CN104174846B - 一种3d打印陶瓷基复合材料铌合金裙部的方法 - Google Patents

一种3d打印陶瓷基复合材料铌合金裙部的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种3D打印陶瓷基复合材料铌合金裙部的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)用CAD设计喷管三维实体模型，将模型切片处理得多层二维剖面，保存为STL文件，将数据传送到激光熔化快速成型系统；(2)将铌钨、铌钼或铌铼金属混合粉末以及有机粘接剂混合放入粉末缸；(3)清洗、活化、加热预处理喷管表面；(4)通入保护气；(5)预热工作台；(6)设计激光的扫描速度、烧结温度等，控制激光按照第一层截面信息进行烧结；(7)不断重复步骤6，直到堆积成三维实体零件；(8)高温焙烧。本方法高度技术集成，加工周期短，无需模具，可实现批量生产，采用保护气避免了粉体被氧化，制得的喷管具有优异的综合性能。

Description

一种3D打印陶瓷基复合材料铌合金裙部的方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷基复合材料铌合金裙部的方法，特别是涉及一种3D打印陶瓷基复合材料铌合金裙部的方法。
技术背景
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，陶瓷基体具有耐高温、高强度、高刚度、相对重量轻、抗腐蚀等优异性能，但是其致命的弱点是具有脆性，当材料处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效，与纤维复合后性能大大改善，被广泛地应用于火箭等航空航天、军事领域。但很多航空产品的工作条件及其苛刻，因而对材料或者是材料某些部位的性能提出了更高的要求，如喷管及活塞的裙部，由于承受较大的推力且不断摩擦，因此要求裙部材料必须具有良好的磨损性能、耐高温性能和抗热冲击性能。铌等元素具有超高的熔点和硬度，若能与陶瓷基复合材料复合则可以获得更加优异的综合性能。但是陶瓷材料热导率低、导电性差，抗热冲击能力弱，润湿性不好，与金属结构件连接较为困难。
申请号为201310259968.1的中国专利公开了一种陶瓷基复合材料与金属材料的石墨烯辅助钎焊方法，涉及陶瓷基复合材料与金属材料的钎焊方法。解决了现有陶瓷基复合材料与金属材料钎焊得到的焊接接头力学性能差的问题。钎焊方法：一、陶瓷基复合材料放入等离子体增强化学气相沉积设备进行等离子体表面处理；二、通入CH4气体调节流量，开启射频电源，调节射频功率沉积10～30min后，以Ar和H2为保护气体，冷却到室温，得到表面生长有石墨烯的陶瓷基复合材料；三、Ti基钎料置于待连接面之间，放入真空钎焊炉中进行钎焊，最后冷却至室温完成钎焊。采用本发明钎焊方法得到的陶瓷基复合材料与金属材料的连接体在室温下的抗剪强度可达到35Mpa。
申请号为200710093661.3的中国专利公开了一种制造金属/陶瓷连接基片的方法。将温度比铝或铝合金的液相线温度高5-200℃的铝或铝合金的熔融金属注入模具中，在对该模具进行冷却以使得熔融金属固化的时候，从高温侧向低温侧对注入模具中的熔融金属施加1.0-100千帕的压力，在将模具从液相线温度冷却至450℃的过程中，平均冷却速率设定为5-100℃/分钟，模具中的温度梯度设定为1-50℃/厘米。
以上两种发明一定程度上解决了陶瓷基复合材料与金属的连接问题，但是化学气相沉积法制备过程精确度差，可重复性差，速度慢，而且有大量尾气产生，污染环境，用模具制造生产效率低，不适合批量生产。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种3D打印陶瓷基复合材料铌合金裙部的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测出给定喷管的几何尺寸，设计铌合金的具体位置，用CAD画图软件画出铌合金骨架的三维实体模型，并用离散程序将模型进行切片处理得实体模型的多层二维剖面，并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到选择性激光熔化快速成型系统；
(2)将铌和其他金属的混合粉末以及有机粘接剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，向成型缸内通入保护气体，其他金属为钨、钼或铼；
(3)采用化学溶剂对陶瓷基复合材料喷管表面进行清洗、活化、加热预处理；
(4)将给定喷管放在工作台面上对应铌合金骨架中心的位置，用支架系统固定，使喷管只能在竖直方向向下运动，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.05～0.1mm的混合粉末，预热工作台至200～300℃；
(5)设计激光功率为120～200W，扫描速度为50～100mm/s，烧结温度为300～400℃，扫描间距为0.05～0.1mm控制激光按照设计零件的第一层截面信息进行选择性烧结；
(6)在计算机控制下，工作平台下降一定高度，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.05～0.1mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结；
(7)系统不断重复步骤(6)，直到堆积成三维实体零件，取出连接件，在1000～1200℃高温下焙烧3～5h。
所述的铌合金是铌钨合金、铌钼合金或铌铼合金；所述的铌合金骨架是方形或圆环形；所述的铌和其他金属粉末的粒径都为50目～500目。
本发明的优点：
(1)制备过程高度技术集成，实现了设计和制造的一体化。
(2)制备过程简单，可重复性强，加工周期短，成本低，效率高，无需模具，操作简单，可实现批量生产。
附图说明
图1为激光快速成型工艺的原理图；
