CN108080629B - 一种金属基碳纳米管复合材料零件的成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种金属基碳纳米管复合材料零件的成形方法，包括以下步骤：步骤1，对金属粉末和碳纳米管预处理，得到金属基碳纳米管复合材料；步骤2，程序文件和SLM设备的准备；步骤3.当成形室的氧气体积含量不大于0.1％时，根据程序文件和成形工艺参数，开始选区熔化至逐步堆叠成所需零件。本发明成形方法使用激光选区熔化技术逐层熔化提高了碳纳米管在金属基体中的分散性，高冷却速率降低了碳纳米管与金属基体的界面反应与元素偏析，对核心工艺参数的控制提高了成形金属基碳纳米管复合材料的稳定性，成形材料致密度可达99.8％以上，并且能直接成形复杂零件，缩短生产周期，提高成形效率，具有很大的生产应用价值。
Description
技术领域
本发明属于激光选区熔化技术快速成形方法技术领域，具体涉及一种金属基碳纳米管复合材料零件的成形方法。
背景技术
随着航空航天、武器装备及自动化等高技术领域的快速发展，单一传统材料很难满足低比重、高强度、高塑韧性、高热稳定性等优异综合性能要求。金属基复合材料以其优异的综合性能成为目前关注和研究的热点。传统的碳化硅、碳纤维、氧化铝增强金属基复合材料的制备技术相对成熟，但其脆性大、耐磨性差等缺点限制了这类复合材料的广泛使用。一种新型复合材料增强体碳纳米管，其具有密度小、抗拉强度和弹性模量高、良好的抗氧化性和耐腐蚀性等优点，对于材料的综合性能有很大的提高。
目前传统的碳纳米管复合材料的制备方法有粉末冶金法、搅拌铸造法、熔体浸渍法、原位合成法等。金属基碳纳米管复合材料的研究前景可观，其中碳纳米管在复合材料中的分散性以及与基体材料的润湿性是碳纳米管复合材料目前的研究重点，但传统的制备方法与加工工艺复杂，导致生产效率低，而且利用传统工艺成形复杂零件也比较困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属基碳纳米管复合材料零件的成形方法，解决了现有成形方法加工工艺复杂、生产效率低、难以成形复杂零件的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种金属基碳纳米管复合材料零件的成形方法，包括以下步骤：
步骤1，对金属粉末和碳纳米管预处理，得到金属基碳纳米管复合材料；
步骤2，程序文件和SLM设备的准备
步骤2.1，程序文件准备：利用三维造型软件做出所需零件的三维实体模型，随后通过切片软件对三维实体模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据及填充扫描路径，保存此程序文件，然后将此程序文件及成形工艺参数导入SLM设备中；
步骤2.2，SLM设备准备：选择基板并固定在可升降的工作平台上、调平SLM设备，将步骤1的金属基碳纳米管复合材料粉末均匀铺平在工作平台上，然后对成形室抽真空、随后充入惰性气体，并根据步骤1中金属材料的种类对基板预热；
步骤3，当步骤2.2中的成形室的氧气体积含量不大于0.1％时，根据步骤2.1导入SLM设备的程序文件和成形工艺参数，SLM设备开始选区熔化，选区熔化完每层的金属基碳纳米管复合材料，工作平台降低一个层厚，再在工作平台上铺平金属基碳纳米管复合材料，继续选区熔化，循环选区熔化至逐步堆叠成所需零件。
本发明的特征还在于，
步骤1中金属粉末的预处理：选用粒径为10-60um的金属粉末；利用原位生长法在金属粉末上生长碳纳米管，或者将碳纳米管、镀覆铜或镍金属的碳纳米管与金属粉末以球磨法的方式充分混合，并使两者混合均匀，得到碳纳米管金属粉末，碳纳米管的体积分数为0.1％-20％；
将碳纳米管金属粉末放置在温度为100-150℃、大气压不大于-0.05MPa的真空环境下的烘干箱中干燥2-5h，然后冷却2-3h后取出，再利用200-240目的筛网筛粉即得金属基碳纳米管复合材料。
步骤2.2中基板的材料与步骤1中金属材料相同或者相似。
