CN104439243A - 金属梯度材料的激光3d打印制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效简便的金属梯度材料激光3D打印的制备技术。步骤为：1）建立金属梯度材料的计算机三维示意图，建立扫描路径；2）计算不同位置的组分配比；3）设置相应打印参数；4）将原材料粉末送入送粉筒；5）启动打印设备进行激光3D打印，送料器按照设定的轨迹、组分比、速度给料的同时，激光器对金属粉料进行激光熔敷，经融化凝固形成整体；按照轨迹线，逐行打印形成面，再逐层打印形成三维金属梯度材料；本发明的优点是：通过计算机严格控制不同位置处的原料组分配比，从而真正意义上实现成分的梯度分布；采用激光3D打印将送粉和熔炼凝固同时完成，提高了工作效率；3D打印技术为增材制备方法，与传统工艺相比，节省了原材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料制备方法，特别是一种金属梯度材料的激光3D打印制备方法。
背景技术
梯度功能材料(FGM)是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料。由于本身具有优异的性能以及它所体现出的新颖的材料设计思想，一经提出，立即引起世界各国材料科学工作者的高度重视并对其展开研究，迄今为止，已探索出一些基本的研究方法并制备出许多体系的梯度功能材料体系。
目前，功能梯度材料主要制备方法有粉末成型、物理气相沉积法（PVD）、化学气相沉积法（CVD）、等离子喷涂、电铸法、电镀法、自蔓延高温合成法等。
粉末成型法是将金属、陶瓷等颗粒状原料和晶须等组成梯度积层结构，经压实、烧结而制成功能梯度材料。耐热陶瓷用于高温端，金属材料或塑料用于低温端。为了强化金属组成相或提高陶瓷相韧性，可以掺入晶须。
物理气相沉积法是使加热蒸发的金属沉积在衬底上进行涂层的方法，在金属、半金属中送入氧、氮和碳化氢等反应气体后，合成氧化物、氯化物和碳化物等陶瓷，并沉积在衬底上。物理气相沉积法有真空镀膜、溅射和离子镀敷等。真空镀膜是单纯地加热金属使其蒸发沉积；溅射法是通过电子或离子打击，使溅射出来的金属沉积在衬底上；离子镀覆是通过金属蒸气离子化，得到粘结性好而且致密的沉积物。
化学气相沉积法是将卤化物气体进行加热分解，使金属或半金属沉积在衬底表面上，或者将生成的碳化物、氯化物等混合气体送入反应管，使加热生成的化合物沉积在衬底上。
电铸法是在母型表面上用金属盐溶液经电沉积处理析出一层金属或合金．然后剥离得到与设型表面凸凹相反的制品。电铸金属或合金的厚度可为50微米至十几厘米。
自蔓延高温合成法原理是组元之间的化学反应为放热反应，形成燃烧波能使化学反应自发地维持下去。该法具有制备过程简单、反应迅速且能耗少、反应转化率高等优点。
但是这些制备方法均存在着重要的局限性。如粉末成型难以实现材料组分连续均匀变化；气相沉积难以得到大厚度材料；自蔓延燃烧致密度较低；等离子喷涂的各涂层间存在成分突变的界面；等等。这些方法要求复杂的工艺或设备，缺少简便的制备方法，是限制功能梯度材料进一步发展的重要原因。
发明内容
为解决金属梯度材料传统制备方法中存在的制备困难的问题，本发明提供一种高效简便的金属梯度材料的制备技术。采用3D打印技术，以数字模型文件为基础，调整金属粉体的配比，可以方便地制备出成分连续变化且可控的金属梯度材料。
本发明的步骤为：
1）建模
建立金属梯度材料的计算机三维模型图；将模型图根据实际设计要求切片，分割为一系列厚度为10~80μm的平面图形；将平面图形分割为一系列30~200μm的轨迹线；根据轨迹线生成的激光和送料器的扫描路径；
2）计算配比
根据梯度材料的成分设计要求，计算功能梯度结构件不同位置的组分配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
3）设置打印参数
设置激光功率为200-400W，打印速度为0.01~0.2m/s，送粉量为0.06~3mm3/s；
4）送粉
将需要的金属粉末组分经预处理后分别放入送料器内的送料筒中。适用于制备金属梯度材料的金属粉末为：Fe、Cu、Ni、Co、W、Ti、Al、Mg、Mn等。粉末的粒径为0.1~10μm；
5）激光3D打印
启动打印设备进行激光3D打印。送料器按照设定的轨迹、组分比、速度给料的同时，激光器对金属粉料进行激光熔敷，融化后由打印头打印出，而后凝固形成整体。按照轨迹线，逐行打印形成面，再逐层打印形成三维金属梯度材料。打印过程中，金属原材料如果有高温氧化的可能性，则需要对工作室抽真空或充入保护性的惰性气体，如氮气、氩气等。
本发明的优点是：
1）通过计算机严格控制不同位置处的原料组分配比，从而真正意义上实现成分的梯度分布；
2）采用激光3D打印将送粉和熔炼凝固同时完成，提高了工作效率；
3）3D打印技术为增材制备方法，与传统工艺相比，节省了原材料，避免浪费。
附图说明
