80-100℃；
4)在计算机上利用CAD三维制图软件对金属件的STL三维模型进行切片分层处理，增材制造工艺参数输入至计算机中，层厚为0.3-3mm；计算机控制***控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；
5)计算机控制***控制3D打印机送粉器送粉，启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，对该步骤中的逐层切片分层进行成形，获得成形件，材料输送包括工控机控制陶瓷材料粉末的送粉量以及液态Bi-Sn合金的送液量，两者匹配以达到材料设计的成分要求，启动激光器进行陶瓷材料的选区熔化或者熔覆，过程中采用惰性气体保护，进行逐层加工，将液态Bi-Sn合金喷射到激光器的焦点附近，使其与熔融的陶瓷材料混合；其中，激光器的具体参数为：功率P＝400-10000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％，液态合金的加压喷射速率为50-200m/s，喷射的液滴直径范围为10-30μm，液态合金与陶瓷粉末的质量百分比为10-30％；
6)对上述步骤5)中的成形件进行无损检测，其中该无损检测的方法包括：扫描路径下成形材料熔化与凝固时的物理性状观察；扫描过程中温度场和残余应力场的三维分析与显示；陶瓷粉末熔化与凝固过程仿真，以及预测成形件的机械性能；进行成形件机械性能综合检测，同时与仿真结果进行对比；
7)完成上述步骤6)后，对金属成形件进行后处理得到最终金属成形件，后处理包括喷砂处理和/或抛光处理，使成形件的精度和表面粗糙度达到设计要求。
作为上述方案的进一步优化，上述步骤5)中所述陶瓷粉末的送粉方式采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。
作为上述方案的进一步优化，上述步骤5)中的激光器为二氧化碳激光器或者光纤激光器；惰性气体采用氮气或者氩气。
作为上述方案的进一步优化，上述步骤1)中所述的采用增韧金属材料还包括Co、Al、Mn、Zn或者Cr。
上述步骤1)中，单纯的陶瓷材料制造的成形件因脆性太大难以实用，提出采用金属材料颗粒增韧，同时亦可以增加其塑性和抗拉强度，例如采用Bi-Sn合金颗粒增韧，以下叙述均以其为例。可以用作增韧的金属材料还包括Co、Al、Mn、Zn、Cr或者它们的合金等。金属(合金)相在其中一方面起粘结剂的作用，另一方面可以增加材料整体的韧性等，从而获得优良的综合机械性能。它们在复合材料中所占的比例是材料设计需要考虑的，通常质量百分比约为10-30％。另外，采用Bi-Sn合金(共晶成分为Sn42Bi58，选择共晶点附近的成分)的另一个原因是其具有热缩冷涨的特性，与热胀冷缩的陶瓷材料复合在一起，可以大大减少复合材料中的内应力；
附图说明
附图1为一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法作具体说明。
一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)首先进行Bi-Sn颗粒增韧陶瓷基复合材料的材料设计，确定陶瓷主材，其中陶瓷主材包括SiO2、Al2O3、Si3N4、TiC、TiN、TiC+TiN、h-NB、WC、长石、石英中任一种或其组合；
2)确定陶瓷基材的种类以及颗粒的准备，根据成形件的性能要求，确定采用何种陶瓷材料作为主料，其中陶瓷颗粒的粒径为30-300μm，将其颗粒放置于设置在增材制造机床的送粉器中，并进行烘干保温处理，保温时的温度为800-1000℃，留作备用；
3)采用雾化法Bi-Sn合金制备的颗粒，该合金颗粒的粒径为30-300μm，将其加热熔化至液态，熔化温度为139-232℃，将液态的Bi-Sn合金颗粒放置于设置在增材制造机床的激光器喷头附近的液态合金喷头中保温，留作备用，保温时的温度为80-100℃；
4)在计算机上利用CAD三维制图软件对金属件的STL三维模型进行切片分层处理，增材制造工艺参数输入至计算机中，层厚为0.3-3mm；计算机控制***控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；
5)计算机控制***控制3D打印机送粉器送粉，启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，对该步骤中的逐层切片分层进行成形，获得成形件，材料输送包括工控机控制陶瓷材料粉末的送粉量以及液态Bi-Sn合金的送液量，两者匹配以达到材料设计的成分要求，启动激光器进行陶瓷材料的选区熔化或者熔覆，过程中采用惰性气体保护，进行逐层加工，将液态Bi-Sn合金喷射到激光器的焦点附近，使其与熔融的陶瓷材料混合；其中，激光器的具体参数为：功率P＝400-10000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％，液态合金的加压喷射速率为50-200m/s，喷射的液滴直径范围为10-30μm，液态合金与陶瓷粉末的质量百分比为10-30％；
