CN107159893A - 一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，属于复合材料领域。为克服传统复合材料预制体制备工艺复杂、空间结构复杂预制体制备困难、预制体强度低以及金属液陶瓷颗粒之间润湿性差的问题，本发明采用三维数字建模、激光选区熔覆结合微粉活化的方法制备出强度高、空间结构复杂、孔隙率高的陶瓷颗粒预制体，并使用本发明获得的预制体制备出了空间结构复杂、性能优异的复合材料零部件。该方法将陶瓷和金属微粉的一种或多种按某种比例混合、球磨后与陶瓷颗粒混合，将预制体数字模型垂直Z向分层，在料床上逐层平铺活性微粉与陶瓷颗粒的混料，然后进行选区激光熔覆，每完成一层熔覆后工作台下降一个层厚，逐层熔覆最后获得整个预制体。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
随着工业化进程的不断推进，在水泥、矿山、冶金等各种行业中，材料的磨损越来越严重，传统的钢铁耐磨材料已经无法满足实际生产的需求。陶瓷金属基复合材料兼具陶瓷颗粒高模量、高比强度、高耐磨性和高热稳定性的特点，以及金属材料良好的韧性、抗冲击能力，生产工艺简单、成本低廉而成为制备耐磨件的理想材料。目前最经济有效的方式是通过无压铸渗制备复合材料耐磨件，然而此工艺所制备的金属基陶瓷复合材料仍存在一定的缺陷，其主要问题是陶瓷颗粒预制体制备工艺复杂、难以制备出空间结构复杂的预制体、颗粒结合强度低、颗粒与基体结合效果差。
中国发明专利CN103302268A公开了一种制备金属基复合材料陶瓷颗粒预制体方法。其步骤是首先用陶瓷粉末制备带空隙的陶瓷预制件，再通过镀镍的方式在预制件上镀镍，镀镍层厚度在10μm-200μm，将镀镍后的陶瓷预制体固定在型腔中，通过负压铸渗得到金属陶瓷耐磨复合材料。本发明制作简单，适合大型板件块件的生产。但是由于此方法只是在预制件外层镀镍，当预制件厚度达到一定程度时内部复合效果差。同时负压铸渗工艺复杂、成本高，此方法难以制备结构发杂的预制体。中国发明专利CN103641487A公开了一种制备陶瓷颗粒预制体的制备方法：将粘结剂与陶瓷颗粒混合，再加入碳化硅、碳化硼等碳化物粉末及氧化物粉末充分混合，将混合好的物料填充到模具中，得到蜂窝状多孔陶瓷预制体。此制备方法，成本低廉、适用性广，所制备的预制体与颗粒与金属液润湿性好，但此方法制备的预制体强度及空间结构受到限制，无法制备空间结构复杂的颗粒预制体。
本发明将三维数字建模、激光选区熔覆技术与微粉活化相结合，制备出了强度高、孔隙率高、空间结构复杂的陶瓷颗粒预制体，包覆在颗粒表面的活性微粉提高了金属液与陶瓷颗粒的润湿性和复合效果，同时复合材料中增强颗粒体积分数容易控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂结构复合材料陶瓷颗粒预制体的制备方法，该工艺可以快速制备出强度合理、空间结构复杂、孔隙率高、颗粒与金属润湿性好、颗粒在金属中分布均匀的陶瓷颗粒预制体。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，该方法具体步骤如下：
(1)采用CAD、UG三维建模软件对预制体进行数字化建模，并对预制体的数字模型沿Z轴离散化处理得到预制体截面的二维平面数据；
(2)将二维平面数据导入数控系统后，数控系统根据二维平面数据信息自动生成激光扫描路径；
(3)将陶瓷粉、金属粉的中的一种或几种与无水乙醇湿混，充分搅拌并球磨得到混合粉；
(4)将混合粉与陶瓷颗粒按照特定比例充分混合得到混料，将混料进行干燥处理后放入料斗；
(5)铺料刮刀在料床上铺设混料，随后进行选区激光熔覆；
(6)每完成一层熔覆后料床下降一个层厚高度，重复步骤(5)直至获得整个陶瓷颗粒预制体。
优选地，步骤(3)中，金属粉为Ni、Cr、Ti、Fe、Cu、Si、W、Mo，陶瓷粉为B4C、WC、SiC、Al2O3、ZrO2、Y2O3、B4N、Si3N4，其粒度为200-600目。
优选地，步骤(3)中，混合粉为一种或几种金属粉按特定比例的混合，或者一种或几种金属粉与一种或几种陶瓷粉的混合。
优选地，步骤(4)中，陶瓷颗粒为氧化物颗粒、碳化物颗粒及氮化物颗粒一种或几种的混合，其粒度在60-400目，颗粒形状为球形。
优选地，步骤(4)中，混料中陶瓷颗粒的体积分数为10-80％。
优选地，步骤(5)中，混料是通过刮刀平铺在料床上，随后激光按照设定路径进行熔覆，逐层堆积得到陶瓷颗粒预制体。
优选地，步骤(6)中，陶瓷颗粒预制体具有任意复杂空间结构。
优选地，步骤(5)中，激光熔覆时，激光功率为100-1200W，扫描速度为200-1200mm/s，光斑直径为30-80μm，成形速度在2-30mm3/s。
