CN101514438A - 沉积制备非均质件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沉积制备非均质件的方法，采用气动式按需熔滴喷射方法得到均匀金属熔滴；采用超声振动毛细管微量给粉方法实现给粉。根据零件的数字模型，运用层面算法提取出零件每层的几何信息和材料信息，同时生成每层层面对应的基板运动轨迹，通过编程实现对基板运动、熔滴喷射和粉末沉积三者协调控制，从而完成非均质件的制备。由于将熔滴和粉体直接结合在一起，无需进行二次烧结就可以得到非均质件；无需进行高温固态渗透烧结，只要将其中一种金属加热到熔点以上保证顺利喷射即可，将非均质件的制备温度由现有技术的1300～1600℃降低到1000℃以内，对设备要求较低。同时可根据零件的特殊使用要求，按需进行定点、定量喷射，实现理想非均质件制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种沉积制备非均质件的方法，特别是熔滴/粉末联合沉积制备非均质件的方法。
背景技术
文献“R.Melcher，S.Martins，N.Travitzky，P.Greil.Fabrication of Al2O3-based composites byindirect 3D-printing.Materials Letters.2006，60：572-575”公开了一种间接三维打印制备铝基陶瓷金属复合材料的方法。该方法需要经过制粉→三维打印→脱脂烧结→二次浸渗烧结，将其他金属粉体渗透至多孔试样最终得到致密件。制粉需要将Al2O3和糊精、分散剂等粉末经过混合、干燥、球磨和筛选等多道工序。然后进行三维打印制备初始态坩埚，其中用于粘接粉末的液滴为蒸馏水。初始态坩埚逐步加温进行脱脂烧结，然后在最高的1600℃环境中保温4h，冷却后得到多孔状的中间态坩埚。最后将Cu和CuO的混合物放置在中间态坩埚中，在真空环境以1300℃保温1.5h进行Cu-O混合物渗透的二次烧结，从而制备得到致密的Al2O3/Cu的铝基陶瓷金属复合材料坩埚。采用该方法首先需要制粉、然后三维打印制备原型，最后进行两次烧结，其中制粉就需要混合、干燥、球磨和筛选等多到工序来完成，制备过程比较复杂。两次加热温度分别达到了1600℃和1300℃，同时需要长时间保温，对设备要求较高。
发明内容
为了克服现有技术沉积制备非均质件制备温度高、需要二次烧结的不足，本发明提供一种沉积制备非均质件的方法，将熔滴和粉体直接结合一次成型，无需进行二次烧结就可以得到非均质件；制备过程只要将其中的一种金属加热到熔点以上保证顺利喷射即可，可以有效降低制备温度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种沉积制备非均质件的方法，其特点是包括下述步骤：
(a)把待熔化的型材放入坩埚内，将粉体放入粉斗中并密封粉斗；
(b)对真空室进行抽真空后充入氩气，使真空室内压强和大气压保持一致，真空室内的氧含量达到10ppm以下；
(c)开启振动给粉控制模块，保证毛细管中随时有粉体可以顺利喷射沉积；
(d)开启加热控制模块，将环形加热炉升温至800～900℃并保温，使坩埚内的型材完全融化；平板加热炉升温至200～300℃保证层面之间不出现冷隔层；
(e)通过工控机对振动给粉控制模块、熔滴喷射控制模块和基板进行协调控制预备非均质件的制备；
(f)对每个层面进行二维网格划分，形成单元，定义每个单元的坐标位置和材料属性，在每一个层面制备过程中，根据每个单元的材料属性沉积熔滴或者粉体，并且要求熔滴和粉体的体积相等；
(g)完成一个层面的制备后，基板向下运动一个层面的厚度，然后进行下一个层面的沉积，逐层堆积，完成整个非均质件的制备；
(h)对零件进行热处理以消除单元间的冷隔层。
