CN106623923A - 一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法，采用选择性激光熔化成形装置制备增强泡沫铝复合板，增强泡沫铝复合板为“三明治”结构，最外面平板材质可以为陶瓷板、铝板、钢板等，中间为增强泡沫铝，按照以下步骤完成的：根据成形零件的需要，计算增强泡沫铝复合板两侧平板的厚度及成分配比，对增强体进行预处理，对成形粉末进行混合，建立零件三维模，利用Magics软件和切片软件对三维模型进行处理，将处理的数据传到成形设备控制系统，进行打印成形，设定预热温度、激光功率、扫描速度等工艺参数，打开激光器，进行增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形，对成形零件进行后处理。

Description

一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法
技术领域
本发明属于3D打印增材制造技术领域，具体涉及一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法。
背景技术
泡沫铝是以铝为基体其中分散着无数气泡的类似泡沫状的超轻金属材料，孔隙率为40%-98%。由于泡沫铝合金内部为特殊的胞状多孔结构，其具有密度小、比强度比刚度高、吸声减振、电磁屏蔽性强、隔热和阻燃等优点，在冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域应用前景广阔。然而纯金属泡沫铝合金材料在抗冲击，耐磨损方面性能较差，使其应用范围受到限制。在泡沫铝中添加高强度、高硬度的增强体材料，如陶瓷、碳纤维、SiC等，材料的力学性能、耐磨性能都有了很大的提高。然而增强泡沫铝在传统制备过程中往往存在增强体颗粒分布不均，增强体颗粒与基体润湿性差，界面结合不牢，成品内部气泡大小不一、分布不匀，材料稳定性差等问题。
增强泡沫铝作为结构材料时，由于其表面存在许多气泡凹坑，往往将其加工成“三明治”结构，在增强泡沫铝两侧粘贴或者焊接表面平整的板材。为了满足不同环境的需要，其板材需要选用不同的材料。然而由于两者材料不同，在增强泡沫铝表面粘贴或焊接平板时，往往存在粘贴或者焊接不牢的现象，从而降低了该结构材料的使用性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法。选择性激光熔化成形技术是3D打印技术领域最具发展潜力的技术之一。选择性激光熔化成形基本原理为：首先建立零件的三维实体模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的二维轮廓数据，将这些数据导入快速成形设备的计算机中，计算机按照设置的扫描方式，驱动激光熔化成形系统进行扫描成形，逐步堆叠成三维零件。选择性激光熔化成形金属基复合材料时，激光的高能量能够提高金属与增强体的润湿性，提高界面结合强度，同时由于激光扫描轨迹可控，成形零件的结构也可控。当成形粉末混合均匀时，制备的零件内部增强体分布也比较均匀。选择性激光熔化成形零件时，可实现一次成形，无需后续拼接、焊接等，即使材料不同，不同材料结合界面结合强度较高。
本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法，该方法是采用选择性激光熔化成形装置制备增强泡沫铝复合板，增强泡沫铝复合板为“三明治”结构，最外面平板材质可以为陶瓷板、铝板、钢板等，中间为增强泡沫铝，按照以下步骤完成的：
第一步，根据成形零件的需要，计算增强泡沫铝复合板两侧平板的厚度及成分配比。
第二步，对增强体进行预处理。
第三步，对成形粉末进行混合。
第四步，建立零件三维模，利用Magics软件和切片软件对三维模型进行处理，将处理的数据传到成形设备控制系统，进行打印成形。
第五步，设定预热温度、激光功率、扫描速度等工艺参数。
第六步，打开激光器，进行增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形。
第七步，对成形零件进行后处理。
根据上述方法，陶瓷泡沫铝复合板选择性激光熔化成形时，复合板两侧平板为Al2O3陶瓷板，板厚为5-20mm。中间泡沫铝厚度为50-200mm，成分主要有Al2O3和纯铝粉，Al2O3质量分数为10-40%，纯铝粉质量分数为60-90%。