优选地，步骤(5)中，激光熔覆时，熔覆过程是在高真空或充满氩气的工作室内完成的。
为克服传统复合材料预制体制备工艺复杂、空间结构复杂预制体制备困难、预制体强度低以及金属液陶瓷颗粒之间润湿性差的问题，本发明采用三维数字建模、激光选区熔覆结合微粉活化的方法制备出强度高、空间结构复杂、孔隙率高的陶瓷颗粒预制体，并使用本发明获得的预制体制备出了空间结构复杂、性能优异的复合材料零部件。该方法将陶瓷和金属微粉的一种或多种按某种比例混合、球磨后与陶瓷颗粒混合，将预制体数字模型垂直Z向分层，在料床上逐层平铺活性微粉与陶瓷颗粒的混料，然后进行选区激光熔覆，每完成一层熔覆后工作台下降一个层厚，逐层熔覆最后获得整个预制体。
该发明的有益效果在于：本发明将三维数字建模与选区激光熔覆技术相结合，可以制备出具有任意复杂空间结构的陶瓷颗粒预制体，简化了复杂结构复合材料零部件生产工艺；本发明获得的陶瓷颗粒预制体所制备的复合材料增强体具有较高强度，体积分数容易控制、颗粒与金属结合性能好，增强颗粒在基体中分布均匀；铺料与熔覆同时进行，成形速度快，便于控制，有利于实现大件预制体的快速成形；本发明获得的陶瓷预制体与基体金属液具有良好的润湿性，能提供性能优异的复合材料。
附图说明
图1是实例1预制体所制备的Mn13/锆刚玉陶瓷颗粒复合材料组织图。
图2是实例1产品结构示意图。
图3是实例4产品立体结构示意图。
图4是实例4产品俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
实施例1
利用本发明方法制造一个内径40mm、外径50mm、长20mm、具有蜂窝结构的管状锆刚玉陶瓷颗粒预制体；具体步骤如下：
(1)利用CAD软件绘制一个内径40mm、外径50mm、长20mm的三维管状模型，并将该模型沿Z向分层处理，将立方体模型分成40个厚度为0.5mm、内径40mm、外径50mm的圆盘；
(2)将层状模型数据导入数控系统生成激光扫描路径；
(3)将500目Fe粉按照2:3比例与100目锆刚玉陶瓷颗粒充分混合并干燥后放入料斗；
(4)在充满氩气的工作室内,铺料刮刀将混料平铺在料床上，铺料厚度为0.5mm，随后按照设定路径进行选区激光熔覆；
(5)每完成一层熔覆后工作台下降0.5mm，并重复步骤(4)，直至获得完整预制体。图1是实例1预制体所制备的Mn13/锆刚玉陶瓷颗粒复合材料组织图。图2是实例1产品结构示意图。
实施例2
利用本发明方法制造一个内径40mm、外径50mm、长20mm、具有蜂窝结构的管状陶瓷颗粒预制体；具体步骤如下：
(1)利用CAD软件绘制一个内径40mm、外径50mm、长20mm的三维管状模型，并将该模型沿Z向分层处理，将立方体模型分成40个厚度为0.5mm、内径40mm、外径50mm的圆盘；
(2)将层状模型数据导入数控系统生成激光扫描路径；
(3)将500目Ti、Ni、Fe粉按照5:3:2(质量比)充分混合并真空球磨2h，然后按照2:3比例与100目混合陶瓷颗粒(Al2O3与ZrO2体积比为1:1)充分混合并干燥后放入料斗；
(4)在充满氩气的工作室内,铺料刮刀将混料平铺在料床上，铺料厚度为0.5mm，随后按照设定路径进行选区激光熔覆；
(5)每完成一层熔覆后工作台下降0.5mm，并重复步骤(4)，直至获得完整预制体。
实施例3
利用本发明技术制造一个内径40mm、外径50mm、长20mm、具有蜂窝结构的管状陶瓷颗粒预制体；具体步骤如下：
(1)利用CAD软件绘制一个内径40mm、外径50mm、长20mm的三维管状模型，并将该模型沿Z向分层处理，将立方体模型分成40个厚度为0.5mm、内径40mm、外径50mm的圆盘；
(2)将层状模型数据导入数控系统生成激光扫描路径；
(3)将600目Fe粉、Al2O3粉按照4:1(质量比)比例与100目锆刚玉陶瓷颗粒充分混合并干燥后放入料斗；
(4)在充满氩气的工作室内,铺料刮刀将混料平铺在料床上，铺料厚度为0.5mm，随后按照设定路径进行选区激光熔覆；
(5)每完成一层熔覆后工作台下降0.5mm，并重复步骤(4)，直至获得完整预制体。
实施例4
利用本发明技术制造一个中空长方体碳化钨陶瓷颗粒预制体；具体步骤如下：
(1)利用CAD软件绘制一个长50mm、宽40mm、高30mm，壁厚10mm的三维中空长方体结构预制体模型，并将该模型沿Z向分层处理，将中空长方体分成40个层状模型；
(2)将层状模型数据导入数控系统生成激光扫描路径；
(3)将500目Cr粉、Ti粉、ZrO2粉按照2:2:1(质量比)充分混合并真空球磨1.5h后与200目碳化钨陶瓷颗粒按照2:5充分混合并干燥后放入料斗；
(4)在高真空或的工作室内，铺料刮刀将混料平铺在料床上，铺料厚度为0.75mm，随后进行选区激光熔覆；
