CN110079693A - 基于3d打印技术制备金属基复合材料坯料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术制备金属基复合材料坯料的方法，本发明可以实现陶瓷骨架增强金属基复合材料的制备，通过增强体材料的按需设置，即在强度要求较高的区域，添加增强相并进行固化烧结处理，提高强度；在韧性要求较高的区域形成不加增强相固化烧结处理，以此保证材料具有较好的韧性，通过增强体材料的按一定路径进行分布，在材料内部形成陶瓷骨架，避免传统方式制备陶瓷骨架复合材料过程中金属浸润不足的现象。

Description

基于3D打印技术制备金属基复合材料坯料的方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及基于3D打印技术制备金属基复合材料坯料的方法。
背景技术
复合材料的组成包括基体和增强材料两个部分。非金属基体主要有合成树脂、碳、石墨、橡胶、陶瓷；金属基体主要有铝、镁、铜和它们的合金；增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等有机纤维和碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝及硬质细粒等。复合材料根据其组成可分为金属与金属复合材料；金属与非金属复合材料；非金属与非金属复合材料三种。根据结构特点又可分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架复合材料。
层叠复合材料，又称层合复合材料，由于具有良好的热稳定性、高的比刚度、高的比强度等优点，广泛应用于航空航天、军事、汽车等领域。层叠复合材料分为双层金属复合材料和夹层复合材料以及多层复合材料；双层金属复合材料是将特性不同的两种金属，用胶合或者融合铸造，热压、焊接、喷涂等方法复合在一起；夹层复合材料是性质完全不同的表面材料与芯材复合而成的一种材料；多层复合材料是将几种不同的材料叠层粘粘在一起。叠层材料根据不同的材料制备方式不同，造成工序繁杂，可控性差；并且需要对叠层材料按照所需的性能进行设计，工序难度成倍增加；比如中间层的形状变化，以实现材料的性能增强等等；以及叠层材料的按需设计，目前还很能实现。
传统的骨架复合材料利用粘结剂将增强体材料材料粘结起来进行烧结，形成多孔材料或空间骨架结构，再进行金属材料的浸润，形成以增强体材料为骨架的复合材料，如碳化硅骨架增强型复合材料等，能够提升材料的强度和韧性，但是陶瓷骨架在金属液浸润的过程中容易出现浸润不足的现象，因此工艺复杂，可操作性差，以及造成成品率低。为了解决上述问题，本领域研究人员一直探索一种工艺简单，操作性强，成品率高的骨架复合材料，以期能够解决复合材料内部陶瓷骨架的定制化操作，实现高性能陶瓷骨架复合材料的制备。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种基于3D打印技术制备金属基复合材料坯料的方法。本发明能够实现增强体材料的按需分布，实现复合材料内部增强相层的定制化操作，制备性能良好的金属基复合材料。
本发明的技术方案如下：
基于3D打印技术制备金属基复合材料坯料的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)选择基体材料：选取一定规格的金属粉末材料；
(2)选择增强材料：选取一定规格的增强体材料；
(3)利用物理或者化学方法将工作平台粗糙化处理；
(4)在粗糙化处理的工作平台上预铺一层如步骤(1)所述的金属粉末材料；第一层金属粉末在平台上附着时，不容易附着，将平台粗糙化处理，有助于底层第一层金属附着。
(5)利用辐射的方式将步骤(4)的材料加热处理，工作平台下移；辐射的方式可以为辐射加热或者激光射线扫描，对于熔点较低的金属，可以利用辐射的方式加热，对于增强体材料用激光扫描的方式；可以用两种方式：一种辐射加热金属材料，激光扫描增强体材料；一种是金属材料和增强体材料都用激光扫描，两者用不同频率的激光，优选后者；工作平台下移便于对第二层材料的附着，在激光烧结的情况下时，容易聚焦，避免因为平台层面的增加，激光聚焦发生变化，而使得加工过程控制复杂。
(6)重复步骤(4)和步骤(5)，使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；
(7)在步骤(6)形成的底层固结金属层上均匀铺设一层金属粉末材料；
