CN105598441A - 一种用于3d打印发动机缸盖的复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料，该复合材料含有碳纤维前驱体和裂纹修复剂。通过柱塞式均质机使铝合金表面附着的碳纤维前驱物纤维化，并通过副柱塞的高压使经过拔拉的铝合金粉末快速通过均质阀，从而使颗粒分散并干燥，得到颗粒度在20-50目的铝合金复合材料，具有良好的3D打印粘接成型特性，在烧结时碳纤维前驱体在550-600℃转化为碳纤维，从而提高铝合金的强度和耐高温性。进一步通过裂纹修复剂在铝合金体系中的均匀分布，使铝合金的晶粒细小而均匀,从而消除因3D打印成型造成空隙、微裂纹的缺陷。通过用该材料3D打印汽车发动机缸盖，可在300℃的高温下长时间工作不变形。

Description

一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于3D打印制造领域，具体涉及3D打印材料，进一步涉及用于3D打印汽车发动机配件的复合材料。
背景技术
3D打印技术也称为增材制造技术,即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印技术的不断进步和成熟,可用的材料种类逐渐增多，从最初的树脂拓展到金属、陶瓷等,应用领域逐步由最初的塑料模型发展到工业制造中..尤其是随着3D打印专用金属材料的发展,使3D打印技术在航空、汽车等领域得到应用。
3D打印制造技术应用于大工业规模化智能生产，不但缩短了开发和制造时间，而且通过3D打印技术可以制造工艺复杂、形状复杂的精密制品。汽车发动机部件一般是非对称性、有不规则曲面或结构复杂而内部含有精细结构的零件。其毛坯的制造通常采用铸造或解体加工的方法。在铸造生产中，模板、芯盒、压铸模的制造往往采用机加工的方法完成，此过程不仅周期长、耗资大，而且从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程，稍有不慎就会导致全部返工。尤其是对一些形状复杂的铸件，如发动机缸体、缸盖、变速箱、歧管等，其模具的制造过程极其复杂，开发周期长，研发成本大。不能适用于当前迅速响应市场的需求。3D打印技术在汽车领域的应用，无疑带动了发动机行业突飞猛进地发展。
汽车发动机对材料的强度要求很高，以往都是采用铸铁，但其重量大、散热慢，为了减重和加强散热，使用铝合金的发动机才应运而生。铝合金是既提升汽车性能又是满足轻量化材料，近些年来，铝合金在汽车上的用量不断增加，用作发动机、热交换器、涡轮增压器、变速箱体、车轮以及车声等部件。欧美等发达国家汽车工业发达，非常重视汽车节能和环保，铝合金在汽车轻量化方面的使用量和比例逐年提高。随着发动机功率的不断提高使得缸盖的工作温度和工作压力显著增加，汽车发动机汽缸盖作为汽车关键的配件，其工作过程是否可靠，直接关系到汽车正常运转的性能。气缸内的燃油气体工作时瞬加温度可达到1100℃，而且面临着热冲压、化学腐蚀、高压等多个因素的恶劣环境。因此对气缸盖的结构稳定性、微裂纹、耐高温性、耐腐蚀性要求极高。中国发明专利CN103540812A公开了一种发动机缸盖用铝合金材料及其制备方法，在缸盖中同时添加Ni、Mn元素来改善Fe相形态，同时Ni元素本身在铝合金中也有很好的高温强化效果，所以通过合理添加Fe、Mn、Ni元素提高缸盖高温强度。
而通过3D打印制备铝合金汽缸盖尽管使复杂形状的精密度会提高，但由于受打印成型工艺的限制，因此现有铝合金通过粘接剂3D打印成型时极易形成合金间的裂纹，导致强度、耐温性降低。
发明内容
针对现有铝合金通过3D打印成型汽车发动机缸盖时易形成微裂纹，导致强度、耐温性降低这一缺陷，本发明提出一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料。该复合材料含有碳纤维前驱体和裂纹修复剂，碳纤维前驱体具有良好的3D打印粘接成型特性，在烧结时碳纤维前驱体在550-600℃转化为碳纤维，从而提高铝合金的强度和耐高温性，进一步通过裂纹修复剂，可细化铝合金的熔融的晶粒，使铝合金的晶粒细小均匀,防止微裂纹产生，从而消除因3D打印成型造成空隙、微裂纹的缺陷。