本发明的有益效果是：由于将熔滴和粉体直接结合在一起，无需进行二次烧结就可以得到非均质件；无需进行高温固态渗透烧结，只要将其中一种金属加热到熔点以上保证顺利喷射即可，将非均质件的制备温度由现有技术的1300～1600℃降低到1000℃以内，对设备要求较低。同时可根据零件的特殊使用要求，按需进行定点、定量喷射，实现理想非均质件制备。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
附图是本发明沉积制备非均质件的方法所用装置示意图。
图中，1-真空室；2-CCD摄像机；3-振动给粉控制模块；4-粉体；5-超声换能器；6-毛细管；7-输粉管；8-粉体输送控制开关；9-粉斗；10-回收槽；11-环形加热炉；12-坩埚；13-泄气开关；14-熔滴喷射控制模块；15-熔滴；16-非均质件；17-平板加热炉；18-基板；19-加热控制模块；20-工控机。
具体实施方式
实施例1：参照附图。把Al型材放入坩埚12内，将Ti粉体放入粉斗9中，密封粉斗9。
对真空室1进行抽真空后充入氩气，使真空室1内压强和大气压保持一致，循环操作两次，使氧含量达到10ppm以下，防止Al型材在加热熔化后发生氧化。
开启振动给粉控制模块3，打开粉体输送控制开关8，使Ti粉通过输粉管7进入毛细管6；当毛细管6内粉体较少时，再次开启输粉控制开关8对毛细管6进行补粉。启动超声换能器5对毛细管6施加振动，使粉体充满毛细管6并能稳定给粉，随后停止振动，通过CCD摄像机2对给粉过程进行监控。该调试过程中回收槽10要置于毛细管6下方，对调整过程中流出的粉体4进行回收。
开启加热控制模块19，对环形加热炉11和平板加热炉17进行加热，要求把环形加热炉11升温至900℃并保温，使坩埚12内的Al型材完全融化；平板加热炉17加热至300℃，防止熔滴15或粉体4沉积后冷却太快而出现冷隔层。
当坩埚12内的温度达到900℃时，启动熔滴喷射控制模块14，将回收槽10移至坩埚12下方，对调试喷射的熔滴进行回收，调节泄气开关13以获得均匀颗粒。通过CCD摄像机2对熔滴喷射过程进行实时监控。
基板达到预定温度300℃后，通过工控机20对振动给粉控制模块3、熔滴喷射控制模块14和基板18进行协调控制。为保证制备精度，沉积距离要求控制在2厘米以下。将层面厚度设定为100μm，即完成一个层面的沉积后，基板沿Z轴下降100μm的距离后再进行第二层的沉积。
对零件模型进行切片处理，将每个切片进行二维网格划分形成单元，并对每个单元赋予不同的材料信息。
制备第一层面时，对于要求沉积Al的单元，将基板18移至坩埚12的喷嘴下方。启动熔滴喷射控制模块14，对欲沉积单元位置喷射1颗Al熔滴。若某个单元需要沉积Ti粉，则将该沉积单元位置移至毛细管6的下方，启动振动给粉控制模块3实现2s的振动给粉。保证喷射1颗Al熔滴的体积与振动2s给粉体积相等。对离散的单元进行逐点沉积，由点成线，再由线成面即完成第一层面的制备。
完成第一个层面的沉积后，基板18沿Z轴向下运动100μm的层面厚度距离，进行第二层面的沉积。根据每个单元的材料信息，将单元位置移动至喷嘴或者毛细管下面进行沉积。
相邻且不同材料属性的单元内的物质会发生反应生成第三种物质——Ti-Al金属间化合物。
熔滴和粉体都可以定点微量提供，真正实现了按需定位，精确定量，通过点沉积进行平面构型、立体堆积，即可成型非均质件16。
根据需要选择对非均质件进行热处理以消除单元间的冷隔层。
实施例2：SiCp颗粒局部增强Mg基复合材料零件的制备。
要求制备上中下三段高度分别为10mm且各段增强体质量百分比不同的SiCp/Mg复合材料，其中上下两端SiCp增强体的体积百分比为15％，中间部位SiCp增强体的体积百分比为10％。根据零件的几何尺寸和材料信息进行三维建模，生成二维层面数据，层面厚度仍为100μm，因此每段的层面数都是100。然后根据层面数据生成基板运动的数控代码和液滴及粉体喷射的开关控制信号。