6)对上述步骤5)中的成形件进行无损检测，其中该无损检测的方法包括：扫描路径下成形材料熔化与凝固时的物理性状观察；扫描过程中温度场和残余应力场的三维分析与显示；陶瓷粉末熔化与凝固过程仿真，以及预测成形件的机械性能；进行成形件机械性能综合检测，同时与仿真结果进行对比；
7)完成上述步骤6)后，对金属成形件进行后处理得到最终金属成形件，后处理包括喷砂处理和/或抛光处理，使成形件的精度和表面粗糙度达到设计要求。
上述步骤5)中所述陶瓷粉末的送粉方式采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。上述步骤5)中的激光器为二氧化碳激光器或者光纤激光器；惰性气体采用氮气或者氩气。上述步骤1)中所述的采用增韧金属材料还包括Co、Al、Mn、Zn或者Cr。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)首先进行Bi-Sn颗粒增韧陶瓷基复合材料的材料设计，确定陶瓷主材，其中陶瓷主材包括SiO2、Al2O3、Si3N4、TiC、TiN、TiC+TiN、h-NB、WC、长石、石英中任一种或其组合；
2)确定陶瓷基材的种类以及颗粒的准备，根据成形件的性能要求，确定采用何种陶瓷材料作为主料，其中陶瓷颗粒的粒径为30-300μm，将其颗粒放置于设置在增材制造机床的送粉器中，并进行烘干保温处理，保温时的温度为800-1000℃，留作备用；
3)采用雾化法Bi-Sn合金制备的颗粒，该合金颗粒的粒径为30-300μm，将其加热熔化至液态，熔化温度为139-232℃，将液态的Bi-Sn合金颗粒放置于设置在增材制造机床的激光器喷头附近的液态合金喷头中保温，留作备用，保温时的温度为80-100℃；
4)在计算机上利用CAD三维制图软件对金属件的STL三维模型进行切片分层处理，增材制造工艺参数输入至计算机中，层厚为0.3-3mm；计算机控制***控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；
5)计算机控制***控制3D打印机送粉器送粉，启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，对该步骤中的逐层切片分层进行成形，获得成形件，材料输送包括工控机控制陶瓷材料粉末的送粉量以及液态Bi-Sn合金的送液量，两者匹配以达到材料设计的成分要求，启动激光器进行陶瓷材料的选区熔化或者熔覆，过程中采用惰性气体保护，进行逐层加工，将液态Bi-Sn合金喷射到激光器的焦点附近，使其与熔融的陶瓷材料混合；其中，激光器的具体参数为：功率P＝400-10000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％，液态合金的加压喷射速率为50-200m/s，喷射的液滴直径范围为10-30μm，液态合金与陶瓷粉末的质量百分比为10-30％；
6)对上述步骤5)中的成形件进行无损检测，其中该无损检测的方法包括：扫描路径下成形材料熔化与凝固时的物理性状观察；扫描过程中温度场和残余应力场的三维分析与显示；陶瓷粉末熔化与凝固过程仿真，以及预测成形件的机械性能；进行成形件机械性能综合检测，同时与仿真结果进行对比；
7)完成上述步骤6)后，对金属成形件进行后处理得到最终金属成形件，后处理包括喷砂处理和/或抛光处理，使成形件的精度和表面粗糙度达到设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法，其特征在于：上述步骤5)中所述陶瓷粉末的送粉方式采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。
3.根据权利要求1所述的一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法，其特征在于：上述步骤5)中的激光器为二氧化碳激光器或者光纤激光器；惰性气体采用氮气或者氩气。
4.根据权利要求1所述的一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法，其特征在于：上述步骤1)中所述的采用增韧金属材料还包括Co、Al、Mn、Zn或者Cr。
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