步骤2.2中，根据金属粉末材料和设备型号的不同，基板预热温度为35℃-300℃。
步骤3中成形工艺参数为：层厚为20-60um，激光功率350-500W，扫描速度为1000-1600mm/s，扫描间距0.05-0.23mm。
本发明成形方法的有益效果是：
(1)本发明成形方法中使用的激光选区熔化技术是逐层打印，限制不同层与层之间碳纳米管的团聚，提高了成形过程中碳纳米管在金属基体中的分散性；
(2)本发明成形方法中使用的激光选区熔化技术的冷却速率可达到106数量级，极高的冷却速率降低了其界面反应，轻微的界面反应也是增强碳纳米管与基体结合力的方式之一；
(3)本发明成形方法中使用的激光选区熔化技术的冷却速率可达106数量级，极高的冷却速率降低了材料的元素偏析；
(4)本发明成形方法中使用的激光选区熔化技术能直接成形结构复杂的零件，缩短生产周期，提高生产效率，有很好的实用价值。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明成形方法进行详细说明。
本发明一种金属基碳纳米管复合材料零件的成形方法，包括以下步骤：
步骤1，对金属粉末和碳纳米管预处理，得到金属基碳纳米管复合材料；
金属粉末的预处理：选用粒径为10-60um的金属粉末；利用原位生长法在金属粉末上生长碳纳米管，或者将碳纳米管、镀覆铜或镍金属的碳纳米管与金属粉末以球磨法的方式充分混合，并使两者混合均匀，得到碳纳米管金属粉末，碳纳米管的体积分数为0.1％-20％；其中为了改善碳纳米管与基体的润湿性，可在碳纳米管表面镀覆一层金属铜或镍；
将碳纳米管金属粉末放置在温度为100-150℃、大气压不大于-0.05MPa的真空环境下的烘干箱中干燥2-5h，然后冷却2-3h后取出，再利用200-240目的筛网筛粉即得金属基碳纳米管复合材料。
步骤2，程序文件和SLM设备的准备
步骤2.1，程序文件准备：利用三维造型软件做出所需零件的三维实体模型，随后通过切片软件对三维实体模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据及填充扫描路径，保存此程序文件，然后将此程序文件及成形工艺参数导入SLM设备中；
步骤2.2，SLM设备准备：选择与步骤1金属材料相同或相似材料的基板，基板固定在可升降的工作平台上，调平SLM设备，将步骤1的金属基碳纳米管复合材料均匀铺平在工作平台上，然后对成形室抽真空、随后充入惰性气体进行气氛保护，并根据步骤1中金属材料的性质对基板预热，在整个成形过程中一直开启预热，预热温度为35℃-300℃。基板具体为钢、高温合金、铝合金、钛合金等种类材料，或者选用同牌号或者同类型物理性能相近的材料。
步骤3，当步骤2.2中的成形室的氧气体积含量不大于0.1％时，根据步骤2.1导入SLM设备的程序文件和成形工艺参数，SLM设备开始选区熔化，选区熔化完每层的金属基碳纳米管复合材料，工作平台降低一个层厚，再在工作平台上铺平金属基碳纳米管复合材料，继续选区熔化，循环选区熔化至逐步堆叠成所需零件。成形工艺参数为：层厚20-60um，激光功率350-500W，扫描速度为800-1600mm/s，扫描间距0.05-0.23mm。
以逐层的方式激光选区熔化成形材料，限制了不同层与层之间碳纳米管的团聚，提高了金属基碳纳米管复合材料中碳纳米管的分散性。激光选区熔化技术的冷却速率可达106数量级，其极高的冷却速度降低了金属材料的微观偏析，也有助于降低界面反应，轻微的界面反应是增强碳纳米管与基体结合力的方式之一。不同金属基体之间存在性能差异性，有的金属基体会存在高反光，能量吸收率低、有的零件易翘曲变形、以及最初几层与基板结合强度弱等问题，成形前需要对基板进行预热。
实施例1
碳纳米管/铝基复合材料(AlSi10Mg)零件的成形
步骤1，对铝合金粉末和碳纳米管预处理，得到碳纳米管增强铝基复合材料；
金属粉末的预处理：选用粒径为15-60μm的金属粉末金属AlSi10Mg粉末。利用原位生长法在AlSi10Mg金属粉末上生长碳纳米管，碳纳米管的体积分数为20％，得到碳纳米管AlSi10Mg金属粉末。
