CN110125404B - 基于3d打印技术制备颗粒增强金属基复合材料坯料的方法 - Google Patents

基于3d打印技术制备颗粒增强金属基复合材料坯料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料坯料的方法，本发明可以根据材料成分的控制，实现根据性能需求设计材料成分，以及通过控制加入增强体的分布，实现材料的可设计性，提高复合材料的性能，扩展颗粒增强基复合材料金属基复合材料的用途。

Description

基于3D打印技术制备颗粒增强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打印技术制备颗粒增强金属基复合材料坯料的方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料是碳化物、氮化物、石墨等颗粒增强金属或合金基体的金属基复合材料的统称。这类复合材料的组成范围宽广，可根据工作的工况要求选择基体金属和增强颗粒，常选用的颗粒有碳化硅、碳化钛、碳化硼、碳化钨、氧化铝、氮化硅、硼化钛、氮化硼及石墨等，金属基体有铝、镁、钛、铜、铁、钻等及其合金。典型的颗粒增强金属基复合材料有SiCp/Al，Al2O3/Al，SiCp/Mg，B4Cp/Mg，TiC/Ti，WC/Ni等。制造方法有粉末冶金法、铸造法、真空压力浸渍法和共喷射沉积法。可以直接做成零件，也可做成铸锭后进行热挤压、锻造、轧制等。
传统的颗粒增强金属基复合材料制备方式是将增强体材料加入熔融的合金材料熔液中，进行不断的搅拌再进行浇注冷却成型。但是金属合金材料的成分往往是固定的，在需要不同的合金成分往往需要重新配比，工序和周期较长，从而限制了颗粒增强金属基复合材料的研究。本领域技术人员一直在研究开发一种能够有效解决合金材料的快速配制和进行增强体加入均匀混合的制备方案，但未有良好的效果。因此急需一种技术，能够实现不同金属材料的按需配制，以及增强体材料的均匀分布，从而实现颗粒增强金属基复合材料成分的定制化制备。
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打印技术制备颗粒增强金属基复合材料坯料的方法。本发明能够实现合金材料的快速配制和进行增强体均匀分布，从而实现金属基复合材料成分的定制化制备。
本发明的技术方案如下：
基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料坯料的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）选择基体材料：选取一定规格的若干种金属粉末材料；
（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）所述的任意一种或多种金属粉末材料；
（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（5），使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；在此基础上进行其它材料的附着，可以防止由于工作台面材料的不同造成最终形成的零件变形；
（7）在步骤（6）形成的底层固结金属层上均匀铺设一层一种步骤（1）中的金属粉末材料；
（8）在步骤（7）基础上铺设增强体材料；根据材料厚度以及材料的性能决定是否进行辐射加热处理；材料较厚时进行加热（或激光扫描），材料较薄时可与下层材料一起加热（或激光扫描）处理；所述加热处理可使材料表面熔化，也可使材料整体熔化，以使材料达到整体粘结，不产生球化效果为宜；辐射加热可为激光射线或者电磁加热的方式。
铺粉方式类似于打印机的铺粉方式，将材料由粉盒集装，通过一个或一个以上的滚筒将材料均匀的铺设在台面上，滚筒可以通过静电吸附的方式粘粉，然后用刮板使材料下落（本文中提到的材料铺设方式除非特别说明均可采用这种方式）的方式设置增强体材料；根据材料厚度以及材料的性能决定是否进行辐射加热处理；材料较厚时进行加热，材料较薄时可与下层材料一起加热处理。
（9）在步骤（8）的基础上铺设步骤（1）中的一种金属粉末材料，工作平台下移；
（10）在步骤（9）的基础上铺设步骤（1）中的第二种金属粉末材料，工作平台下移；
（11）在步骤（10）的基础上铺设步骤（1）中的第N种金属粉末材料，利用辐射的方式进行熔化处理，工作平台下移；所述第N中金属可以为3、4、5……，因为合金材料的组成都不单一的，也不是唯一的，此处主要公开一种新的可以组合和定制的材料；可以是现有的已知的材料，也可以是未知的材料；当然材料的配比也是多种的，因此用N来表示多种难以详尽的材料。