(8)在步骤(7)基础上按照特定的路径铺置增强体材料层，利用辐射的方式进行加热处理，可以多铺基层，每层单独进行烧结处理，使得增强体层能很好的烧结在一起；所述的特定路径一般为通过模拟软件模拟分析得到的拓扑网络结构数据，将此种数据在3D打印系统执行相应的操作，这是3D打印技术的优势——对不同的区域进行定制化烧结固化)，即通过对三维数据切片处理，分析出每层结构的图形，然后根据系统分析(现有的3D打印机的控制系统都能够实现图形数据的分析，并执行相应的打印操作)利用相应的铺粉系统进行定制化铺粉(在强度要求较高的区域增加增强相粉末，在需要韧性较高的区域只铺设金属粉末)并进行相应的固化处理(按需铺粉以及材料分布图形和疏密程度的变化——即在强度要求较高的区域，铺设增强相粉末并进行固化烧结处理，提高强度，并按照不同的形状进行铺设；在韧性要求较高的区域形成不加增强相固化烧结处理，以此保证材料具有较好的韧性)，即形成类似于三明治状的结构的复合材料。因为石墨烯、碳纳米管、碳纤维的长度也是微米级的，因此SiC纳米颗粒、AlN纳米颗粒、B4C纳米颗粒、Mg2Si纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒，石墨烯、碳纳米管、碳纤维都可以利用现在的中空送粉方式铺设，就是利用气压将粉末通过喷头输出。
通过上述的方式使增强体材料按需设置，在强度要求较高的区域(中间或两端)，添加增强相，提高强度，在韧性要求较高的区域形成不加增强相，以此保证材料具有较好的韧性，提高材料的综合性能。
这种方式也可以制备陶瓷骨架增强金属基复合材料，陶瓷骨架为蜂窝陶瓷状，就是在根据三维数据，分析出陶瓷骨架的截面图，根据相应的陶瓷骨架截面图先将部分的陶瓷骨架烧结而成，然后再进行金属粉末的填充烧结，再进行陶瓷骨架上表面的封腔，再进行金属材料的附着(蜂窝陶瓷内部空腔结构不规则，传统技术在进行液态金属浸润填充时，容易留下亲润不足，造成空腔)，此种技术能够在实现蜂窝陶瓷复合金属材料时，使材料的内部都能金属填充完全，避免亲润不足的现象。可以在加热后利用吸尘器等类似的方式对未固结的材料进行清除，也可以不用去清除，因为在一定情况下增强体材料与基体材料结合能够提高材料的整体性能。
(9)在步骤(8)的基础上，即整个层面上或避开特殊路径的区域，铺设步骤(1)中的金属粉末材料，利用辐射的方式进行加热处理，工作平台下移；可以多铺几层金属粉末材料，使得金属粉末材料的厚度大于增强体材料层厚度；整个层面上铺设金属粉末材料即形成三明治状复合材料；避开特殊路径的区域即形成陶瓷骨架增强金属基复合材料。
(10)重复步骤(8)和(9)操作至完成坯料制作；
(11)在步骤(10)的基础上铺设一层如步骤(1)所述的金属粉末材料，利用辐射的方式进行加热处理，工作平台下移；
(12)重复步骤(11)的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件。
顶层固结金属层可以实现在金属粉末烧结完成后，后续重熔或者半固态加工时，出现的收缩时，顶层固结金属可以对相应区域实现重新填充或者补缩。
步骤(1)中所述金属粉末材料为镁、铝、锌粉末中的一种或者多种或其合金粉末中的一种；所述金属粉末材料的平均粒径在1～150μm之间；步骤(2)中所述的增强体材料为SiC纳米颗粒、AlN纳米颗粒、B4C纳米颗粒、Mg2Si纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种；所述SiC纳米颗粒、AlN纳米颗粒、B4C纳米颗粒、Mg2Si纳米颗粒或Al2O3纳米颗粒的平均粒径在1-200nm之间，所述石墨烯尺寸：厚度为1～50nm，长度1～30um；所述碳纳米管尺寸：直径10～60nm，长度1～30um；碳纤维尺寸为：直径为10～80nm，长度1～30μm。
所述的权利要求1的步骤(3)～(10)在真空环境或者惰性气体保护条件下完成。
步骤(3)中所述的物理或者化学方法为：机械打磨或电化学腐蚀。
所述步骤(7)进行辐射加热处理。
步骤(5)中所述的辐射方式为激光射线或辐射加热。
步骤(6)中所述底层固结金属层的厚度为2cm～10cm；步骤(12)中所述顶层固结金属层的厚度为0.5cm～5cm。
所述步骤(4)、(7)、(9)或(11)中的铺设的金属粉末材料层厚为0.01～1mm；所述步骤(8)中铺设特定路径增强体材料层的厚度为0.1～1mm。
所述步骤(8)与(9)中铺设特定路径增强体材料层厚度：金属粉末材料厚度为1:1～10。
本发明有益的技术效果在于：
本发明可以实现叠层复合材料的制备，通过增强体材料的按需设置，即在强度要求较高的区域，添加增强相并进行固化烧结处理，提高强度；在韧性要求较高的区域形成不加增强相固化烧结处理，以此保证材料具有较好的韧性，提高材料的综合性能，从而解决传统技术难以实现金属基层叠复合材料(三明治状复合材料)制备的难题。并且在制备叠层复合材料时，能够实现中间层材料的分布按需设计(即增强相分布图形或疏密程度的变化，满足不同性能材料的制备)，降低工序难度，实现材料的可设计性。
本发明也可以实现陶瓷骨架增强金属基复合材料的制备，通过增强体材料的按一定路径进行分布，在材料内部形成陶瓷骨架，避免传统方式制备陶瓷骨架复合材料过程中金属浸润不足的现象(也就是陶瓷骨架与金属一体成形，避免传统技术中先进行陶瓷骨架制备再进行浸润的过程，防止浸润不足的现象)。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明产品结构示意图；