将AlSi10Mg碳纳米管金属粉末放置在温度为150℃、大气压不大于-0.05MPa的真空环境下的烘干箱中干燥5h，冷却3h后取出，再利用200目的筛网进行筛粉即得铝基碳纳米管复合材料。
步骤2，程序文件和SLM设备的准备
程序文件准备：利用三维造型软件做出所需零件的三维实体模型，随后通过切片软件对三维实体模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据及填充扫描路径，保存此程序文件，然后将此程序文件及成形工艺参数导入SLM设备中；
SLM设备准备：选择与AlSi10Mg金属粉末相似材料的基板，基板固定在可升降的工作平台上，调平SLM设备，将步骤1的铝基碳纳米管复合材料均匀铺平在工作平台上，然后通过密封装置对成形室抽真空、随后充入氩气进行气氛保护，并对基板预热，预热温度为300℃。
步骤3，当步骤2中成形室的氧气体积含量不大于0.1％时，根据导入SLM设备的程序文件和成形工艺参数，SLM设备开始选区熔化，选区熔化完每层的铝基碳纳米管复合材料，工作平台降低一个层厚，再在工作平台上铺平铝基碳纳米管复合材料，继续选区熔化，循环选区熔化至逐步堆叠成所需零件。成形工艺参数为：层厚为20um，激光功率为400W，扫描速度为1300mm/s，扫描间距0.19mm。注意成形过程中的氩气保护。
实施例2
碳纳米管/铝基复合材料(Al-Si12)零件的成形
步骤1，对铝合金粉末和碳纳米管预处理，得到碳纳米管增强铝基复合材料；
金属粉末的预处理：选用粒径为15-60μm的金属粉末金属Al-Si12粉末。利用原位生长法在Al-Si12金属粉末上生长碳纳米管，碳纳米管的体积分数为10％，得到碳纳米管Al-Si12金属粉末。
将Al-Si12碳纳米管金属粉末放置在温度为120℃、大气压不大于-0.05MPa的真空环境下的烘干箱中干燥4h，冷却2h后取出，再利用210目的筛网进行筛粉即得铝基碳纳米管复合材料。
步骤2，程序文件和SLM设备的准备
程序文件准备：利用三维造型软件做出所需零件的三维实体模型，随后通过切片软件对三维实体模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据及填充扫描路径，保存此程序文件，然后将此程序文件及成形工艺参数导入SLM设备中；
SLM设备准备：选择与Al-Si12金属粉末相似材料的基板，基板固定在可升降的工作平台上，调平SLM设备，将步骤1的铝基碳纳米管复合材料均匀铺平在工作平台上，然后通过密封装置对成形室抽真空、随后充入氩气进行气氛保护，并对基板预热，预热温度为100℃。
步骤3，当步骤2中成形室的氧气体积含量不大于0.1％时，根据导入SLM设备的程序文件和成形工艺参数，SLM设备开始选区熔化，选区熔化完每层的铝基碳纳米管复合材料，工作平台降低一个层厚，再在工作平台上铺平铝基碳纳米管复合材料，继续选区熔化，循环选区熔化至逐步堆叠成所需零件。成形工艺参数为：层厚为30um，激光功率为350W，扫描速度为1600mm/s，扫描间距0.13mm。注意成形过程中的氩气保护。
实施例3
碳纳米管/铜基复合材料零件的成形
步骤1，对铜粉末和碳纳米管预处理，得到铜基碳纳米管复合材料；
金属粉末的预处理：选用粒径为15-53μm的金属粉末，为了改善碳纳米管与金属铜粉末的润湿性，在碳纳米管表面化学镀铜，再将预处理镀铜的碳纳米管与纯铜金属粉末以球磨方式充分混合均匀，碳纳米管的体积分数控制在0.1％，得到碳纳米管纯铜混合金属粉末。
将碳纳米管纯铜混合金属粉末放置在温度为100℃、大气压不大于-0.05MPa的真空环境下的烘干箱中干燥2h，冷却2h后取出，再利用235目的筛网进行筛粉即得铜基碳纳米管复合材料。
步骤2，程序文件和SLM设备的准备
程序文件准备：利用三维造型软件做出所需零件的三维实体模型，随后通过切片软件对三维实体模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据及填充扫描路径，保存此程序文件，然后将此程序文件及成形工艺参数导入SLM设备中；