材料铺层较厚时，可以用（7）加热、（8）加热、（9）加热或者（7）加热、（8）不加热、（9）加热或者（7）不加热、（8）不加热、（9）加热等加热次序，以使基体金属熔化或者表面熔化，使得能够将SiC颗粒上下粘结形成包敷的效果；材料铺层较薄时，可以在（7）、（8）和（9）完成铺粉时再对（9）进行辐射加热处理，此过程要求但不仅限于按照（7）、（8）和（9）的顺序，也可以按照（7）、（8）、（9）、（9）或者（7）、（7）、（8）、（9）以及（7）、（7）、（8）、（9）、（9）等方式铺层，具体由要制备的材料性能来决定；并且步骤（9）中的金属粉末材料层又可以作为下一层增强体材料层的基底材料；在使用激光射线加热方式时能够使步骤（1）合金粉末熔化即可，也可以使用多种频率的激光束重复扫描，以求达到良好的效果；上述（7）、（8）和（9）指步骤（7）、步骤（8）和步骤（9）。
（12）重复步骤（8）至（11）操作至完成坯料层制作；根据步骤（8）至（11）这样可以起到两个作用：1）可以实现材料的均匀分布；2）实现材料的可设计性，就是根据需要的性能进行金属粉末的配比，从而解决传统技术中合金材料只能在实验之前进行配比，在实现过程中加入材料容易造成成分偏析、分布不均匀的现象。
（13）在步骤（12）的基础上铺设一层如步骤（1）所述的一种金属粉末材料，利用辐射的方式进行熔化处理，工作平台下移；
（14）重复步骤（13）的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件。
该层顶层固结金属层具有底层固结金属层的作用，防止零件变形，以及为后期后处理过程中的材料中部金属材料进行补液操作；
（15）所得部件在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；材料的后处理，实现各种材料的充分相融，解决激光烧结技术中材料不致密，接触不紧密的问题。
（16）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。通过上述操作，可以使金属材料和增强体材料充分融合，形成性能稳定的复合材料。
上述操作环境为真空或惰性气体保护环境，因此在合金粉末和增强体材料铺粉时也是在密封环境中进行，显然要进行持续的保持真空和惰性气体保护，而且铺粉动作是自动化完成，2个以上的下料斗上方设置有金属材料盒和增强体材料粉盒，通过电控系统控制其下粉。同样在完成依次铺粉熔化操作时，底部部件可以带动工作台下序移动，以方便激光的聚焦以及上层铺层，达到良好的熔化效果。
步骤（1）中所述若干种金属粉末为镁、铝或锌金属粉末，所述镁、铝、锌金属粉末平均粒径在5-60μm之间；步骤（2）中所述的增强体粉末材料为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，所述增强体粉末材料的平均粒径在10~100nm之间。
步骤（3）~（14）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）或步骤（8）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（14）中所述形成顶层固结金属的厚度为0.5cm~5cm，所述步骤（4）、（7）中的铺设的金属粉末材料层厚为0.01~1mm。
步骤（8）中所述铺设特定路径增强体材料的厚度为0.01~1mm。
所述基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料坯料制备的全过程在保温环境下进行，所述保温温度范围为250~350℃。
在3D打印过程中，保温是常用技术手段，能够避免材料经过加热后降温太快内部发生如结晶以及形成中间相等一系列的变化，影响其性能。
所述铺粉厚度根据设备铺粉装置而定，如eos公司的金属3D打印机的铺粉方式，通过控制刮刀的高度来调整铺粉的厚度，如果用普通打印机铺粉方式，可以设定固定的铺粉厚度，在需要较厚的粉层时采取多次铺粉的方式。
本发明有益的技术效果在于：
本发明能够有效解决颗粒增强金属基复合材料加工过程中增强体处理均匀分布的问题，以及不同成分合金材料的快速配制，从而解决传统法制备增强体材料分布不均匀，容易产生偏析的问题以及合金成分无法快速制备的问题，提高了研发效率；可以根据材料成分的控制，实现根据性能需求设计材料成分，以及通过控制加入增强体的分布，实现材料的可设计性，提高复合材料的性能，扩展颗粒增强基复合材料金属基复合材料的用途。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明产品的结构示意图；
图中：1、底层固结金属层，2、增强体材料，3、第一种金属粉末材料，4、第二种金属粉末材料；5、第N种金属粉末材料，6、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）选取平均颗粒尺寸为5-60μm镁、铝、锌金属粉末分别放置在不同的铺粉系统上；
（2）选取纯度为99.5%，平均粒径在10~100nm的SiC颗粒；
（3）利用激光射线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，层厚为0.04mm；
