CN104211424A - 一种3d打印连接陶瓷基复合材料与高温组件的方法 - Google Patents

一种3d打印连接陶瓷基复合材料与高温组件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种3D打印连接陶瓷基复合材料与高温组件的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)计连接材料连接位置，画出俯视图，保存为STL文件，将数据传送到激光熔化快速成型系统；(2)将连接材料粉末以及有机粘接剂混合放入粉末缸，通入保护气；(3)用夹具固定两者在成型缸中，中间用芯模连接，铺粉并预热工作台，使芯模转动；(4)设计激光功率、扫描速度、烧结温度、扫描间距等，按照设计的截面信息进行烧结；(5)继续铺粉，开始新一轮的扫描烧结；(6)不断重复步骤5，两者间空隙被填满，高温下焙烧；(7)脱出芯模。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。

Description

一种3D打印连接陶瓷基复合材料与高温组件的方法
技术领域
本发明涉及一种连接陶瓷基复合材料与高温组件的方法，特别是涉及一种3D打印连接陶瓷基复合材料与高温组件的方法。
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，因而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SiC陶瓷基复合材料，虽具有高熔点，达到熔点也不会熔化而升华，但是由于热导率低、导电性差，抗热冲击能力弱，润湿性不好，它与陶瓷基复合材料或者金属间的连接都较为困难。
申请号为201210397803.6的中国专利公开了一种Cf/SiC陶瓷基复合材料连接方法，属于复合材料连接技术领域，该连接方法选用Ti-Zr-Be合金作为连接材料，在不施加压力的真空条件下，950℃～1050℃保温5～120分钟，通过连接材料中各元素与母材Cf/SiC陶瓷基复合材料中的C纤维和SiC基体反应，生成高熔点TiC、ZrC、Ti-Si-C、Be2C等碳化物相，形成类似颗粒增强金属基复合材料的连接层，降低连接层的热膨胀系数，缓解接头热应力，提高接头耐高温性能。本发明具有工艺方法简单，连接材料制备容易，成本低，接头性能好等优点。
申请号为200410026366.2的中国专利公开了一种陶瓷基复合材料的连接方法，采用下述方法步骤：用陶瓷基复合材料加工铆钉，将需要连接的构件A与构件B组合配钻加工铆钉孔；将铆钉用紧配合的方法与构件AB组装在一起；采用化学气相渗透的方法在铆钉孔与铆钉之间沉积碳化硅，进行铆钉与连接件锥型铆钉孔之间的粘结；对铆接部位进行加工和修整，除掉铆钉的多余部分，使铆钉与构件A与构件B的外表面平齐；采用化学气相沉积的方法在构件A与构件B的外表面制备碳化硅涂层，对铆接部位进行覆盖和保护。可实现大型复杂薄壁构件的铆接，具有连接强度、可靠性和使用温度高，结构强度下降小，不改变构件表面形状，连接成本低等优点。还可用于碳基复合材料及其他复合材料的连接。
以上两种发明一定程度上解决了陶瓷基复合材料之间或与金属之间的连接问题，但是操作较为复杂，可重复性差，速度较慢，不能用于批量生产；而且化学气相沉积法制备过程精确度差，有大量尾气产生，污染环境。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种3D打印连接陶瓷基复合材料与高温组件的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测出给定陶瓷零件与高温组件的几何尺寸，设计连接材料在两者间连接的具体位置，用CAD画图软件画出连接件的俯视图，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)将连接材料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)用夹具将给定零件和高温组件按设计的位置固定在成型缸中，两者中间有1～5mm的空隙，给定零件和高温组件之间用可移动的芯模连接，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.05～0.2mm的混合粉末，预热工作台至200～300℃，控制夹具的转速为20～30r/min；
(4)设计激光功率为150～250W，扫描速度为80～150mm/s，烧结温度为300～400℃，扫描间距为0.05～0.2mm，控制激光按照设计骨架的截面信息进行选择性烧结；
(5)在计算机控制下，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.05～0.2mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结，；
(6)系统不断重复步骤5，直至陶瓷基复合材料与高温组件及芯模间空隙被完整填满，取出连接件，在600～800℃高温下焙烧3～5h；
(7)用常规液压顶芯装置脱出芯模。
所述的连接材料是铌、钼、铼及其合金；所述的连接材料的骨架为长方体、圆柱体或其他不规则立方体；所述的连接材料粉末的粒径为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，有效地实现了陶瓷基复合材料间与高温组件间的连接。
(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正成型骨架；40未成型粉末；50成型缸；60粉末缸。
图2为陶瓷基复合材料与高温组件的连接方式
10陶瓷基复合材料与高温组件；20芯模
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打印连接陶瓷基复合材料与高温组件的方法，包括以下步骤：
(1)测出给定陶瓷零件与高温组件的几何尺寸，设计连接材料在两者间连接的具体位置，用CAD画图软件画出连接件的俯视图，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)将连接材料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)用夹具将给定零件和高温组件按设计的位置固定在成型缸中，两者中间有1mm的空隙，给定零件和高温组件之间用可移动的芯模连接，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℃，控制夹具的转速为20r/min；
(4)设计激光功率为150W，扫描速度为80mm/s，烧结温度为300℃，扫描间距为0.05mm，控制激光按照设计骨架的截面信息进行选择性烧结；
(5)在计算机控制下，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，；
(6)系统不断重复步骤5，直至陶瓷基复合材料与高温组件及芯模间空隙被完整填满，取出连接件，在600℃高温下焙烧3h；
(7)用常规液压顶芯装置脱出芯模。
连接材料是铌钼合金；连接材料的骨架为长方体；连接材料粉末的粒径为50目。
实施例2
一种3D打印连接陶瓷基复合材料与高温组件的方法，包括以下步骤：
(1)测出给定陶瓷零件与高温组件的几何尺寸，设计连接材料在两者间连接的具体位置，用CAD画图软件画出连接件的俯视图，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)将连接材料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)用夹具将给定零件和高温组件按设计的位置固定在成型缸中，两者中间有5mm的空隙，给定零件和高温组件之间用可移动的芯模连接，用铺粉辊在工作台面上均匀铺上一层厚度为0.2mm的混合粉末，预热工作台至300℃，控制夹具的转速为30r/min；
(4)设计激光功率为250W，扫描速度为150mm/s，烧结温度为400℃，扫描间距为0.2mm，控制激光按照设计骨架的截面信息进行选择性烧结；
(5)在计算机控制下，用铺粉辊继续均匀铺上一层厚度为0.2mm的混合粉末，激光束开始新一轮的扫描烧结，；
(6)系统不断重复步骤5，直至陶瓷基复合材料与高温组件及芯模间空隙被完整填满，取出连接件，在800℃高温下焙烧5h；
(7)用常规液压顶芯装置脱出芯模。
连接材料是铌钨合金；连接材料的骨架为圆柱体；连接材料粉末的粒径为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；
(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，其特征在于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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