SLM设备准备：选择与铜金属粉末相同材料的基板，基板固定在可升降的工作平台上，调平SLM设备，将步骤1的铜基碳纳米管复合材料均匀铺平在工作平台上，然后对成形室抽真空、随后充入氩气进行气氛保护。由于铜材料具有高反光和能量吸收率低等特点，需对基板预热，预热温度为200℃。
步骤3，当步骤2中成形室的氧气体积含量不大于0.1％时，根据导入SLM设备的程序文件和成形工艺参数，SLM设备开始选区熔化，选区熔化完每层的铜基碳纳米管复合材料，工作平台降低一个层厚，再在工作平台上铺平铜基碳纳米管复合材料，继续选区熔化，循环选区熔化至逐步堆叠成所需零件。成形工艺参数为：层厚为50um，激光功率500W，扫描速度为1000mm/s，扫描间距0.09mm。注意成形过程中的氩气保护。
通过上述实施例1-3可知：使用激光选区熔化技术逐层熔化限制了不同层之间碳纳米管的团聚，提高了碳纳米管在金属基体中的分散性，很高的冷却速率降低了碳纳米管与金属基体的界面反应，对核心工艺参数的控制提高了成形碳纳米管/金属基复合材料的稳定性，成形材料致密度可达99.8％以上，并且可以直接成形复杂零件，缩短生产周期，提高成形效率，具有很大的生产应用价值。
Claims (2)
1.一种金属基碳纳米管复合材料零件的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对金属粉末和碳纳米管预处理，得到金属基碳纳米管复合材料；
所述金属粉末的预处理：选用粒径为10-60um的金属粉末；利用原位生长法在金属粉末上生长碳纳米管，或者将碳纳米管、镀覆铜或镍金属的碳纳米管与金属粉末以球磨法的方式充分混合，并使两者混合均匀，得到碳纳米管金属粉末，碳纳米管的体积分数为0.1％-20％；
将碳纳米管金属粉末放置在温度为100-150℃、大气压不大于-0.05MPa的真空环境下的烘干箱中干燥2-5h，然后冷却2-3h后取出，再利用200-240目的筛网筛粉即得金属基碳纳米管复合材料；
步骤2，程序文件和SLM设备的准备
步骤2.1，程序文件准备：利用三维造型软件做出所需零件的三维实体模型，随后通过切片软件对三维实体模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据及填充扫描路径，保存此程序文件，然后将此程序文件及成形工艺参数导入SLM设备中；
步骤2.2，SLM设备准备：选择基板并固定在可升降的工作平台上、调平SLM设备，将步骤1的金属基碳纳米管复合材料粉末均匀铺平在工作平台上，然后通过密封装置对成形室抽真空、随后充入惰性气体，并根据步骤1中金属材料的种类对基板预热；
步骤3，当步骤2.2中成形室的氧气体积含量不大于0.1％时，根据步骤2.1导入SLM设备的程序文件和成形工艺参数，SLM设备开始选区熔化，选区熔化完每层的金属基碳纳米管复合材料，工作平台降低一个层厚，再在工作平台上铺平金属基碳纳米管复合材料，继续选区熔化，循环选区熔化至逐步堆叠成所需零件；
所述成形工艺参数为：层厚为20-60um，激光功率350-500W，扫描速度为1000-1600mm/s，扫描间距0.05-0.23mm。
2.根据权利要求1所述的一种金属基碳纳米管复合材料零件的成形方法，其特征在于，所述步骤2.2中基板的材料与步骤1中金属材料相同或者相似。
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- 2017-10-31 CN CN201711045288.4A patent/CN108080629B/zh active Active
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| CN108080629A (zh) | 2018-05-29 |
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