（5）利用激光烧结或电磁辐射加热处理的方式将步骤（4）的材料熔化，金属经过熔化凝固后形成底层固态金属层；
（6）重复步骤（4）和（5），使工作台上形成5cm厚的底层固结金属层的作为基底层；
（7）在步骤（6）形成的固结金属层上均匀铺设一层铝粉，层厚在0.04mm；
（8）在步骤（7）基础上SiC颗粒层，层厚为0.01mm；
（9）在步骤（8）的基础上铺设步骤（1）中的铝粉，层厚在0.04mm，激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（10）在步骤（9）的基础上铺设步骤（1）中的镁粉，层厚为0.02mm；不加热，工作平台下移；
（11）在步骤（10）的基础上铺设步骤（1）中的锌粉，层厚为0.01mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（12）重复步骤（8）至（11）操作至完成胚料层制作；
（13）在步骤（12）的基础上铺设一层如步骤（1）所述的铝粉，层厚在0.04mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（14）重复步骤（13）的操作，（14）重复步骤（13）的操作，使工作台上形成2cm厚的顶层固结金属层；
（15）所得部件在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；材料的后处理，实现各种材料的充分相融，解决激光烧结技术中材料不致密，接触不紧密的问题。
（16）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
实施例2
（1）选取平均颗粒尺寸为5-60μm镁、铝、锌金属粉末分别放置在不同的铺粉系统上；
（2）选取纯度为99.5%，平均粒径在10~100nm的SiC颗粒；
（3）利用激光射线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，层厚为0.04mm；
（5）利用激光烧结或电磁辐射加热处理的方式将步骤（4）的材料熔化，金属经过熔化凝固后形成底层固态金属层；
（6）重复步骤（4）和（5），使工作台上形成2cm厚的底层固结金属层；
（7）在步骤（6）形成的固结金属层上均匀铺设一层铝粉，层厚在0.02mm；
（8）在步骤（7）基础上SiC颗粒层，层厚为0.01；
（9）在步骤（8）的基础上铺设步骤（1）中的铝粉，层厚在0.02mm，激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（10）在步骤（9）的基础上铺设步骤（1）中的镁粉，层厚为0.01mm；不加热，工作平台下移；
（11）在步骤（10）的基础上铺设步骤（1）中的锌粉，层厚为0.01mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（12）重复步骤（8）至（11）操作至完成胚料层制作；
（13）在步骤（12）的基础上铺设一层如步骤（1）所述的铝粉，层厚在0.02mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（14）重复步骤（13）的操作，（14）重复步骤（13）的操作，使工作台上形成0.5cm厚的顶层固结金属层；
（15）所得部件在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；材料的后处理，实现各种材料的充分相融，解决激光烧结技术中材料不致密，接触不紧密的问题。
（16）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
实施例3
（1）选取平均颗粒尺寸为5-60μm镁、铝、锌金属粉末分别放置在不同的铺粉系统上；
（2）选取纯度为99.5%，平均粒径在10~100nm的SiC颗粒；
（3）利用激光射线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，层厚为0.04mm；
（5）利用激光烧结或电磁辐射加热处理的方式将步骤（4）的材料熔化，金属经过熔化凝固后形成底层固态金属层；
（6）重复步骤（4）和（5），使工作台上形成10cm厚的底层固结金属层；
（7）在步骤（6）形成的固结金属层上均匀铺设一层铝粉，层厚在0.05mm；
（8）在步骤（7）基础上SiC颗粒层，层厚为0.02mm；
（9）在步骤（8）的基础上铺设步骤（1）中的铝粉，层厚在0.05mm，激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（10）在步骤（9）的基础上铺设步骤（1）中的镁粉，层厚为0.04mm；不加热，工作平台下移；