进一步提供用于3D打印发动机缸盖的复合材料的制备方法。
一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料，是通过如下技术方案实现的：
一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料，其特征是原料按重量份计为：
铝粉80-90份，
硅粉5-7份，
镍粉1-3份，
铜粉0.5-1.5份，
锌粉0.5-1份，
镁粉0.3-0.5份，
铁粉0.2-0.5份，
碳纤维前驱体1.5-2.5份，
裂纹修复剂1-2份；
其中，所述的铝粉、硅粉、镍粉、铜粉、锌粉、镁粉、铁粉的粒径均过50目筛；
所述的碳纤维前驱物为高碳粘性聚合物与二甲基亚砜以重量比1:3-5溶解形成均一溶液，其中高碳粘性聚合物优选聚丙烯晴、沥青、酯化淀粉中的一种；
所述的裂纹修复剂为碳化硅、碳化硼中的一种，粒径在1250-2500目。
用于3D打印发动机缸盖的复合材料，是按照如下方式进行制备获得：
1）按照重量份，将铝粉80-90份、硅粉5-7份、镍粉1-3份、铜粉0.5-1.5份、锌粉0.5-1份、镁粉0.3-0.5份、铁粉0.2-0.5份、裂纹修复剂1-2份原料放到球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇为球磨介质，所加的氧化锆球质量为原料质量的3-5倍，所加的无水乙醇质量为原料质量的0.5-1倍，采用湿磨法进行球磨混合1-2小时，转速控制为150-200转/分钟，通过研磨使铝与其余粉末形成均匀的合金粉末；
2）将步骤1)混合研磨的铝合金粉末与1.5-2.5重量份的碳纤维前驱体在高速分散机中以900-1500转/分钟的速度分散5-10分钟，使碳纤维前驱物均匀分散附着在铝合金粉末表面，形成一种湿润半流态的铝合金粉末浆料；
3）将步骤2）得到的铝合金粉末浆料送入柱塞式均质机，在30-50MPa的高压下通过柱塞的拔拉和80-90℃的加热使铝合金表面附着的碳纤维前驱物纤维化，并通过均质阀门分散、干燥得到颗粒度在20-50目的铝合金复合材料。
上述制备方法，其特征在于步骤3）所述的柱塞式均质机为高压均质机，由一个主柱塞与2-4个副柱塞组成，其中主柱塞通过往复运动对半流态的铝合金粉末浆料进行拔拉，随着升温加热，使铝合金表面附着的碳纤维前驱物纤维化，并通过副柱塞的高压使经过拔拉的铝合金粉末快速通过均质阀，从而使颗粒分散并干燥，得到颗粒度在20-50目的铝合金复合材料。
本发明一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料，该复合材料含有碳纤维前驱体和裂纹修复剂，碳纤维前驱体经过拔拉呈纤维状，且具有良好的3D打印粘接成型特性，在烧结时碳纤维前驱体在550-600℃转化为碳纤维，从而提高铝合金的强度和耐高温性。通过裂纹修复剂在铝合金体系中的均匀分布，有效连接铝合金烧结时的微裂纹，避免晶粒长大，使铝合金的晶粒细小而均匀,从而消除因3D打印成型造成空隙、微裂纹的缺陷，进一步裂纹修复剂提高耐腐蚀性和耐高温性，使用于汽车发动机缸盖时具有耐腐蚀性，可在300℃的高温下长时间工作不变形。
本发明一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料及其制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料，含有碳纤维前驱体，碳纤维前驱体具有良好的3D打印粘接成型特性，且呈纤维状在铝合金微粒表面，不但分散均匀，而且在烧结时碳纤维前驱体在550-600℃转化为碳纤维，从而提高铝合金的强度和耐高温性。
2、本发明一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料，含有裂纹修复剂，可细化铝合金的熔融的晶粒，使铝合金的晶粒细小均匀,防止微裂纹产生，从而消除因3D打印成型造成空隙、微裂纹的缺陷。
