CN108396165A - 一种三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维壳层陶瓷骨架‑金属基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料领域。本发明所述三维壳层陶瓷骨架‑金属基复合材料的结构为：在三维壳层陶瓷骨架的内部和外部填充有金属基体，其中，三维壳层陶瓷骨架整体为中空壳结构，互穿柱节点处呈球形、圆柱形或正方体形，三维壳层陶瓷骨架壁厚为0.5~3mm。本发明所述方法有效改善了金属液与陶瓷增强体浸渗困难的问题，而且壳层内外包裹有纯基体，拥有优异耐磨性的同时不损失复合材料的塑韧性。骨架节点处形状为球形、圆柱形及正方形，呈周期性分布，且烧结时可提供一定的连接强度，最大限度的发挥了骨架结构和基体的协同作用；本发明所述复合材料有望用于摩擦磨损工况领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料领域。
背景技术
陶瓷颗粒增强金属基复合材料表现出各种优异的性能，其中陶瓷颗粒均匀分布在金属基体中的复合材料对于特殊工况已不适用。而开发拥有特定结构的陶瓷预制体增强的金属基复合材料已是大势所需，能够最大限度的发挥陶瓷与金属基体的协同作用。但长期以来金属液与陶瓷预制体的浸渗难、陶瓷-金属基复合材料的塑韧性差及复杂陶瓷结构的设计制备等问题，都是从事金属基复合材料科研工作者们的心病。也是需要丞待解决的难题。
中国专利CN104874768A公布了3D打印空间结构制备构型复合材料的方法，该方法可以实现精确控制和大范围变化的空间结构复合材料的制备。但该方法制备的陶瓷骨架烧结过程及浇铸金属液时容易散架。陶瓷预制体节点处有一定的浸渗深度，且深度分布不均匀，金属浸渗困难，容易造成复合区产生缺陷，导致复合材料的塑韧性严重下降，且挤压铸造成本高。
中国专利CN101912957A公布了网络互穿型陶瓷-金属基复合材料及其制备方法，该方法所制备的SiC支架陶瓷筋直径5~10mm，支架十字交叉节点处与筋的浸渗厚度不一致，常压下金属液难以浸渗到陶瓷筋心部。并且蜡模制备支架可重复性差，效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料，其结构为：在三维壳层陶瓷骨架的内部和外部填充有金属基体，其中，三维壳层陶瓷骨架整体为中空壳结构，互穿柱节点处呈球形、圆柱形或正方体形，三维壳层陶瓷骨架壁厚为0.5~3mm。
所述球形节点的外径为3~8mm；圆柱形节点高为5~10mm，外径为3~8mm；正方体形节点边长为3~8mm；互穿柱长6~10mm，互穿柱的外径为3~5mm。
本发明的另一目的在于提供一种三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，主要解决金属液与陶瓷预制体浸渗困难、陶瓷-金属复合材料塑韧性差及陶瓷预制体容易散架的问题，具体包括以下步骤：
（1）结合CAD辅助设计出骨架模型，采用3D打印切片软件对模型切片处理，打印出塑料（PLA、ABS或尼龙）材质骨架模型。
（2）对步骤（1）得到的塑料骨架进行多次挂浆处理，使浆料层的厚度达到0.5~3mm，干燥固化，挂浆处理过程中浆料的成分及含量为：陶瓷粉占20~50wt%，金属粉占30~60wt%，粘结剂3~8wt%，其余部分为水。
（3）对步骤（2）中挂好浆料的塑料骨架烧结处理。
（4）将步骤（3）得到的三维壳层陶瓷骨架排放至所需形状的铸型中，浇注基体金属液得到三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料。
本发明步骤（2）中所述陶瓷粉为Al2O3、SiO2、ZrN、HfC中的一种，粒径为120~200目。
本发明步骤（2）中所述金属粉为还原铁粉、Cr、FeMn、Co、Ni或Al中的一种或几种按任意比例混合，粒径为150~250目。
本发明步骤（2）中所述粘结剂为水玻璃、PVA、桐油、环氧树脂+乙二胺中的一种或几种按任意比例混合。
本发明所述的基体金属液为ZGMn13、ZG65Mn、3Cr13中的一种。
本发明步骤（3）中烧结分为两个阶段：①塑料骨架烧除，烧结温度200~850℃，升温速率3~5℃/min，②三维壳层陶瓷骨架强化烧结成型，烧结温度850~1500℃，升温速率5~10℃/min，至1500℃时保温30~60min。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述方法生产成本低，金属液的浇注是在常压、无压或负压条件下完成，相对于挤压铸造而言降低了设备成本。
（2）结合3D打印可精确控制骨架的形状和大小，顺应产品的扩大化生产；首先通过CAD软件辅助设计所需的骨架形状，导入3D打印机中打印出相应的塑料骨架，其成型效果好精度高，可以完全按预设结构生成，且可重复性和生产效率高。
