CN109482881A - 一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其步骤包括：铝合金成分设计；碳化硅表面改性处理；气雾化制备铝基碳化硅复合材料粉末；建立铝基碳化硅复合材料结构件三维模型；对铝基碳化硅复合材料粉末进行激光选区烧结；对激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件进行去应力退火。本发明通过气雾化制粉得到可用于激光选区烧结的铝基碳化硅复合材料的粉末，然后将铝基碳化硅粉末放入激光选区熔化的送粉装置中，进行3D打印，在基板上形成铝基碳化硅的结构件。通过对成型后的机构件进行去应力退火，调节结构件的热物理性能和机械性能。本发明可以实现复杂结构件的铝基碳化硅复合材料的成型成性，解决铝碳化硅复合材料复杂零件的难加工问题。

Description

一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法
技术领域
本发明涉及复合材料成型领域，尤其涉及一种激光选区烧结制SiC/Al复合材料结构件方法。
背景技术
铝基碳化硅复合材料被称为金属化陶瓷，是一种新型功能复合材料，以不同粒径、高体积分数碳化硅为增强体的铝合金复合材料。SiCP/Al复合材料具有较高的热导率、低热膨胀系数以及突出的热物理性能和综合力学性能，常用于制造机载相阵控雷达座，直升机配件，以及卫星制造等方面，应用于航空航天、电子封装行业，IGBT功率模块、新能源汽车、电力机车等领域。
目前，国内SiCP/Al复合材料生产采用粉末冶金、放电等离子烧结法、压力浸渗等工艺，由于以上生产工艺复杂以及铝和碳化硅颗粒润湿性较差等影响，造成铝基碳化硅密度不均匀，残留一定量的气孔，降低铝基碳化硅复合材料的各项性能，不能有效应用于高端电子封装行业。另一方面中高体积分数铝基碳化硅复合材料由于其硬度较高，耐磨等特性使得其机械加工极为困难，使得复杂形状的铝基碳化硅复合材料结构件在实际应用中产生瓶颈。
发明内容
本发明针对上述现有问题，提供了一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，气雾化制粉得到可用于激光选区烧结的铝基碳化硅复合材料的粉末，然后将铝基碳化硅粉末放入激光选区熔化的送粉装置中，进行3D打印，在基板上形成铝基碳化硅的结构件。通过对成型后的机构件进行去应力退火，调节结构件的热物理性能和机械性能。本发明可以实现复杂结构件的铝基碳化硅复合材料的成型成性，解决铝碳化硅复合材料复杂零件的难加工问题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种激光选区烧结制SiC/Al复合材料结构件方法，包括以下步骤：
第一步：按照设计的铝合金成分进行铝合金的熔炼，制备出雾化制粉的铝合金母合金。
第二步：采用振动筛对原材料碳化硅颗粒粒径进行选择筛分，并获得最佳粒径的碳化硅颗粒；
第三步：将第二步中的碳化硅颗粒表面进行酸洗，酸洗溶液选择低浓度氢氟酸，消除碳化硅表面的污染物，使得碳化硅表面清洁；
第四步：将第三步酸洗后的碳化硅颗粒采用去离子水清洗，去除残留在碳化硅颗粒表面的稀酸，清洗之后在低温下进行烘干备用；
第五步：将第四步处理后的碳化硅颗粒整形，去除尖角，提高圆整度；并对碳化硅表面采取特殊的表面改性处理，进而增加碳化硅颗粒与铝的润湿性；
第六步：将五预处理后的碳化硅颗粒和铝合金进行雾化制粉，在铝合金雾化喷出时，碳化硅颗粒随高纯氩气高速撞击熔溶喷射的铝合金液体，使得碳化硅颗粒表面均匀包裹铝合金；
第七步：利用计算机三维软件构建所需产品的三维模型，并将其导入3D打印设备软件中。
第八步：将第六步制备的铝基碳化硅复合材料粉末装入3D打印设备送粉装置中并对成型腔体抽真空后，充入保护气体。
第九步：利用3D打印设备对铝基碳化硅复合颗粒按照三维构件图纸进行激光选区烧结。
第十步：将第九步激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件通过金刚线切割与基板分离。