根据上述方法，碳纤维泡沫铝复合板选择性激光熔化成形时，复合板两侧平板为钢板，板厚为1-10mm。中间泡沫铝厚度为20-100mm，成分主要有碳纤维和A356铝合金，碳纤维质量分数为0.1-0.5%，A356铝合金质量分数为99.5-99.9%。
根据上述方法，碳化硅泡沫铝复合板选择性激光熔化成形时，复合板两侧平板为7075铝板，板厚为1-10mm。中间泡沫铝厚度为5-80mm，成分主要有SiC和7075铝合金，SiC质量分数为5-10%，7075铝合金质量分数为90-95%。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：该方法实现了陶瓷-泡沫铝复合板一次整体成形，省去了传统方法将平板焊接或粘贴在泡沫铝两侧的二次加工。本方法增加了增强体与铝的润湿性，增加了界面结合强度，解决了增强体在铝基体团聚的难题，增加了增强体的分散性，制备的内部空隙结构也更加均匀，从而提高了增强泡沫铝复合板的综合力学性能。
具体实施方式
实施例一
本发明一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法，按照以下步骤完成的：
第一步，根据成形零件的需要，计算陶瓷泡沫铝复合板两侧平板的厚度及成分配比。其中复合板两侧Al2O3陶瓷板厚为10mm。中间泡沫铝内部结构为通孔，孔直径为5mm，泡沫铝厚度为80mm，成分主要有Al2O3和纯铝粉，Al2O3质量分数为20%，纯铝粉质量分数为80%。
第二步，对增强体进行预处理。利用5%HF+1%HCl+94%CH3CH2OH对Al2O3在超声波清洗机中进行超声清洗，清洗时间为20min，清洗完成后，用CH3CH2OH进行冲洗，随后在150℃温度下进行烘干。
第三步，对成形粉末进行混合。在真空条件下，利用三维混料机对清洗好的Al2O3粉末与纯铝粉进行混合，混料时间为4小时。
第四步，利用UG软建立零件三维模，利用Magics软件对零件的三维模型进行水平摆放，并用自动修复功能对零件模型三角面片进行修复。成形精度设为0.1mm。利用切片软件对模型进行切片处理，切片厚度为0.01mm，将切好的数据模型导入到成形计算机。
第五步，将Al2O3和纯铝粉混合粉装入一个供料缸，用于成形泡沫铝。将Al2O3陶瓷粉装入另外一个供料缸用于成形泡沫铝两侧的平板。设定基板预热温度为常温25℃，激光功率开始为200w，扫描速度为3000mm/min。
第六步，打开激光器，进行增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形。成形过程为：首先利用装有Al2O3陶瓷粉的供粉缸进行铺粉，成形一侧的平板，其次再用装有Al2O3和纯铝粉的供粉缸进行铺粉，成形陶瓷泡沫铝，最后在利用装有Al2O3陶瓷粉的供粉缸进行铺粉，成形另外一侧平板。
第七步，对成形零件表面进行喷砂处理，是成形件表面光洁度达到Ra6.3。
实施例二
本发明一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法，按照以下步骤完成的：
第一步，根据成形零件的需要，计算陶瓷泡沫铝复合板两侧平板的厚度及成分配比。其中复合板两侧钢板厚为5mm。中间泡沫铝内部结构为通孔，孔直径为6mm，泡沫铝厚度为50mm，成分主要有A356铝合金和碳纤维，A356铝合金质量分数为99.8%，碳纤维质量分数为0.2%。
第二步，对增强体进行预处理。利用10%HCl+90%CH3CH2OH对碳纤维在超声波清洗机中进行超声清洗，清洗时间为40分钟，清洗完成后，用去离子水进行冲洗，随后在200℃温度下进行烘干。
第三步，对成形粉末进行混合。在真空条件下，利用三维混料机对清洗好的碳纤维与A356铝合金粉进行混合，混料时间为5小时。
第四步，利用UG软建立零件三维模，利用Magics软件对零件的三维模型进行水平摆放，并用自动修复功能对零件模型三角面片进行修复。成形精度设为0.1mm。利用切片软件对模型进行切片处理，切片厚度为0.01mm，将切好的数据模型导入到成形计算机。
第五步，将碳纤维与A356铝合金混合粉装入一个供料缸，用于成形泡沫铝。将钢粉装入另外一个供料缸用于成形泡沫铝两侧的平板。设定基板预热温度为200℃，激光功率开始为220w，扫描速度为3500mm/min。