（11）在步骤（10）的基础上铺设步骤（1）中的锌粉，层厚为0.02mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（12）重复步骤（8）至（11）操作至完成胚料层制作；
（13）在步骤（12）的基础上铺设一层如步骤（1）所述的铝粉，层厚在0.05mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（14）重复步骤（13）的操作，（14）重复步骤（13）的操作，使工作台上形成5cm厚的顶层固结金属层；
（15）所得部件在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；材料的后处理，实现各种材料的充分相融，解决激光烧结技术中材料不致密，接触不紧密的问题。
（16）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
实施例4
（1）选取平均颗粒尺寸为5-60μm镁、铝、锌金属粉末分别放置在不同的铺粉系统上；
（2）选取纯度为99.5%，平均粒径在10~100nm的SiC颗粒；
（3）利用激光射线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，层厚为0.04mm；
（5）利用激光烧结或电磁辐射加热处理的方式将步骤（4）的材料熔化，金属经过熔化凝固后形成底层固态金属层；
（6）重复步骤（4）和（5），使工作台上形成2cm厚的底层固结金属层的作为基底层；
（7）在步骤（6）形成的固结金属层上均匀铺设一层铝粉，层厚在0.04mm；
（8）在步骤（7）基础上SiC颗粒层，层厚为0.01mm；
（9）在步骤（8）的基础上铺设步骤（1）中的铝粉，层厚在0.04mm，激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（10）在步骤（9）的基础上铺设步骤（1）中的镁粉，层厚为0.02mm；不加热，工作平台下移；
（11）在步骤（10）的基础上铺设步骤（1）中的锌粉，层厚为0.01mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（12）重复步骤（8）至（11）操作至完成胚料层制作；
（13）在步骤（12）的基础上铺设一层如步骤（1）所述的铝粉，层厚在0.04mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（14）重复步骤（13）的操作，使工作台上形成0.5cm厚的顶层固结金属层；
（15）所得部件在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；材料的后处理，实现各种材料的充分相融，解决激光烧结技术中材料不致密，接触不紧密的问题。
（16）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
实施例5
（1）选取平均颗粒尺寸为5-60μm镁、铝、锌金属粉末分别放置在不同的铺粉系统上；
（2）选取纯度为99.5%，平均粒径在10~100nm的Mg2Si颗粒；
（3）利用激光射线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，层厚为0.04mm；
（5）利用激光烧结或电磁辐射加热处理的方式将步骤（4）的材料熔化，金属经过熔化凝固后形成底层固态金属层；
（6）重复步骤（4）和（5），使工作台上形成5cm厚的底层固结金属层；
（7）在步骤（6）形成的固结金属层上均匀铺设一层铝粉，层厚在0.04mm；
（8）在步骤（7）基础上Mg2Si颗粒层，层厚为0.01mm；
（9）在步骤（8）的基础上铺设步骤（1）中的铝粉，层厚在0.04mm，激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（10）在步骤（9）的基础上铺设步骤（1）中的镁粉，层厚为0.02mm；不加热，工作平台下移；
（11）在步骤（10）的基础上铺设步骤（1）中的锌粉，层厚为0.01mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（12）重复步骤（8）至（11）操作至完成胚料层制作；
（13）在步骤（12）的基础上铺设一层如步骤（1）所述的铝粉，层厚在0.04mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（14）重复步骤（13）的操作，（14）重复步骤（13）的操作，使工作台上形成2cm厚的顶层固结金属层；
（15）所得部件在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；材料的后处理，实现各种材料的充分相融，解决激光烧结技术中材料不致密，接触不紧密的问题。