图中：1、底层固结金属层，2、增强体材料，3、金属粉末材料，4、顶层固结金属层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1
(1)选择基体材料：选取平均粒径在1～150μm之间，纯度为99.5％以上的铝粉；
(2)选择增强材料：选取平均粒径在1-200nm之间，纯度为99.5％以上的SiC材料；
(3)利用激光扫描的方式将工作平台粗糙化处理；
(4)在粗糙化处理的工作平台上预铺一层如步骤(1)所述的铝粉；
(5)利用激光扫描的方式将步骤(4)的材料加热处理，工作平台下移；
(6)重复步骤(4)和(5)，使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；厚度为5cm。
(7)在步骤(6)形成的底层固结金属层上均匀铺设一层金铝粉，层厚为0.2mm；
(8)在步骤(7)基础上利用中空送粉的方式铺置SiC材料，形成横向和纵向交错的网格状，利用激光扫描的方式进行烧结处理，SiC材料层厚为0.2mm；可以多铺几层，使得增强相的强度更高；其中根据3D打印机的控制系统以及外部根据设计需要提供的切片数据进行SiC材料图形和疏密程度的按需铺设。
(9)在步骤(8)的基础上铺设步骤(1)中的铝粉，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移，层厚为0.2mm，可以多铺几层，使得铝层的厚度大于SiC层；
(10)重复步骤(8)和(9)操作至完成胚料制作；
(11)在步骤(10)的基础上铺设一层如步骤(1)所述的铝粉，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移；层厚为0.2mm；
(12)重复步骤(11)的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件，顶层固结金属层厚度为2cm。
上述操作在氩气气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。
实施例2
(1)选择基体材料：选取平均粒径在1～150μm之间，纯度为99.5％以上的铝粉；
(2)选择增强材料：选取平均粒径在1-200nm之间，纯度为99.5％以上的SiC材料；
(3)利用激光扫描的方式将工作平台粗糙化处理；
(4)在粗糙化处理的工作平台上预铺一层如步骤(1)所述的铝粉；
(5)利用激光扫描的方式将步骤(4)的材料加热处理，工作平台下移；
(6)重复步骤(4)和(5)，使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；厚度为2cm。
(7)在步骤(6)形成的底层固结金属层上均匀铺设一层金铝粉，层厚为0.01mm；
(8)在步骤(7)基础上利用中空送粉的方式铺置SiC材料，形成横向和纵向交错的网格状，利用激光扫描的方式进行烧结处理，SiC材料层厚为0.1mm；其中根据3D打印机的控制系统以及外部根据设计需要提供的切片数据进行SiC材料图形和疏密程度的按需铺设。
(9)在步骤(8)的基础上铺设步骤(1)中的铝粉，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移，层厚为0.2mm；
(10)重复步骤(8)和(9)操作至完成胚料制作；
(11)在步骤(10)的基础上铺设一层如步骤(1)所述的铝粉，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移；层厚为0.2mm；
(12)重复步骤(11)的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件，顶层固结金属层厚度为0.5cm。
上述操作在真空或惰性气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。
实施例3
(1)选择基体材料：选取平均粒径在1～150μm之间，纯度为99.5％以上的铝粉；
(2)选择增强材料：选取平均粒径在1-200nm之间，纯度为99.5％以上的SiC材料；
(3)利用激光扫描的方式将工作平台粗糙化处理；
(4)在粗糙化处理的工作平台上预铺一层如步骤(1)所述的铝粉；
(5)利用激光扫描的方式将步骤(4)的材料加热处理，工作平台下移；
(6)重复步骤(4)和(5)，使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；厚度为10cm。
(7)在步骤(6)形成的底层固结金属层上均匀铺设一层金铝粉，层厚为1mm；
(8)在步骤(7)基础上利用中空送粉的方式铺置SiC材料，形成横向和纵向交错的网格状，利用激光扫描的方式进行烧结处理，SiC材料层厚为0.1mm；可以多铺几层，使得增强相的强度更高；其中根据3D打印机的控制系统以及外部根据设计需要提供的切片数据进行SiC材料图形和疏密程度的按需铺设。
