CN106077641A - 一种陶瓷颗粒增强金属零件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷颗粒增强金属零件的制备方法，包括如下步骤：金属氧化物生成热力学与动力学条件的分析、成形件数模切片分层处理、金属粉末送粉比的精确控制及导入、惰性气体和氧气的混合及导入、成形件的激光增材制造、成形件的后处理以及最终成形件的无损检测。与其它技术相比，采用本发明的制备方法具有操作方便、性能可靠，综合成本低、成形件重量轻，表面光滑，能够满足使用要求、提高其使用寿命等优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造成形技术领域，尤其涉及一种陶瓷颗粒增强金属零件的制备方法。
背景技术
目前，对于陶瓷颗粒增强金属基复合材料零件的增材制造，通常认为应当采用金属颗粒和陶瓷颗粒混合的材料来进行。因此，在激光选区烧结(SLS)和激光选区熔化(SLM)中，如果使用较低的温度，可以使得金属粉末熔化或者烧结，但是对于陶瓷颗粒，就很难达到其熔化温度或者烧结温度，结果是不能够获得成形件。如果采用达到陶瓷的熔化温度或者烧结温度，则金属粉末可能发生气化，成形体内非常可能留下许多孔洞，亦很难得到致密的陶瓷颗粒增强金属基成形件。因而，提出一种能够解决上述致密陶瓷颗粒增强金属基成形件的制备方法具有重要的研究意义。
发明内容
针对现有技术中陶瓷颗粒金属基成形件的制备工艺相比，本发明的目的在于：提供一种陶瓷颗粒增强金属零件制备方法，该方法具有：操作方便、性能可靠，综合成本低、成形件重量轻，表面光滑，能够满足使用要求、提高其使用寿命等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种陶瓷颗粒增强金属零件制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)金属氧化物生成热力学与动力学条件的分析：在采用激光增材制造直接制备金属零件时，在有氧环境的情况下，金属粉末表面会形成与基体结合较差的氧化膜，在随后的逐层制造时，这些氧化膜会脱落、缩聚，形成陶瓷微颗粒，分析金属氧化物生成热力学与动力学的条件可得其生成的数量及尺寸范围；
2)成形件数模切片分层处理：在增材制造机床的工作台上，工控机内置有CAD三维建模软件并建立三维模型图，对所建立的三维模型进行分层切片处理得到每层切片材料组分信息和切片周围轮廓轨迹，其中每层分层切片的厚度为8-50μm；根据每层分层切片的组分信息和切片的周围轮廓轨迹信息，生成激光打印系统和送粉器的扫描路径；
3)金属粉末送粉比的精确控制及导入：工控机根据每层分层切片工艺参数的设计要求，确定陶瓷的氧化物类型，金属粉末与陶瓷微颗粒的重量份数百分比为95:5，工控机精确控制用于成形的金属粉末及将氧化形成陶瓷微颗粒的送粉比；其中，对于激光熔覆，通过送粉器进行送粉，对于激光选区熔化和激光选区烧结，通过粉末床进行铺粉；
4)惰性气体和氧气的混合及导入：为了保证陶瓷微颗粒形成的条件，采用惰性气体和氧气的混合气体，由于在氧气与金属粉末发生反应时生成金属氧化物属于放热反应，它所产生的热量能够用于使得较不活泼的金属粉末发生熔化或者达到其烧结温度；将增材制造成形设备抽真空，使得成形设备内的压力达到0.1-0.5MPa后，导入惰性气体和氧气的混合气体，其体积比为3:1-5:1，导入混合气体是采用不易氧化材料制成的通气阀；
5)成形件的激光增材制造：将至少两种不同金属粉末按配比要求使用混粉机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的混合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用；计算机控制系统控制3D打印机送粉器喷头和激光器组件的送粉速率和送粉量、启动激光器供气装置；其中激光器组件包括用于激光熔覆的激光器和用于激光选区熔化和烧结的激光器；其中，用于激光熔覆的激光器进行激光熔覆时，具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％；用于激光选区熔化和烧结的激光器工作时，具体参数为：功率P＝200-500W，光斑直径D＝2-4mm，扫描速度V＝0.5-1m/min，搭接率为30-40％；在逐层加工时，金属混合粉末一部分在激光熔覆时发生熔化，另一部分与氧气发生反应形成陶瓷微颗粒并且在金属粉末基体中均匀分布,每层完成后，在混合气体条件下，停留时间为5-10min；
6)成形件的后处理：对经过上述步骤5)制得的成形件进行热处理、抛光或者机加处理后处理；