10反光辊；20铺粉辊；30正成型铌合金骨架；40未成型粉末；50挡板；60成型缸；70粉末缸。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
一种3D打印陶瓷基复合材料铌合金裙部的方法，包括以下步骤：
(1)测出给定喷管的几何尺寸，设计铌合金的具体位置，用CAD画图软件画出铌合金骨架的三维实体模型，并用离散程序将模型进行切片处理得实体模型的多层二维剖面，并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到选择性激光熔化快速成型系统；
(2)将铌钨的混合粉末以及有机粘接剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，向成型缸内通入保护气体；
(3)采用化学溶剂对陶瓷基复合材料喷管表面进行清洗、活化、加热预处理；
(4)将给定喷管放在工作台面上对应铌合金骨架中心的位置，用支架系统固定，使喷管只能在竖直方向向下运动，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.05mm的混合粉末，预热工作台至200℃；
(5)设计激光功率为120W，扫描速度为50mm/s，烧结温度为300℃，扫描间距为0.05mm控制激光按照设计零件的第一层截面信息进行选择性烧结；
(6)在计算机控制下，工作平台下降一定高度，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.05mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结；
(7)系统不断重复步骤6，直到堆积成三维实体零件，取出连接件，在1000℃高温下焙烧3h。
所述的铌合金骨架是方形；所述的铌和钨金属粉末的粒径都为50目。
实施例2
一种3D打印陶瓷基复合材料铌合金裙部的方法，包括以下步骤：
(1)测出给定喷管的几何尺寸，设计铌合金的具体位置，用CAD画图软件画出铌合金骨架的三维实体模型，并用离散程序将模型进行切片处理得实体模型的多层二维剖面，并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到选择性激光熔化快速成型系统；
(2)将铌钼的混合粉末以及有机粘接剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，向成型缸内通入保护气体；
(3)采用化学溶剂对陶瓷基复合材料喷管表面进行清洗、活化、加热预处理；
(4)将给定喷管放在工作台面上对应铌合金骨架中心的位置，用支架系统固定，使喷管只能在竖直方向向下运动，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.1mm的混合粉末，预热工作台至300℃；
(5)设计激光功率为200W，扫描速度为100mm/s，烧结温度为400℃，扫描间距为0.1mm控制激光按照设计零件的第一层截面信息进行选择性烧结；
(6)在计算机控制下，工作平台下降一定高度，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.1mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结；
(7)系统不断重复步骤6，直到堆积成三维实体零件，取出连接件，在1200℃高温下焙烧5h。
所述的铌合金骨架是圆环形；所述的铌和钼金属粉末的粒径都为500目。
上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种3D打印陶瓷基复合材料喷管铌合金裙部的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测出给定喷管的几何尺寸，设计铌合金的具体位置，用CAD画图软件画出铌合金骨架的三维实体模型，并用离散程序将模型进行切片处理得实体模型的多层二维剖面，并保存为STL文件，将STL文件的数据传送到选择性激光熔化快速成型系统；
(2)将铌和其他金属的混合粉末以及有机粘接剂均匀混合放入3D打印机的粉末缸，向成型缸内通入保护气体，其他金属为钨、钼或铼；
(3)采用化学溶剂对陶瓷基复合材料喷管表面进行清洗、活化、加热预处理；
(4)将给定喷管放在工作台面上对应铌合金骨架中心的位置，用支架系统固定，使喷管只能在竖直方向向下运动，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.05～0.1mm的混合粉末，预热工作台至200～300℃；
(5)设计激光功率为120～200W，扫描速度为50～100mm/s，烧结温度为300～400℃，扫描间距为0.05～0.1mm控制激光按照设计零件的第一层截面信息进行选择性烧结；
(6)在计算机控制下，工作平台下降一定高度，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.05～0.1mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结；
(7)系统不断重复步骤(6)，直到堆积成三维实体零件，取出连接件，在1000～1200℃高温下焙烧3～5h。
2.根据权利要求1所述的方法，所述的铌合金是铌钨合金、铌钼合金或铌铼合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的铌合金骨架是方形或圆环形。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的铌和其他金属粉末的粒径都为50目～500目。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的支架系统含四块铌合金挡板，互相垂直围在喷管周围，其中位于铺粉辊一侧的挡板与水平台面齐平，喷管截面圆的直径最大的圆与正方形各边相切。
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