CN110117727A - 一种基于3d打印技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法，本发明根据3D打印的层层堆积原理，将增强体材料和金属粉末预先按照一定的比例混合，然后再进行铺层固化操作，使材料初步粘结杂一起，再进行相应的后处理，使材料的整体性能得到提升；本发明能够实现增强体颗粒的均匀分布，从而避免偏析现象的产生。

Description

一种基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料是碳化物、氮化物、石墨等颗粒增强金属或合金基体的金属基复合材料的统称。这类复合材料的组成范围宽广，可根据工作的工况要求选择基体金属和增强颗粒，常选用的颗粒有碳化硅、碳化钛、碳化硼、碳化钨、氧化铝、氮化硅、硼化钛、氮化硼及石墨等，金属基体有铝、镁、钛、铜、铁、钻等及其合金。典型的颗粒增强金属基复合材料有SiCp/Al，Al2O3/Al，SiCp/Mg，B4Cp/Mg，TiC/Ti，WC/Ni等。制造方法有粉末冶金法、铸造法、真空压力浸渍法和共喷射沉积法。可以直接做成零件，也可做成铸锭后进行热挤压、锻造、轧制等。
传统的颗粒增强金属基复合材料制备方式是将增强体加入熔融的金属液中进行不断的搅拌，浇注冷却成型，但是增强体粉末加入后难以分散均匀，容易产生偏析，即合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象，从而严重影响其产品的性能。本领域技术人员一直在研究开发一种能够有效解决其偏析现象的问题，但未有良好的效果。结合现有的增材制造技术的发展，将增材制造技术的离散-堆积原理运用于颗粒增强金属基复合材料制备过程中，能够有效的解决这一技术难题，能够实现增强体颗粒的均匀分布，从而避免偏析现象的产生，提高产品的性能。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法。本发明能够实现增强体颗粒的均匀分布，从而避免偏析现象的产生。
本发明的技术方案如下：
一种基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)选择基体材料：选取一定规格的金属粉末材料；
(2)选择增强材料：选取一定规格的增强体材料；
(3)将步骤(1)与步骤(2)中的材料充分混合；
(4)利用物理或者化学方法将工作平台粗糙化处理；第一层金属粉末在平台上附着时，不容易附着，将平台粗糙化处理，有助于底层第一层金属附着。设备可用现有的金属3D打印设备。
(5)在粗糙化处理的工作平台上铺设步骤(3)制得的混合材料；混合比例根据材料所需的性能来决定。
(6)利用辐射的方式将步骤(5)的材料加热处理，工作平台下移；因为镁、铝、锌金属粉末或者其混合粉末或者其合金粉末的熔点相对较低，可以加热的方式将金属熔化；也可以选用激光射线的方式，使金属熔化，优选激光烧结的方式。
(7)重复步骤(5)和(6)操作直至完成坯料制作；利用3D技术将混合粉末初步固定，形成坯料使得金属材料和增强体材料均匀分布，避免成分偏析。传统方式是将金属材料熔化，在一定温度下加入增强体颗粒，在金属液中增强体容易团聚而分散不均匀，容易造成成分偏析；利用将金属粉盒增强体颗粒充分混合，再利用激光烧结的方式进行固化处理，形成的材料成分比较均匀，从而能够避免成分偏析的现象。
(8)将步骤(7)所得坯料在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；
(9)将步骤(8)所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。步骤(8)与步骤(9)是颗粒增强金属基复合材料的常用热处理方法。
步骤(1)中所述金属粉末材料为镁、铝、锌金属粉末中的一种或者其混合粉末或者其合金粉末；所述金属粉末材料的平均粒径为5-60μm；步骤(2)中所述的增强体粉末材料为SiC纳米颗粒、AlN纳米颗粒、B4C纳米颗粒、Mg2Si纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒，所述增强体粉末平均粒径为10～100nm。
所述步骤(4)～(7)在真空环境或者惰性气体保护条件下完成。
步骤(4)中所述物理或者化学方法为：机械打磨或电化学腐蚀。
步骤(6)中所述辐射方式为激光射线或辐射加热。
所述步骤(4)～(7)在保温环境下进行，所述保温温度范围为250～350℃。
本发明有益的技术效果在于：
本发明根据3D打印的层层堆积原理，将增强体材料和金属粉末预先按照一定的比例混合，然后再进行铺层固化操作，使材料初步粘结杂一起(避免了传统技术的直接加入，造成分散不均匀的现象)，再进行相应的后处理，使材料的整体性能得到提升；3D打印制备的零件致密度不高，容易产生空隙，或者材料之间发生化学反应的几率小，造成材料的整体力学性能不高，因此需要进行后处理(也就是，所得坯料在半固态温度下加热；所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形)。
本发明能够有效解决颗粒增强金属基复合材料加工过程中增强体材料均匀分布的问题，从而解决传统方法法制备增强体材料分布不均匀(团聚现象)，容易产生偏析的问题，提高产品的成品率，改善材料的性能，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明复合材料示意图；
图中：1、混合材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
以金属粉末为镁、铝、锌金属粉末或者其混合粉末或者其合金粉末为例，所述镁、铝、锌金属粉末或者其混合粉末或者其合金粉末平均粒径在5-60μm之间；步骤(2)中所述的增强体粉末材料为SiC纳米颗粒、AlN纳米颗粒、B4C纳米颗粒、Mg2Si纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒，所述增强体粉末平均粒径在10～100nm之间。
实施例1
(1)选择基体材料：选取平均粒径在5-60μm，纯度在99.5％以上的铝粉；
(2)选择增强材料：选取平均粒径在10～100nm，纯度在99.5％以上的SiC颗粒；
(3)将步骤(1)与(2)中的材料按照体积比例为SiC:铝粉为1:4的比例充分混合；