第十一步：将第十步激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件进行去应力退火，调节结构件的热物理性能和机械性能。
其进一步技术方案在于：
所述铝合金主要成分质量百分数为：Mg 1.0～1.2％，Si 0.60～0.80％，Fe 0.6～0.8％，Cu 0.25～0.40％，Mn0.1～0.2％，Cr0.15～0.40％，Zn0.2～0.3％，Al余量。
所述碳化硅颗粒粒径≤10μm，纯度≥99.5％，碳化硅颗粒的洁净处理选用8～10％的氢氟酸和去离子水，碳化硅颗粒采用行星球磨机球磨，去除碳化硅尖角，提高碳化硅颗粒整体圆整度。碳化硅表面进行化学镀铬，提高碳化硅和铝合金的润湿性，厚度为0.5～1μm。
所述气雾化制备的铝基碳化硅复合材料粉末粒径为20～25μm。激光选区烧结的成型参数为：激光功率为300～500W，扫描速率为500～1000mm/s；扫描间距为20～40μm；铺粉厚度为0.6～0.8mm。
所述铝基碳化硅结构件的退火参数为：350～400℃，保温2小时，空冷。
本发明的有益效果如下：
激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，采用气雾化制粉得到可用于激光选区烧结的铝基碳化硅复合材料的粉末，然后将铝基碳化硅粉末放入激光选区熔化的送粉装置中，进行3D打印，在基板上形成铝基碳化硅的结构件。通过对成型后的机构件进行去应力退火，调节结构件的热物理性能和机械性能。实现复杂结构件的铝基碳化硅复合材料的成型成性，解决铝碳化硅复合材料复杂零件的难加工问题。
附图说明
图1为本发明方法中的工艺流程示意图。
具体实施方式
本发明方法中的工艺流程如图1所示，下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
一种激光选区烧结制SiC/Al复合材料结构件方法，包括以下步骤：
第一步：按照设计的铝合金成分进行铝合金的熔炼，制备出雾化制粉的铝合金母合金。其合金成分为Mg 1.0％，Si 0.75％，Fe 0.7％，Cu 0.35％，Mn0.15％，Cr0.25％，Zn0.27％，Al余量。
第二步：采用振动筛对原材料碳化硅颗粒粒径进行选择筛分，并获得粒径小于10μm的碳化硅颗粒；
第三步：将第二步中的碳化硅颗粒表面进行酸洗，酸洗溶液选择浓度8％氢氟酸，消除碳化硅表面的污染物，使得碳化硅表面清洁；
第四步：将第三步酸洗后的碳化硅颗粒采用去离子水清洗，去除残留在碳化硅颗粒表面的稀酸，清洗之后在100℃±10℃进行烘干备用；
第五步：将第四步处理后的碳化硅颗粒整形，去除尖角，提高圆整度；并对碳化硅表面进行化学镀铬，镀层厚度为0.8μm，进而增加碳化硅颗粒与铝的润湿性；
第六步：将五预处理后的碳化硅颗粒和铝合金进行雾化制粉，在铝合金雾化喷出时，碳化硅颗粒随高纯氩气高速撞击熔溶喷射的铝合金液体，使得碳化硅颗粒表面均匀包裹铝合金，整体颗粒径为23μm
第七步：利用计算机三维软件构建所需产品的三维模型，并将其导入3D打印设备软件中。
第八步：将第六步制备的铝基碳化硅复合材料粉末装入3D打印设备送粉装置中并对成型腔体抽真空后，充入保护气体。
第九步：利用3D打印设备对铝基碳化硅复合颗粒按照三维构件图纸进行激光选区烧结。激光选区烧结的成型参数为：激光功率为350W，扫描速率为800mm/s；扫描间距为25μm；铺粉厚度为0.6mm。
第十步：将第九步激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件通过金刚线切割与基板分离。
第十一步：将第十步激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件进行去应力退火，调节结构件的热物理性能和机械性能。退火参数为：380℃±10℃，保温2小时，空冷。
实施例2：
一种激光选区烧结制SiC/Al复合材料结构件方法，包括以下步骤：