(9)在步骤(8)的基础上铺设步骤(1)中的铝粉，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移，层厚为0.1mm，可以多铺几层，使得铝层的厚度大于SiC层；
(10)重复步骤(8)和(9)操作至完成胚料制作；
(11)在步骤(10)的基础上铺设一层如步骤(1)所述的铝粉，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移；层厚为0.01～1mm，优选0.2mm；
(12)重复步骤(11)的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件，顶层固结金属层厚度为5cm。
上述操作在真空或惰性气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。
实施例4
(1)选择基体材料：选取平均粒径在1～150μm之间，纯度为99.5％以上的铝粉；
(2)选择增强材料：选取直径10～60nm，长度1～30um的碳纳米管；
(3)利用激光扫描的方式将工作平台粗糙化处理；
(4)在粗糙化处理的工作平台上预铺一层如步骤(1)所述的铝粉；
(5)利用激光扫描的方式将步骤(4)的材料加热处理，工作平台下移；
(6)重复步骤(4)和(5)，使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；厚度为5cm。
(7)在步骤(6)形成的底层固结金属层上均匀铺设一层金铝粉，层厚为0.2mm；
(8)在步骤(7)基础上利用中空送粉的方式铺置碳纳米管材料，形成横向和纵向交错的网格状，利用激光扫描的方式进行烧结处理，碳纳米管材料层厚为0.2mm；可以多铺几层，使得增强相的强度更高；其中利用3D打印机的控制系统分析外部根据设计需要提供的切片数据进行碳纳米管材料图形和疏密程度的按需铺设。
(9)在步骤(8)的基础上铺设步骤(1)中的铝粉，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移，层厚为0.2mm，可以多铺几层，使得铝层的厚度大于碳纳米管层；
(10)重复步骤(8)和(9)操作至完成胚料制作；
(11)在步骤(10)的基础上铺设一层如步骤(1)所述的铝粉，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移；层厚为0.2mm；
(12)重复步骤(11)的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件，顶层固结金属层厚度为2cm。
上述操作在真空或惰性气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。
实施例5
(1)选择基体材料：选取平均粒径在1～150μm之间，纯度为99.5％以上的6061铝合金粉末；
(2)选择增强材料：选取直径为10～80nm，长度1～30μm的碳纤维；
(3)利用激光扫描的方式将工作平台粗糙化处理；
(4)在粗糙化处理的工作平台上预铺一层如步骤(1)所述的6061铝合金粉末；
(5)利用激光扫描的方式将步骤(4)的材料加热处理，工作平台下移；
(6)重复步骤(4)和(5)，使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；厚度为2cm。
(7)在步骤(6)形成的底层固结金属层上均匀铺设一层6061铝合金粉末，层厚为0.2mm；
(8)在步骤(7)基础上利用中空送粉的方式铺置碳纤维材料，形成横向和纵向交错的网格状，利用激光扫描的方式进行烧结处理，碳纤维材料层厚为0.2mm；可以多铺几层，使得增强相的强度更高；其中利用3D打印机的控制系统分析外部根据设计需要提供的切片数据进行碳纤维材料图形和疏密程度的按需铺设。
(9)在步骤(8)的基础上铺设步骤(1)中的6061铝合金，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移，层厚为0.2mm，可以多铺几层，使得铝层的厚度大于碳纤维层；
(10)重复步骤(8)和(9)操作至完成胚料制作；
(11)在步骤(10)的基础上铺设一层如步骤(1)所述的6061铝合金粉末，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移；层厚为0.2mm；
(12)重复步骤(11)的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件，顶层固结金属层厚度为1cm。
上述操作在真空或惰性气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。
实施例6
(1)选择基体材料：选取平均粒径在1～150μm之间，纯度为99.5％以上的镁铝锌混合粉末；
(2)选择增强材料：选取直径为10～80nm，长度1～30μm的碳纤维；
(3)利用激光扫描的方式将工作平台粗糙化处理；
(4)在粗糙化处理的工作平台上预铺一层如步骤(1)所述的镁铝锌混合粉末；