图1是本发明制备金属梯度材料激光3D打印流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述，以便更好地理解本发明的目的、特点和优点。虽然本发明是结合该具体的实施例进行描述，但并不意味着本发明局限于所描述的具体实施例。相反，对可以包括在本发明权利要求中所限定的保护范围内的实施方式进行的替代、改进和等同的实施方式，都属于本发明的保护范围。对于未特别标注的工艺参数，可按常规技术进行。
本发明采用的具体步骤如下：
1）建模
建立金属梯度材料的计算机三维模型图；将模型图根据实际设计要求切片，分割为一系列厚度为10~80μm的平面图形；将平面图形分割为一系列30~200μm的轨迹线；根据轨迹线生成的激光和送料器的扫描路径；
2）计算配比
根据梯度材料的成分设计要求，计算功能梯度结构件不同位置的组分配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
3）设置打印参数
设置激光功率为200-400W，打印速度为0.01~0.2m/s，送粉量为0.06~3mm3/s；
4）送粉
将需要的金属粉末组分经预处理后分别放入送料器内的送料筒中。适用于制备金属梯度材料的金属粉末为：Fe、Cu、Ni、Co、W、Ti、Al、Mg、Mn等。粉末的粒径为0.1~10μm；
5）激光3D打印
启动打印设备进行激光3D打印。送料器按照设定的轨迹、组分比、速度给料的同时，激光器对混合金属粉料进行激光熔敷，融化后由打印头打印出，而后凝固形成整体。按照轨迹线，逐行打印形成面，再逐层打印形成三维金属梯度材料。打印过程中，金属原材料如果有高温氧化的可能性，则需要对工作室抽真空或充入保护性的惰性气体，如氮气、氩气等。
通过本发明可以制备成分在很大范围内变化的各种厚度的梯度材料，且成分连续变化。成品内部缺陷少，结构紧密具有优异的抗热冲击和热疲劳性能。
实施例1：
本发明的步骤为：
1）建模
建立金属梯度材料的计算机三维模型图；将模型图根据实际设计要求切片，分割为一系列厚度为10μm的平面图形；将平面图形分割为一系列30μm的轨迹线；根据轨迹线生成的激光和送料器的扫描路径；
2）计算配比
根据梯度材料的成分设计要求，计算功能梯度结构件不同位置的组分配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
3）设置打印参数
设置激光功率为200W，打印速度为0.2m/s，送粉量为0.06mm3/s；
4）送粉
将需要的0.1μm Fe和0.1μm W粉末经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；
5）激光3D打印
启动打印设备进行激光3D打印。送料器按照设定的轨迹、组分比、速度给料的同时，激光器对金属粉料进行激光熔敷，融化后由打印头打印出，而后凝固形成整体。按照轨迹线，逐行打印形成面，再逐层打印形成三维金属梯度材料。打印过程中，工作室抽真空。
对实例1所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，Fe由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例2：
本发明的步骤为：
1）建模
建立金属梯度材料的计算机三维模型图；将模型图根据实际设计要求切片，分割为一系列厚度为40μm的平面图形；将平面图形分割为一系列100μm的轨迹线；根据轨迹线生成的激光和送料器的扫描路径；
2）计算配比
根据梯度材料的成分设计要求，计算功能梯度结构件不同位置的组分配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
3）设置打印参数
设置激光功率为200W，打印速度为0.1m/s，送粉量为0.4mm3/s；
4）送粉
将需要的10μm Cu和10μm Ni粉末经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；
5）激光3D打印
启动打印设备进行激光3D打印。送料器按照设定的轨迹、组分比、速度给料的同时，激光器对金属粉料进行激光熔敷，融化后由打印头打印出，而后凝固形成整体。按照轨迹线，逐行打印形成面，再逐层打印形成三维金属梯度材料。打印过程中，工作室充氩气保护。
对实例2所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，Cu由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例3：
本发明的步骤为：
1）建模
建立金属梯度材料的计算机三维模型图；将模型图根据实际设计要求切片，分割为一系列厚度为80μm的平面图形；将平面图形分割为一系列200μm的轨迹线；根据轨迹线生成的激光和送料器的扫描路径；
2）计算配比
根据梯度材料的成分设计要求，计算功能梯度结构件不同位置的组分配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
3）设置打印参数
设置激光功率为400W，打印速度为0.01m/s，送粉量为0.16mm3/s；