3、本发明一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料的制备方法，通过球磨和高压均质机拔拉分散，即可获得用于3D打印发动机缸盖的复合材料，其生产工艺简短，效率高，适合于规模化生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
1）按照重量份，将铝粉80份、硅粉5份、镍粉3份、铜粉1.5份、锰粉1份、镁粉0.5份、铁粉0.2份、裂纹修复剂碳化硅2份原料放到球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇为球磨介质，所加的氧化锆球质量为原料质量的3-5倍，所加的无水乙醇质量为原料质量的0.5-1倍，采用湿磨法进行球磨混合2小时，转速控制为150-200转/分钟，通过研磨使铝与其余粉末形成均匀的合金粉末；
2）将步骤1)混合研磨的铝合金粉末与1.5重量份的碳纤维前驱体在高速分散机中以900-1500转/分钟的速度分散5分钟，使碳纤维前驱物均匀分散附着在铝合金粉末表面，形成一种湿润半流态的铝合金粉末浆料,碳纤维前驱体为聚丙烯晴与二甲基亚砜以重量比1:3溶解形成的均一溶液；
3）将步骤2）得到的铝合金粉末浆料送入柱塞式均质机，在30MPa的高压下通过柱塞的拔拉和80-90℃的加热使铝合金表面附着的碳纤维前驱物纤维化，并通过均质阀门分散、干燥得到颗粒度在20-50目的铝合金复合材料。
将实施例1得到的用于3D打印汽车发动机缸盖的铝合金复合材料通过三维打印技术制造得到一种汽车发动机缸盖，通过检测，在20℃的抗拉强度为285MPa,250℃的抗拉强度为220MPa；表面硬度为102HBS，在300℃的伸长率3.1%。具有良好的耐高温性和强度。完全满足作为汽车发动机缸盖材料的要求。
实施例2
1）按照重量份，将铝粉85份、硅粉6份、镍粉2份、铜粉1份、锰粉0.5份、镁粉0.5份、铁粉0.5份、裂纹修复剂碳化硼1份原料放到球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇为球磨介质，所加的氧化锆球质量为原料质量的3-5倍，所加的无水乙醇质量为原料质量的0.5-1倍，采用湿磨法进行球磨混合1.5小时，转速控制为150-200转/分钟，通过研磨使铝与其余粉末形成均匀的合金粉末；
2）将步骤1)混合研磨的铝合金粉末与2重量份的碳纤维前驱体在高速分散机中以900-1500转/分钟的速度分散10分钟，使碳纤维前驱物均匀分散附着在铝合金粉末表面，形成一种湿润半流态的铝合金粉末浆料,碳纤维前驱体为沥青与二甲基亚砜以重量比1:4溶解形成的均一溶液；
3）将步骤2）得到的铝合金粉末浆料送入柱塞式均质机，在35MPa的高压下通过柱塞的拔拉和80-90℃的加热使铝合金表面附着的碳纤维前驱物纤维化，并通过均质阀门分散、干燥得到颗粒度在20-50目的铝合金复合材料。
将实施例2得到的用于3D打印汽车发动机缸盖的铝合金复合材料通过三维打印技术制造得到一种汽车发动机缸盖，通过检测，在20℃的抗拉强度为290MPa,250℃的抗拉强度为225MPa；表面硬度为105HBS，在300℃的伸长率2.6%。具有良好的耐高温性和强度。完全满足作为汽车发动机缸盖材料的要求。
实施例3
1）按照重量份，将铝粉90份、硅粉7份、镍粉1份、铜粉0.5份、锰粉1份、镁粉0.4份、铁粉0.3份、裂纹修复剂碳化硅2份原料放到球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇为球磨介质，所加的氧化锆球质量为原料质量的3-5倍，所加的无水乙醇质量为原料质量的0.5-1倍，采用湿磨法进行球磨混合2小时，转速控制为150-200转/分钟，通过研磨使铝与其余粉末形成均匀的合金粉末；
2）将步骤1)混合研磨的铝合金粉末与2.5重量份的碳纤维前驱体在高速分散机中以900-1500转/分钟的速度分散8分钟，使碳纤维前驱物均匀分散附着在铝合金粉末表面，形成一种湿润半流态的铝合金粉末浆料,碳纤维前驱体为酯化淀粉与二甲基亚砜以重量比1:5溶解形成均一溶液；