把Mg型材放入坩埚12内，将SiCp颗粒放入粉斗9中，密封粉斗9。
对真空室1进行抽真空后充入氩气，使真空室1内压强和大气压保持一致，循环操作两次，使氧含量在10ppm以下，防止Mg型材在熔化后发生氧化。
通过振动给粉控制模块3使毛细管6内充满SiCp增强体颗粒且能实现稳定给粉。通过CCD摄像机2对给粉过程进行监控。
开启加热控制模块19对环形加热炉11和平板加热炉17通电加热，其中要求把环形加热炉加热到800℃并保温，使坩埚内的Mg型材完全融化；平板加热炉加热至200℃，防止制备零件的层间出现冷隔。
启动熔滴喷射控制模块14，保证获得均匀熔滴。通过CCD摄像机2对熔滴喷射过程进行实时监控。
通过工控机20对振动给粉控制模块3、熔滴喷射控制模块14和基板18进行协调控制。对每一个单元进行等体积的熔滴或者粉末沉积。
首先进行SiCp增强体体积百分比为15％的底端的制备。要求在同一条沉积线上，沉积Mg熔滴的单元数与沉积SiCp颗粒的单元数之比为100∶15。为了保证材料混合均匀，含SiCp颗粒的单元要均匀分布在含Mg熔滴的单元中。
为防止增强体比例突然变化产生应力集中，下端向中间部位过渡区域的增强体的比例要求逐步变小，从下往上设定4层过渡层，即沉积第97层时：沉积Mg熔滴的单元数与沉积SiCp颗粒的单元数之比为100∶14，沉积第98、99、100过渡层时，沉积Mg熔滴的单元数与沉积SiCp颗粒的单元数之比为分别为(100∶13)，(100∶12)，(100∶11)。
然后进行SiCp增强体的体积百分比为10％的中段制备。SiCp增强体颗粒的比例要求为10％，保持沉积Mg熔滴的单元数与沉积SiCp颗粒的单元数之比为100∶10不变，沉积完成中间部分的制备。
中段向上端的过渡层从第197个层面开始，再次进行基体Mg熔滴和SiCp增强体颗粒比例的调整。将沉积Mg熔滴的单元数与沉积SiCp颗粒的单元数之比改为100∶11进行第197个层面层的沉积，第198、199、200过渡层沉积过程中，单元比例数分别为(100∶12)，(100∶13)，(100∶14)。
最后进行上端的沉积，SiCp增强体颗粒的比例要求为15％，保持沉积Mg熔滴的单元数与沉积SiCp颗粒的单元数之比为100∶15不变，沉积完成上端的制备。
根据需要选择对复合材料零件进行热处理以消除单元间的冷隔层。
Claims (1)
1、一种沉积制备非均质件的方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)把待熔化的型材放入坩埚内，将粉体放入粉斗中并密封粉斗；
(b)对真空室进行抽真空后充入氩气，使真空室内压强和大气压保持一致，真空室内的氧含量达到10ppm以下；
(c)开启振动给粉控制模块，保证毛细管中随时有粉体可以顺利喷射沉积；
(d)开启加热控制模块，将环形加热炉升温至800～900℃并保温，使坩埚内的型材完全融化；平板加热炉升温至200～300℃保证层面之间不出现冷隔层；
(e)通过工控机对振动给粉控制模块、熔滴喷射控制模块和基板进行协调控制预备非均质件的制备；
(f)对每个层面进行二维网格划分，形成单元，定义每个单元的坐标位置和材料属性，在每一个层面制备过程中，根据每个单元的材料属性沉积熔滴或者粉体，并且要求熔滴和粉体的体积相等；
(g)完成一个层面的制备后，基板向下运动一个层面的厚度，然后进行下一个层面的沉积，逐层堆积，完成整个非均质件的制备；
(h)对零件进行热处理以消除单元间的冷隔层。
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