（3）陶瓷骨架呈规律有序分布在基体中，最大限度降低了可能会出现的陶瓷颗粒粘接导致的应力集中带来的失效破坏；与基体形成互锁结构，阻碍裂纹的萌生，充分发挥陶瓷与基体的优异性能；并且由于壳层骨架为薄壁结构，浇铸时骨架中添加的金属粉熔化，增加了孔隙率，金属液浸渗容易，浸渗深度相等，且形成壳层内外包裹有纯基体金属的复合材料，在拥有一定耐磨性的同时不损失复合材料的塑韧性。陶瓷骨架节点处为球、环形圆柱或正方中的一种，烧结过程中对互穿柱有一定的支撑作用，结构不易垮塌。该材料有望应用于摩擦磨损领域。
附图说明
图1为三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的结构形貌图示意图；
图2为三维壳层陶瓷骨架示意图。
图2中：a-节点，b-互穿柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的结构为：在三维壳层陶瓷骨架的内部和外部填充有金属基体，其中，三维壳层陶瓷骨架呈柱互穿结构，骨架本身为具有一定壁厚的中空结构，互穿柱节点处呈球形，球形节点的外径为5mm；互穿柱的外径为3mm，长6mm；三维壳层陶瓷骨架壁厚为1mm。
本实施例所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）结合CAD辅助设计出骨架模型，采用3D打印切片软件对模型切片处理，打印层厚0.1mm，制得PLA材质的塑料骨架模型。
（2）对步骤（1）得到的三维塑料骨架进行多次挂浆处理，使浆料层的厚度达到1mm，用CO2气体吹干固化；挂浆处理过程中浆料的成分及含量为：陶瓷粉（120目Al2O3）占20wt%；金属粉（150目Al粉+还原铁粉+Cr粉）占40wt%，其中金属粉中Al粉：还原铁粉：Cr粉=1:7:2；粘结剂（水玻璃+1wt%环氧树脂和乙二胺）占5wt%，其余部分为水。
（3）将步骤（2）得到的骨架移至烧结炉中，200~850℃逐渐升温烧除内部塑料骨架（排胶），其中200~650℃升温速率3℃/min，至650℃时保温20min，650~850℃升温速率5℃/min，PLA骨架被烧除，850~1500℃进行壳层陶瓷骨架的强化烧结处理，850~1050℃升温速率10℃/min，1050~1250℃升温速率6℃/min，1250~1500℃升温速率4℃/min，至1500℃时保温30min，使骨架拥有一定强度。
（4）将步骤（3）得到的三维壳层陶瓷骨架排放至所需形状的铸型中，浇注ZGMn13钢液得到三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料。
本实施例所述方法制备得到的材料组织致密，兼备基体良好的塑韧性和陶瓷颗粒优异的耐磨性，适合在受冲击磨损的工况下使用。
实施例2
本实施例三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的结构为：在三维壳层陶瓷骨架的内部和外部填充有金属基体，其中，三维壳层陶瓷骨架呈柱互穿结构，骨架本身为具有一定壁厚的中空结构，互穿柱节点处呈圆柱形，其中，圆柱形节点高为6mm，外径为6mm；互穿柱的外径为4mm，长8mm；三维壳层陶瓷骨架壁厚为2mm。
本实施例所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）结合CAD辅助设计出骨架模型，采用3D打印切片软件对模型切片处理，打印层厚0.15mm，制得ABS材质的塑料骨架模型。
（2）对步骤（1）得到的塑料骨架模型进行多次挂浆处理，使浆料层的厚度达到2mm，用CO2气体吹干固化，挂浆处理过程中浆料的成分及含量为：陶瓷粉（200目SiO2）占30wt%，金属粉（200目FeMn）占45wt%，粘结剂（PVA+0.8wt%环氧树脂和乙二胺）占6wt%，其余部分为水。
（3）将步骤（2）得到的骨架移至烧结炉中，200~850℃逐渐升温烧除内部塑料骨架（排胶），升温速率5℃/min，形成低强度的壳层骨架。850~1500℃进行壳层陶瓷骨架的强化烧结，850~1250℃升温速率8℃/min，1250~1500℃升温速率3℃/min，至1500℃时保温40min，使壳层骨架具有一定强度。
（4）将步骤（3）得到的三维壳层陶瓷骨架排放至所需形状的铸型中，浇注ZG65Mn钢液得到三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料。
本实施例所述方法制备得到的材料组织致密，兼备基体良好的塑韧性和陶瓷颗粒优异的耐磨性，适合在受冲击磨损的工况下使用。
实施例3