第六步，打开激光器，进行增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形。成形过程为：首先用装有钢粉的供粉缸进行铺粉，成形一侧的平板，随后利用装有混合粉末的供粉缸铺粉，成形陶瓷泡沫铝，最后再用装有钢粉的供粉缸进行铺粉，成形另外一侧平板。
第七步，对成形零件表面进行喷砂处理，是成形件表面光洁度达到Ra6.3。
实施例三
本发明一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法，按照以下步骤完成的：
第一步，根据成形零件的需要，计算陶瓷泡沫铝复合板两侧平板的厚度及成分配比。其中复合板两侧7075铝板厚为1mm。中间碳化硅泡沫铝内部结构为通孔，孔直径为2mm，泡沫铝厚度为10mm，成分主要有SiC和7075合金粉，SiC质量分数为8%，7075合金粉质量分数为92%。
第二步，对增强体进行预处理。利用1.2mol/L的HCl进行清洗，同时进行搅拌，清洗时间为1小时。清洗完成后，用CH3CH2OH进行冲洗，随后在300℃温度下进行烘干。
第三步，对成形粉末进行混合。在真空条件下，利用三维混料机对清洗好的SiC粉末和7075合金粉进行混合，混料时间为4小时。
第四步，利用UG软建立零件三维模，利用Magics软件对零件的三维模型进行水平摆放，并用自动修复功能对零件模型三角面片进行修复。成形精度设为0.1mm。利用切片软件对模型进行切片处理，切片厚度为0.01mm，将切好的数据模型导入到成形计算机。
第五步，将SiC粉末和7075合金粉混合粉装入一个供料缸，用于成形泡沫铝。将7075合金粉装入另外一个供料缸用于成形泡沫铝两侧的平板。设定基板预热温度为常温150℃，激光功率为200w，扫描速度为4000mm/min。
第六步，打开激光器，进行增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形。成形过程为：首先用装有7075合金粉的供粉缸进行铺粉，成形一侧的平板，随后利用装有混合粉末的供粉缸铺粉，成形陶瓷泡沫铝，最后再用装有7075合金粉的供粉缸进行铺粉，成形另外一侧平板。
第七步，对成形零件进行热处理，300℃加热3小时。随后对对成形零件表面进行喷砂处理，是成形件表面光洁度达到Ra6.3。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法，其特征在于，按照以下步骤完成的：
第一步，根据成形零件的需要，计算增强泡沫铝复合板两侧平板的厚度及成分配比；
第二步，对增强体进行预处理；
第三步，对成形粉末进行混合；
第四步，建立零件三维模型，利用Magics软件和切片软件对三维模型进行处理，将处理的数据传到成形设备控制系统，进行打印成形；
第五步，设定工艺参数，包括预热温度、激光功率、扫描速度；
第六步，打开激光器，进行增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形；
第七步，对成形零件进行后处理。
2.根据权利要求1所述的一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法，其特征在于：陶瓷泡沫铝复合板选择性激光熔化成形时，复合板两侧平板为Al2O3陶瓷板，板厚为5-20mm，中间泡沫铝厚度为50-200mm，成分主要有Al2O3和铝粉，Al2O3质量分数为10-40%，铝粉质量分数为60-90%。
3.根据权利要求1所述的一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法，其特征在于：碳纤维泡沫铝复合板选择性激光熔化成形时，复合板两侧平板为钢板，板厚为1-10mm，中间泡沫铝厚度为20-100mm，成分主要有碳纤维和A356铝合金，碳纤维质量分数为0.1-0.5%，A356铝合金质量分数为99.5-99.9%。
4.根据权利要求1所述的一种增强泡沫铝复合板选择性激光熔化成形方法，其特征在于：碳化硅泡沫铝复合板选择性激光熔化成形时，复合板两侧平板为7075铝板，板厚为1-10mm，中间泡沫铝厚度为5-80mm，成分主要有SiC和7075铝合金，SiC质量分数为5-10%，7075铝合金质量分数为90-95%。
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