4）送粉
将需要的1μm Co和1μm Ti粉末经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；
5）激光3D打印
启动打印设备进行激光3D打印。送料器按照设定的轨迹、组分比、速度给料的同时，激光器对金属粉料进行激光熔敷，融化后由打印头打印出，而后凝固形成整体。按照轨迹线，逐行打印形成面，再逐层打印形成三维金属梯度材料。打印过程中，工作室充氮气保护。
对实例3所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，Co由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例4：
本发明的步骤为：
1）建模
建立金属梯度材料的计算机三维模型图；将模型图根据实际设计要求切片，分割为一系列厚度为20μm的平面图形；将平面图形分割为一系列60μm的轨迹线；根据轨迹线生成的激光和送料器的扫描路径；
2）计算配比
根据梯度材料的成分设计要求，计算功能梯度结构件不同位置的组分配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
3）设置打印参数
设置激光功率为400W，打印速度为0.15m/s，送粉量为0.18mm3/s；
4）送粉
将需要的3μm Mn和3μm Al粉末经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；
5）激光3D打印
启动打印设备进行激光3D打印。送料器按照设定的轨迹、组分比、速度给料的同时，激光器对金属粉料进行激光熔敷，融化后由打印头打印出，而后凝固形成整体。按照轨迹线，逐行打印形成面，再逐层打印形成三维金属梯度材料。打印过程中，工作室充氮气保护。
对实例4所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，Al由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
实施例5：
本发明的步骤为：
1）建模
建立金属梯度材料的计算机三维模型图；将模型图根据实际设计要求切片，分割为一系列厚度为60μm的平面图形；将平面图形分割为一系列150μm的轨迹线；根据轨迹线生成的激光和送料器的扫描路径；
2）计算配比
根据梯度材料的成分设计要求，计算功能梯度结构件不同位置的组分配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
3）设置打印参数
设置激光功率为400W，打印速度为0.1m/s，送粉量为0.9mm3/s；
4）送粉
将需要的0.6μm Mg和0.6μm Al粉末经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；
5）激光3D打印
启动打印设备进行激光3D打印。送料器按照设定的轨迹、组分比、速度给料的同时，激光器对金属粉料进行激光熔敷，融化后由打印头打印出，而后凝固形成整体。按照轨迹线，逐行打印形成面，再逐层打印形成三维金属梯度材料。打印过程中，工作室充氮气保护。
对实例5所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，Mg由一侧的100%减少到另一侧的0%，样品内部无宏观界面存在。
Claims (4)
1.金属梯度材料的激光3D打印制备方法，其特征在于它的步骤为：
1）建模
建立金属梯度材料的计算机三维模型图；将模型图根据实际设计要求切片，分割为一系列厚度为10~80μm的平面图形；将平面图形分割为一系列30~200μm的轨迹线；根据轨迹线生成的激光和送料器的扫描路径；
2）计算配比
根据梯度材料的成分设计要求，计算功能梯度结构件不同位置的组分配比，以此为变量输入计算机，控制打印时不同位置的送粉比；
3）设置打印参数
设置激光功率为200-400W，打印速度为0.01~0.2m/s，送粉量为0.06~3mm3/s；
4）送粉
将需要的金属粉末组分经预处理后分别放入送料器内的送料筒中；
5）激光3D打印
启动打印设备进行激光3D打印；送料器按照设定的轨迹、组分比、速度给料的同时，激光器对金属粉料进行激光熔敷，融化后由打印头打印出，而后凝固形成整体；按照轨迹线，逐行打印形成面，再逐层打印形成三维金属梯度材料；打印过程中，金属原材料如果有高温氧化的可能性，则需要对工作室抽真空或充入保护性的惰性气体。
2.根据权利要求1所述的金属梯度材料的激光3D打印制备方法，其特征在于所述的金属粉末为：Fe、Cu、Ni、Co、W、Ti、Al、Mg、Mn等。
3.根据权利要求1所述的金属梯度材料的激光3D打印制备方法，其特征在于所述的金属粉末的粒径为0.1~10μm。
4.根据权利要求1所述的金属梯度材料的激光3D打印制备方法，其特征在于所述的惰性气体为氮气或氩气。
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