(5)利用激光扫描的方式将步骤(4)的材料加热处理，工作平台下移；
(6)重复步骤(4)和(5)，使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；厚度为2cm。
(7)在步骤(6)形成的底层固结金属层上均匀铺设一层镁铝锌混合粉末，层厚为0.2mm；
(8)在步骤(7)基础上利用中空送粉的方式铺置碳纤维材料，形成横向和纵向交错的网格状，利用激光扫描的方式进行烧结处理，碳纤维材料层厚为0.2mm；可以多铺几层，使得增强相的强度更高；其中利用3D打印机的控制系统分析外部根据设计需要提供的切片数据进行碳纤维材料图形和疏密程度的按需铺设。
(9)在步骤(8)的基础上铺设步骤(1)中的镁铝锌混合粉末，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移，层厚为0.2mm，可以多铺几层，使得铝层的厚度大于碳纤维层；
(10)重复步骤(8)和(9)操作至完成胚料制作；
(11)在步骤(10)的基础上铺设一层如步骤(1)所述的镁铝锌混合粉末，利用激光扫描的方式进行加热处理，工作平台下移；层厚为0.2mm；
(12)重复步骤(11)的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件，顶层固结金属层厚度为1cm。
上述操作在真空或惰性气氛保护情况下以及在超声波条件下，在温度250～350℃的保温环境下进行。

Claims (8)

1.基于3D打印技术制备金属基复合材料坯料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)选择基体材料：选取一定规格的金属粉末材料；
(2)选择增强材料：选取一定规格的增强体材料；
(3)利用物理或者化学方法将工作平台粗糙化处理；
(4)在粗糙化处理的工作平台上预铺一层如步骤(1)所述的金属粉末材料；
(5)利用辐射的方式将步骤(4)的材料加热处理，工作平台下移；
(6)重复步骤(4)和步骤(5)，使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；
(7)在步骤(6)形成的底层固结金属层上均匀铺设一层金属粉末材料；
(8)在步骤(7)基础上按照特定的路径铺置增强体材料层，利用辐射的方式进行加热处理，所述特定的路径为通过模拟软件模拟分析得到的拓扑网络结构进行切片后形成的交错的网格路径；
(9)在步骤(8)的基础上，即整个层面上或避开特殊路径的区域，铺设步骤(1)中的金属粉末材料，利用辐射的方式进行加热处理，工作平台下移；
(10)重复步骤(8)和(9)操作至完成坯料制作；
(11)在步骤(10)的基础上铺设一层如步骤(1)所述的金属粉末材料，利用辐射的方式进行加热处理，工作平台下移；
(12)重复步骤(11)的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属粉末材料为镁、铝、锌粉末中的一种或者多种或其合金粉末中的一种；所述金属粉末材料的平均粒径在1～150μm之间；步骤(2)中所述的增强体材料为SiC纳米颗粒、AlN纳米颗粒、B4C纳米颗粒、Mg2Si纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种；所述SiC纳米颗粒、AlN纳米颗粒、B4C纳米颗粒、Mg2Si纳米颗粒或Al2O3纳米颗粒的平均粒径在1-200nm之间，所述石墨烯尺寸：厚度为1～50nm，长度1～30um；所述碳纳米管尺寸：直径10～60nm，长度1～30um；碳纤维尺寸为：直径为10～80nm，长度1～30μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)～(10)在真空环境或者惰性气体保护条件下完成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的物理或者化学方法为：机械打磨或电化学腐蚀。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)进行辐射加热处理。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中所述的辐射方式为激光射线或辐射加热。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中所述底层固结金属层的厚度为2cm～10cm；步骤(12)中所述顶层固结金属层的厚度为0.5cm～5cm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)、(7)、(9)或(11)中的铺设的金属粉末材料层厚为0.01～1mm；所述步骤(8)中铺设特定路径增强体材料层的厚度为0.1～1mm。
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