第一步：按照设计的铝合金成分进行铝合金的熔炼，制备出雾化制粉的铝合金母合金。其合金成分为Mg 1.2％，Si 0.79％，Fe 0.68％，Cu 0.34％，Mn0.13％，Cr0.35％，Zn0.28％，Al余量。
第二步：采用振动筛对原材料碳化硅颗粒粒径进行选择筛分，并获得粒径小于10μm的碳化硅颗粒；
第三步：将第二步中的碳化硅颗粒表面进行酸洗，酸洗溶液选择浓度8.5％氢氟酸，消除碳化硅表面的污染物，使得碳化硅表面清洁；
第四步：将第三步酸洗后的碳化硅颗粒采用去离子水清洗，去除残留在碳化硅颗粒表面的稀酸，清洗之后在150℃±10℃进行烘干备用；
第五步：将第四步处理后的碳化硅颗粒整形，去除尖角，提高圆整度；并对碳化硅表面进行化学镀铬，镀层厚度为0.86μm，进而增加碳化硅颗粒与铝的润湿性；
第六步：将五预处理后的碳化硅颗粒和铝合金进行雾化制粉，在铝合金雾化喷出时，碳化硅颗粒随高纯氩气高速撞击熔溶喷射的铝合金液体，使得碳化硅颗粒表面均匀包裹铝合金，整体颗粒径为27μm
第七步：利用计算机三维软件构建所需产品的三维模型，并将其导入3D打印设备软件中。
第八步：将第六步制备的铝基碳化硅复合材料粉末装入3D打印设备送粉装置中并对成型腔体抽真空后，充入保护气体。
第九步：利用3D打印设备对铝基碳化硅复合颗粒按照三维构件图纸进行激光选区烧结。激光选区烧结的成型参数为：激光功率为450W，扫描速率为950mm/s；扫描间距为24μm；铺粉厚度为0.67mm。
第十步：将第九步激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件通过金刚线切割与基板分离。
第十一步：将第十步激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件进行去应力退火，调节结构件的热物理性能和机械性能。退火参数为：390℃±10℃，保温2小时，空冷。
实施例3：
一种激光选区烧结制SiC/Al复合材料结构件方法，包括以下步骤：
第一步：按照设计的铝合金成分进行铝合金的熔炼，制备出雾化制粉的铝合金母合金。其合金成分为Mg 1.1％，Si 0.75％，Fe 0.75％，Cu 0.36％，Mn0.13％，Cr0.38％，Zn0.26％，Al余量。
第二步：采用振动筛对原材料碳化硅颗粒粒径进行选择筛分，并获得粒径小于10μm的碳化硅颗粒；
第三步：将第二步中的碳化硅颗粒表面进行酸洗，酸洗溶液选择浓度8.5％氢氟酸，消除碳化硅表面的污染物，使得碳化硅表面清洁；
第四步：将第三步酸洗后的碳化硅颗粒采用去离子水清洗，去除残留在碳化硅颗粒表面的稀酸，清洗之后在120℃±10℃进行烘干备用；
第五步：将第四步处理后的碳化硅颗粒整形，去除尖角，提高圆整度；并对碳化硅表面进行化学镀铬，镀层厚度为0.95μm，进而增加碳化硅颗粒与铝的润湿性；
第六步：将五预处理后的碳化硅颗粒和铝合金进行雾化制粉，在铝合金雾化喷出时，碳化硅颗粒随高纯氩气高速撞击熔溶喷射的铝合金液体，使得碳化硅颗粒表面均匀包裹铝合金，整体颗粒径为29μm
第七步：利用计算机三维软件构建所需产品的三维模型，并将其导入3D打印设备软件中。
第八步：将第六步制备的铝基碳化硅复合材料粉末装入3D打印设备送粉装置中并对成型腔体抽真空后，充入保护气体。
第九步：利用3D打印设备对铝基碳化硅复合颗粒按照三维构件图纸进行激光选区烧结。激光选区烧结的成型参数为：激光功率为500W，扫描速率为900mm/s；扫描间距为35μm；铺粉厚度为0.76mm。
第十步：将第九步激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件通过金刚线切割与基板分离。
第十一步：将第十步激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件进行去应力退火，调节结构件的热物理性能和机械性能。退火参数为：400℃±10℃，保温2小时，空冷。