7)最终成形件的无损检测：对上述步骤6)中经过后处理得到的陶瓷颗粒增强金属成形件的设定区域进行硬度、耐磨强度和耐蚀性检测。
作为上述技术方案的进一步优化，在上述步骤5)中，所述金属粉末的送分方式采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。
作为上述技术方案的进一步优化，用于激光熔覆的激光器和用于激光选区熔化和烧结的激光器的发生器类型均为二氧化碳激光器或者光纤激光器。
作为上述技术方案的进一步优化，所述的金属粉末包括铁、铜、镍、钴、钛、铝、锰中任意组合；所述惰性保护气体为氮气、氩气或者氦气。
作为上述技术方案的进一步优化，在上述步骤1)中，陶瓷微颗粒重量占金属粉末重量的1-5％。
与现有技术中的陶瓷颗粒增强金属成形制造技术相比，采用本发明的制备方法具有如下有益效果：
(1)在增材制造过程中，在特定的含氧气氛中，严格控制工艺参数，在逐层制造过程中，可使大得部分金属或合金颗粒熔化而同时又有一少部分材料发生氧化，形成陶瓷颗粒，并且保证其很好的弥散程度。
(2)在本发明的制备条件下，氧化物陶瓷微颗粒与金属之间的界面不容易产生微裂纹，这样制造出来的金属零件在使用时，不至于由于裂纹扩展而过早失效。
(3)如果每层的工艺参数有预设的逐渐改变，则陶瓷颗粒的含量及分布可以有相应的逐渐变化，则可以生产出性能可控变化的金属零件。
附图说明
附图1为一种陶瓷颗粒增强金属零件制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明一种陶瓷颗粒增强金属零件制备方法作具体说明。
一种陶瓷颗粒增强金属零件制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)金属氧化物生成热力学与动力学条件的分析：在采用激光增材制造直接制备金属零件时，在有氧环境的情况下，金属粉末表面会形成与基体结合较差的氧化膜，在随后的逐层制造时，这些氧化膜会脱落、缩聚，形成陶瓷微颗粒，分析金属氧化物生成热力学与动力学的条件可得其生成的数量及尺寸范围；
2)成形件数模切片分层处理：在增材制造机床的工作台上，工控机内置有CAD三维建模软件并建立三维模型图，对所建立的三维模型进行分层切片处理得到每层切片材料组分信息和切片周围轮廓轨迹，其中每层分层切片的厚度为8-50μm；根据每层分层切片的组分信息和切片的周围轮廓轨迹信息，生成激光打印系统和送粉器的扫描路径；
3)金属粉末送粉比的精确控制及导入：工控机根据每层分层切片工艺参数的设计要求，确定陶瓷的氧化物类型，金属粉末与陶瓷微颗粒的重量份数百分比为95:5，工控机精确控制用于成形的金属粉末及将氧化形成陶瓷微颗粒的送粉比；其中，对于激光熔覆，通过送粉器进行送粉，对于激光选区熔化和激光选区烧结，通过粉末床进行铺粉；
4)惰性气体和氧气的混合及导入：为了保证陶瓷微颗粒形成的条件，采用惰性气体和氧气的混合气体，由于在氧气与金属粉末发生反应时生成金属氧化物属于放热反应，它所产生的热量能够用于使得较不活泼的金属粉末发生熔化或者达到其烧结温度；将增材制造成形设备抽真空，使得成形设备内的压力达到0.1-0.5MPa后，导入惰性气体和氧气的混合气体，其体积比为3:1-5:1，导入混合气体是采用不易氧化材料制成的通气阀；
5)成形件的激光增材制造：将至少两种不同金属粉末按配比要求使用混粉机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的混合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用；计算机控制系统控制3D打印机送粉器喷头和激光器组件的送粉速率和送粉量、启动激光器供气装置；其中激光器组件包括用于激光熔覆的激光器和用于激光选区熔化和烧结的激光器；其中，用于激光熔覆的激光器进行激光熔覆时，具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％；用于激光选区熔化和烧结的激光器工作时，具体参数为：功率P＝200-500W，光斑直径D＝2-4mm，扫描速度V＝0.5-1m/min，搭接率为30-40％；在逐层加工时，金属混合粉末一部分在激光熔覆时发生熔化，另一部分与氧气发生反应形成陶瓷微颗粒并且在金属粉末基体中均匀分布,每层完成后，在混合气体条件下，停留时间为5-10min；
6)成形件的后处理：对经过上述步骤5)制得的成形件进行热处理、抛光或者机加处理后处理；
7)最终成形件的无损检测：对上述步骤6)中经过后处理得到的陶瓷颗粒增强金属成形件的设定区域进行硬度、耐磨强度和耐蚀性检测。