(4)利用激光烧结的方式将工作平台粗糙化处理；
(5)在粗糙化处理的工作平台上铺设步骤(3)中混合材料；铺粉方式为常用的3D打印机铺粉方式，如EOSM400的铺粉方式。
(6)利用激光将步骤(5)的材料烧结处理，工作平台下移；
(7)重复步骤(5)和(6)操作直至完成胚料制作；步骤(3)～(7)操作在氩气气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。
(8)所得胚料在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；
(9)所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
实施例2
(1)选择基体材料：选取平均粒径在5-60μm，纯度在99.5％以上的6061铝合金粉末；
(2)选择增强材料：选取平均粒径在10～100nm，纯度在99.5％以上的SiC颗粒；
(3)将步骤(1)和(2)中的材料按照体积比例为SiC：6061铝合金粉末为1:4的比例充分混合；
(4)利用激光烧结的方式将工作平台粗糙化处理；
(5)在粗糙化处理的工作平台上铺设步骤(3)中混合材料；铺粉方式为常用的3D打印机铺粉方式，如EOSM400的铺粉方式。
(6)利用激光将步骤(5)的材料烧结处理，工作平台下移；
(7)重复步骤(5)和(6)操作直至完成胚料制作；步骤(3)～(7)操作在氩气气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。
(8)所得胚料在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；
(9)所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
实施例3
(1)选择基体材料：选取平均粒径在5-60μm，纯度在99.5％以上的铝粉；
(2)选择增强材料：选取平均粒径在10～100nm，纯度在99.5％以上的B4C颗粒；
(3)将步骤(1)和(2)中的材料按照体积比例为B4C：铝粉为1:4的比例充分混合；
(4)利用激光烧结的方式将工作平台粗糙化处理；
(5)在粗糙化处理的工作平台上铺设步骤(3)中混合材料；铺粉方式为常用的3D打印机铺粉方式，如EOSM400的铺粉方式。
(6)利用激光将步骤(5)的材料烧结处理，工作平台下移；
(7)重复步骤(5)和(6)操作直至完成胚料制作；步骤(3)～(7)操作在氩气气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。
(8)所得胚料在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；
(9)所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
实施例4
(1)选择基体材料：选取平均粒径在5-60μm，纯度在99.5％以上的镁、铝、锌混合粉末；
(2)选择增强材料：选取平均粒径在10～100nm，纯度在99.5％以上的SiC颗粒；
(3)将步骤(1)和(2)中的材料按照体积比例为SiC：镁、铝、锌混合粉末为1:4的比例充分混合；
(4)利用激光烧结的方式将工作平台粗糙化处理；
(5)在粗糙化处理的工作平台上铺设步骤(3)中混合材料；铺粉方式为常用的3D打印机铺粉方式，如EOSM400的铺粉方式。
(6)利用激光将步骤(5)的材料烧结处理，工作平台下移；
(7)重复步骤(5)和(6)操作直至完成胚料制作；步骤(3)～(7)操作在氩气气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。
(8)所得胚料在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；
(9)所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
当然此种方式制备的颗粒增强金属基复合材料是一种坯料，后续还要经过比较复杂的后处理工艺，后处理工艺现在比较成熟，并且材料成分不同，需要达到的性能不同，后处理工艺有较大的区别，因此在这里没有详细的描述。

Claims (6)

1.一种基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)选择基体材料：选取一定规格的金属粉末材料；
(2)选择增强材料：选取一定规格的增强体材料；
(3)将步骤(1)与步骤(2)中的材料充分混合；
(4)利用物理或者化学方法将工作平台粗糙化处理；
(5)在粗糙化处理的工作平台上铺设步骤(3)制得的混合材料；
(6)利用辐射的方式将步骤(5)的材料加热处理，工作平台下移；
(7)重复步骤(5)和(6)操作直至完成坯料制作；
(8)将步骤(7)所得坯料在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；
(9)将步骤(8)所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属粉末材料为镁、铝、锌金属粉末中的一种或者其混合粉末或者其合金粉末；所述金属粉末材料的平均粒径为5-60μm；步骤(2)中所述的增强体粉末材料为SiC纳米颗粒、AlN纳米颗粒、B4C纳米颗粒、Mg2Si纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒，所述增强体粉末平均粒径为10～100nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)～(7)在真空环境或者惰性气体保护条件下完成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述物理或者化学方法为：机械打磨或电化学腐蚀。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中所述辐射方式为激光射线或辐射加热。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)～(7)在保温环境下进行，所述保温温度范围为250～350℃。
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