3）将步骤2）得到的铝合金粉末浆料送入柱塞式均质机，在45MPa的高压下通过柱塞的拔拉和80-90℃的加热使铝合金表面附着的碳纤维前驱物纤维化，并通过均质阀门分散、干燥得到颗粒度在20-50目的铝合金复合材料。
实施例4
1）按照重量份，将铝粉90份、硅粉5份、镍粉1份、铜粉0.5份、锰粉0.5份、镁粉0.5份、铁粉0.5份、裂纹修复剂碳化硅1份原料放到球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇为球磨介质，所加的氧化锆球质量为原料质量的3-5倍，所加的无水乙醇质量为原料质量的0.5-1倍，采用湿磨法进行球磨混合1.5小时，转速控制为150-200转/分钟，通过研磨使铝与其余粉末形成均匀的合金粉末；
2）将步骤1)混合研磨的铝合金粉末与1.5重量份的碳纤维前驱体在高速分散机中以900-1500转/分钟的速度分散10分钟，使碳纤维前驱物均匀分散附着在铝合金粉末表面，形成一种湿润半流态的铝合金粉末浆料,碳纤维前驱体为聚丙烯晴与二甲基亚砜以重量比1:5溶解形成均一溶液；
3）将步骤2）得到的铝合金粉末浆料送入柱塞式均质机，在50MPa的高压下通过柱塞的拔拉和80-90℃的加热使铝合金表面附着的碳纤维前驱物纤维化，并通过均质阀门分散、干燥得到颗粒度在20-50目的铝合金复合材料。

Claims (3)

1.一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料，其特征是原料按重量份计为：
铝粉80-90份，
硅粉5-7份，
镍粉1-3份，
铜粉0.5-1.5份，
锌粉0.5-1份，
镁粉0.3-0.5份，
铁粉0.2-0.5份，
碳纤维前驱体1.5-2.5份，
裂纹修复剂1-2份；
其中，所述的铝粉、硅粉、镍粉、铜粉、锌粉、镁粉、铁粉的粒径均过50目筛；
所述的碳纤维前驱物为高碳粘性聚合物与二甲基亚砜以重量比1:3-5溶解形成均一溶液；
所述的裂纹修复剂为碳化硅、碳化硼中的一种，粒径在1250-2500目；
所述用于3D打印发动机缸盖的复合材料，是按照如下方式进行制备获得：
1）按照重量份，将铝粉80-90份、硅粉5-7份、镍粉1-3份、铜粉0.5-1.5份、锌粉0.5-1份、镁粉0.3-0.5份、铁粉0.2-0.5份、裂纹修复剂1-2份原料放到球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇为球磨介质，所加的氧化锆球质量为原料质量的3-5倍，所加的无水乙醇质量为原料质量的0.5-1倍，采用湿磨法进行球磨混合1-2小时，转速控制为150-200转/分钟，通过研磨使铝与其余粉末形成均匀的合金粉末；
2）将步骤1)混合研磨的铝合金粉末与1.5-2.5重量份的碳纤维前驱体在高速分散机中以900-1500转/分钟的速度分散5-10分钟，使碳纤维前驱物均匀分散附着在铝合金粉末表面，形成一种湿润半流态的铝合金粉末浆料；
3）将步骤2）得到的铝合金粉末浆料送入柱塞式均质机，在30-50MPa的高压下通过柱塞的拔拉和80-90℃的加热使铝合金表面附着的碳纤维前驱物纤维化，并通过均质阀门分散、干燥得到颗粒度在20-50目的复合材料。
2.根据权利要求1所述一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料，其特征在于：所述的高碳粘性聚合物为聚丙烯晴、沥青、酯化淀粉中的一种。
3.根据权利要求1所述一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料，其特征在于：步骤3）所述的柱塞式均质机为高压均质机，由一个主柱塞与2-4个副柱塞组成，其中主柱塞通过往复运动对半流态的铝合金粉末浆料进行拔拉，随着升温加热，使铝合金表面附着的碳纤维前驱物纤维化，并通过副柱塞的高压使经过拔拉的铝合金粉末快速通过均质阀，从而使颗粒分散并干燥，得到颗粒度在20-50目的铝合金复合材料。
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