综上所述，本发明涉及一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，通过气雾化制粉得到可用于激光选区烧结的铝基碳化硅复合材料的粉末，然后将铝基碳化硅粉末放入激光选区熔化的送粉装置中，进行3D打印，在基板上形成铝基碳化硅的结构件。通过对成型后的机构件进行去应力退火，调节结构件的热物理性能和机械性能。本发明可以实现复杂结构件的铝基碳化硅复合材料的成型成性，解决铝碳化硅复合材料复杂零件的难加工问题。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)铝合金成分设计；
(b)碳化硅表面改性处理；
(c)气雾化制备铝基碳化硅复合材料粉末；
(d)建立铝基碳化硅复合材料结构件三维模型；
(e)对铝基碳化硅复合材料粉末进行激光选区烧结；
(f)对激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件进行去应力退火。
2.如权利要求1所述的一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于：所述步骤(a)中铝合金设计的主要成分质量百分数为：Mg 1.0～1.2％，Si 0.60～0.80％，Fe 0.6～0.8％，Cu 0.25～0.40％，Mn 0.1～0.2％，Cr 0.15～0.40％，Zn 0.2～0.3％，Al余量。
3.如权利要求1所述的一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于：所述步骤(b)中碳化硅表面改性主要包括：
(1)碳化硅颗粒粒径≤10μm，纯度≥99.5％；
(2)碳化硅颗粒的洁净处理选用8～10％的氢氟酸和去离子水；
(3)碳化硅颗粒采用行星球磨机球磨，去除碳化硅尖角，提高碳化硅颗粒整体圆整度；
(4)对球磨后的碳化硅表面进行化学镀铬，厚度为0.5～1μm。
4.如权利要求1所述的一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于：所述步骤(c)中铝基碳化硅复合材料粉末采用气雾化制粉，经过化学镀铬的碳化硅颗粒随着高纯氩气高速撞击熔溶喷射的铝合金液体，使得碳化硅颗粒表面均匀包裹铝合金，粉末粒径为20～25μm。
5.如权利要求1所述的一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于：所述步骤(d)中，利用计算机三维软件构建所需产品的三维模型，并将其导入3D打印设备软件中。
6.如权利要求1所述的一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于：所述步骤(e)中，将铝基碳化硅复合材料粉末装入3D打印设备送粉装置中，并对成型腔体抽真空后，充入保护气体，所述的保护气体为氮气或者氩气，以及多种混合气体；最后，将铝基碳化硅粉末送入成型腔体并均匀平铺在基板上。
7.如权利要求1或6所述的一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于：所述激光选区烧结的成型参数为：激光功率为300～500W，扫描速率为500～1000mm/s；扫描间距为20～40μm；铺粉厚度为0.6～0.8mm。
8.如权利要求1或7所述的一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于：所述激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件通过金刚线切割与基板分离。
9.如权利要求1所述的一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于：所述步骤(f)中，对激光选区烧结后的铝基碳化硅结构件进行去应力退火，调节结构件的热物理性能和机械性能；退火参数为：350～400℃，保温2小时，空冷。
10.如权利要求3所述的一种激光选区烧结制备SiC/Al复合材料结构件方法，其特征在于：所述气体保护碳化硅球磨工艺参数为，料球配比为1：2，球磨混料时间为30min，转速为300r/min。
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