本实施例三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的结构为：在三维壳层陶瓷骨架的内部和外部填充有金属基体，其中，三维壳层陶瓷骨架呈柱互穿结构，骨架本身为中空结构，互穿柱节点处呈正方体形，其中正方体形节点边长为6mm，互穿柱的外径为5mm，柱长10mm；三维壳层陶瓷骨架壁厚为3mm。
本实施例所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）结合CAD辅助设计出骨架模型，采用3D打印切片软件对模型切片处理，打印层厚0.2mm，制得尼龙材质的塑料骨架模型。
（2）对步骤（1）得到的三维壳层陶瓷骨架进行多次挂浆处理，使浆料层的厚度达到3mm，用吹风机吹干固化，挂浆处理过程中浆料的成分及含量为：陶瓷粉（200目ZrN）占50wt%，金属粉（250目Co+Ni）占30wt%，粘结剂（桐油+0.5wt%环氧树脂和乙二胺）占8wt%，其余部分为水。
（3）将步骤（2）得到的骨架移至烧结炉中，200~850℃逐渐升温烧除内部塑料骨架（排胶），升温速率5℃/min，形成低强度的壳层骨架；850~1500℃进行壳层陶瓷骨架的强化烧结，其中，850~1250℃升温速率10℃/min，1250~1500℃升温速率5℃/min，至1500℃时保温60min，使壳层骨架具有一定强度。
（4）将步骤（3）得到的三维壳层陶瓷骨架排放至所需形状的铸型中，浇注3Cr13钢液得到三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料。
本实施例所述方法制备得到的材料组织致密，兼备基体良好的塑韧性和陶瓷颗粒优异的耐磨性，适合在受摩擦磨损的工况下使用。
Claims (8)
1.一种三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料，其特征在于：在三维壳层陶瓷骨架的内部和外部填充有金属基体，其中，三维壳层陶瓷骨架整体为中空壳结构，互穿柱节点处呈球形、圆柱形或正方体形，三维壳层陶瓷骨架壁厚为0.5~3mm。
2.根据权利要求1所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料，其特征在于：球形节点的外径为3~8mm；圆柱形节点高为5~10mm，外径为3~8mm；正方体形节点边长为3~8mm；互穿柱长6~10mm，互穿柱的外径为3~5mm。
3.权利要求1或2所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）结合CAD辅助设计出骨架模型，采用3D打印切片软件对模型切片处理，制备出塑料骨架模型；
（2）对步骤（1）得到的塑料骨架模型进行多次挂浆处理，使浆料层的厚度达到0.5~3mm，之后干燥固化，挂浆处理过程中浆料的成分及含量为：陶瓷粉占20~50wt%，金属粉占30~60wt%，粘结剂3~8wt%，其余部分为水；
（3）对步骤（2）中挂好浆料的陶瓷-塑料骨架烧结处理；
（4）将步骤（3）得到的三维壳层陶瓷骨架排放至所需形状的铸型中，浇注基体金属液得到三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料。
4.根据权利要求3所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述陶瓷粉为Al2O3、SiO2、ZrN、HfC中的一种，粒径为120~200目。
5.根据权利要求3所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述金属粉为还原铁粉、Cr、FeMn、Co、Ni、Al中的一种或几种按任意比例混合，粒径为150~250目。
6.根据权利要求3所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述粘结剂为水玻璃、PVA、桐油、环氧树脂+乙二胺中的一种或几种按任意比例混合。
7.根据权利要求3所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的基体金属液为ZGMn13、ZG65Mn、3Cr13钢中的一种。
8.根据权利要求3所述三维壳层陶瓷骨架-金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中烧结分为两个阶段：①塑料骨架烧除，烧结温度200~850℃，升温速率3~5℃/min，②三维壳层陶瓷骨架强化烧结成型，烧结温度850~1500℃，升温速率5~10℃/min，至1500℃时保温30~60min。
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