在上述步骤5)中，所述金属粉末的送分方式采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。用于激光熔覆的激光器和用于激光选区熔化和烧结的激光器的发生器类型均为二氧化碳激光器或者光纤激光器。所述的金属粉末包括铁、铜、镍、钴、钛、铝、锰中任意组合；所述惰性保护气体为氮气、氩气或者氦气。在上述步骤1)中，陶瓷微颗粒重量占金属粉末重量的1-5％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种陶瓷颗粒增强金属零件制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)金属氧化物生成热力学与动力学条件的分析：在采用激光增材制造直接制备金属零件时，在有氧环境的情况下，金属粉末表面会形成与基体结合较差的氧化膜，在随后的逐层制造时，这些氧化膜会脱落、缩聚，形成陶瓷微颗粒，分析金属氧化物生成热力学与动力学的条件可得其生成的数量及尺寸范围；
2)成形件数模切片分层处理：在增材制造机床的工作台上，工控机内置有CAD三维建模软件并建立三维模型图，对所建立的三维模型进行分层切片处理得到每层切片材料组分信息和切片周围轮廓轨迹，其中每层分层切片的厚度为8-50μm；根据每层分层切片的组分信息和切片的周围轮廓轨迹信息，生成激光打印系统和送粉器的扫描路径；
3)金属粉末送粉比的精确控制及导入：工控机根据每层分层切片工艺参数的设计要求，确定陶瓷的氧化物类型，金属粉末与陶瓷微颗粒的重量份数百分比为95:5，工控机精确控制用于成形的金属粉末及将氧化形成陶瓷微颗粒的送粉比；其中，对于激光熔覆，通过送粉器进行送粉，对于激光选区熔化和激光选区烧结，通过粉末床进行铺粉；
4)惰性气体和氧气的混合及导入：为了保证陶瓷微颗粒形成的条件，采用惰性气体和氧气的混合气体，由于在氧气与金属粉末发生反应时生成金属氧化物属于放热反应，它所产生的热量能够用于使得较不活泼的金属粉末发生熔化或者达到其烧结温度；将增材制造成形设备抽真空，使得成形设备内的压力达到0.1-0.5MPa后，导入惰性气体和氧气的混合气体，其体积比为3:1-5:1，导入混合气体是采用不易氧化材料制成的通气阀；
5)成形件的激光增材制造：将至少两种不同金属粉末按配比要求使用混粉机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的混合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用；计算机控制系统控制3D打印机送粉器喷头和激光器组件的送粉速率和送粉量、启动激光器供气装置；其中激光器组件包括用于激光熔覆的激光器和用于激光选区熔化和烧结的激光器；其中，用于激光熔覆的激光器进行激光熔覆时，具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％；用于激光选区熔化和烧结的激光器工作时，具体参数为：功率P＝200-500W，光斑直径D＝2-4mm，扫描速度V＝0.5-1m/min，搭接率为30-40％；在逐层加工时，金属混合粉末一部分在激光熔覆时发生熔化，另一部分与氧气发生反应形成陶瓷微颗粒并且在金属粉末基体中均匀分布,每层完成后，在混合气体条件下，停留时间为5-10min；
6)成形件的后处理：对经过上述步骤5)制得的成形件进行热处理、抛光或者机加处理后处理；
7)最终成形件的无损检测：对上述步骤6)中经过后处理得到的陶瓷颗粒增强金属成形件的设定区域进行硬度、耐磨强度和耐蚀性检测。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强金属零件的制备方法，其特征在于：在上述步骤5)中，所述金属粉末的送分方式采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强金属零件的制备方法，其特征在于：用于激光熔覆的激光器和用于激光选区熔化和烧结的激光器的发生器类型均为二氧化碳激光器或者光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强金属零件的制备方法，其特征在于：所述的金属粉末包括铁、铜、镍、钴、钛、铝、锰中任意组合；所述惰性保护气体为氮气、氩气或者氦气。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强金属零件的制备方法，其特征在于：在上述步骤1)中，陶瓷微颗粒重量占金属粉末重量的1-5％。
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