(5)每完成一层熔覆后工作台下降0.75mm，并重复步骤(4)，直至获得完整预制体。图3是实例4产品立体结构示意图。图4是实例4产品俯视结构示意图。
实施例5
利用本发明技术制造一个中空长方体碳化钨陶瓷颗粒预制体；具体步骤如下：
(1)利用CAD软件绘制一个长50mm、宽40mm、高30mm，壁厚10mm的三维中空长方体结构预制体模型，并将该模型沿Z向分层处理，将中空长方体分成40个层状模型；
(2)将层状模型数据导入数控系统生成激光扫描路径；
(3)将500目Cr粉、Ti粉、B4C粉、SiC粉按照5:2:2:1(质量比)充分混合并真空球磨1.5h后与200目混合颗粒(WC与ZrO2体积比为4:1)颗粒按照2:5充分混合并干燥后放入料斗；
(4)在高真空或的工作室内，铺料刮刀将混料平铺在料床上，铺料厚度为0.75mm，随后进行选区激光熔覆；
(5)每完成一层熔覆后工作台下降0.75mm，并重复步骤(4)，直至获得完整预制体。
实施例6
利用本发明技术制造一个中空长方体陶瓷颗粒预制体；具体步骤如下：
(1)利用CAD软件绘制一个长50mm、宽40mm、高30mm，壁厚10mm的三维中空长方体结构预制体模型，并将该模型沿Z向分层处理，将中空长方体分成40个层状模型；
(2)将层状模型数据导入数控系统生成激光扫描路径；
(3)将500目Cr粉、Ti粉、B4C粉、SiC粉按照5:2:2:1(质量比)充分混合并真空球磨1.5h后与300目混合颗粒(B4C、Al2O3、WC、ZrO2体积比为1:4:3:2)颗粒按照2:3充分混合并干燥后放入料斗；
(4)在高真空或的工作室内，铺料刮刀将混料平铺在料床上，铺料厚度为0.75mm，随后进行选区激光熔覆；
(5)每完成一层熔覆后工作台下降0.75mm，并重复步骤(4)，直至获得完整预制体。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
(1)采用CAD、UG三维建模软件对预制体进行数字化建模，并对预制体的数字模型沿Z轴离散化处理得到预制体截面的二维平面数据；
(2)将二维平面数据导入数控系统后，数控系统根据二维平面数据信息自动生成激光扫描路径；
(3)将陶瓷粉、金属粉的中的一种或几种与无水乙醇湿混，充分搅拌并球磨得到混合粉；
(4)将混合粉与陶瓷颗粒按照特定比例充分混合得到混料，将混料进行干燥处理后放入料斗；
(5)铺料刮刀在料床上铺设混料，随后进行选区激光熔覆；
(6)每完成一层熔覆后料床下降一个层厚高度，重复步骤(5)直至获得整个陶瓷颗粒预制体。
2.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，其特征在于：步骤(3)中，金属粉为Ni、Cr、Ti、Fe、Cu、Si、W、Mo，陶瓷粉为B4C、WC、SiC、Al2O3、ZrO2、Y2O3、B4N、Si3N4，其粒度为200-600目。
3.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，其特征在于：步骤(3)中，混合粉为一种或几种金属粉按特定比例的混合，或者一种或几种金属粉与一种或几种陶瓷粉的混合。
4.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，其特征在于：步骤(4)中，陶瓷颗粒为氧化物颗粒、碳化物颗粒及氮化物颗粒一种或几种的混合，其粒度在60-400目，颗粒形状为球形。
5.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，其特征在于：步骤(4)中，混料中陶瓷颗粒的体积分数为10-80％。
6.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，其特征在于：步骤(5)中，混料是通过刮刀平铺在料床上，随后激光按照设定路径进行熔覆，逐层堆积得到陶瓷颗粒预制体。
7.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，其特征在于：步骤(6)中，陶瓷颗粒预制体具有任意复杂空间结构。
8.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，其特征在于：步骤(5)中，激光熔覆时，激光功率为100-1200W，扫描速度为200-1200mm/s，光斑直径为30-80μm，成形速度在2-30mm3/s。
9.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷颗粒预制体制备方法，其特征在于：步骤(5)中，激光熔覆时，熔覆过程是在高真空或充满氩气的工作室内完成的。
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