（16）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。
实施例6
（1）选取平均颗粒尺寸为5-60μm镁和铝金属粉末分别放置在不同的铺粉系统上；
（2）选取纯度为99.5%，平均粒径在10~100nm的B4C颗粒；
（3）利用激光射线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，层厚为0.04mm；
（5）利用激光烧结或电磁辐射加热处理的方式将步骤（4）的材料熔化，金属经过熔化凝固后形成底层固态金属层；
（6）重复步骤（4）和（5），使工作台上形成5cm厚的底层固结金属层的作为基底层；
（7）在步骤（6）形成的固结金属层上均匀铺设一层铝粉，层厚在0.04mm；
（8）在步骤（7）基础上B4C颗粒层，层厚为0.01mm；
（9）在步骤（8）的基础上铺设步骤（1）中的铝粉，层厚在0.04mm，不加热，工作平台下移；
（10）在步骤（9）的基础上铺设步骤（1）中的镁粉，层厚为0.02mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（12）重复步骤（8）至（11）操作至完成胚料层制作；
（13）在步骤（12）的基础上铺设一层如步骤（1）所述的铝粉，层厚在0.04mm；激光烧结或电磁辐射加热处理，工作平台下移；
（14）重复步骤（13）的操作，（14）重复步骤（13）的操作，使工作台上形成5cm厚的顶层固结金属层；
（15）所得部件在半固态温度下加热，获得适合触变成形的半固态非枝晶锭料；材料的后处理，实现各种材料的充分相融，解决激光烧结技术中材料不致密，接触不紧密的问题。
（16）所得半固态非枝晶锭料在相应的模具温度、成形压力、压头速率下触变成形，得到复合材料。

Claims (8)

1.基于3D打印技术制备颗粒增强金属基复合材料坯料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）选择基体材料：选取一定规格的若干种金属粉末材料；所述若干种金属粉末为镁、铝或锌金属粉末，所述镁、铝、锌金属粉末平均粒径在5-60μm之间；
（2）选择增强材料：选取一定规格的增强体材料；所述的增强体粉末材料为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，所述增强体粉末材料的平均粒径在10~100nm之间；
（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）所述的任意一种或多种金属粉末材料；
（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（5），使工作台上形成一定厚度的底层固结金属层；所述底层固结金属层的厚度为2cm~10cm；
（7）在步骤（6）形成的底层固结金属层上均匀铺设一层一种步骤（1）中的金属粉末材料；
（8）在步骤（7）基础上铺设增强体材料；
（9）在步骤（8）的基础上铺设步骤（1）中的一种金属粉末材料，工作平台下移；
（10）在步骤（9）的基础上铺设步骤（1）中的第二种金属粉末材料，工作平台下移；
（11）在步骤（10）的基础上铺设步骤（1）中的第N种金属粉末材料，利用辐射的方式进行熔化处理，工作平台下移；
（12）重复步骤（8）至（11）操作至完成坯料层制作；
（13）在步骤（12）的基础上铺设一层如步骤（1）所述的一种金属粉末材料，利用辐射的方式进行熔化处理，工作平台下移；
（14）重复步骤（13）的操作形成一定厚度的顶层固结金属层直至完成部件；形成所述顶层固结金属层的厚度为0.5cm~5cm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤（3）~（14）在真空环境或者惰性气体保护条件下完成。
3.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。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（7）或步骤（8）进行辐射加热处理。
5.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。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）、（7）中的铺设的金属粉末材料层厚为0.01~1mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（8）中所述铺设增强体材料的厚度为0.01~1mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）~（14）在保温环境下进行，所述保温温度范围为250~350℃。
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