CN110170656A - 功能复合蜂窝材料的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种功能复合蜂窝材料的增材制造方法，属于增材制造技术领域。在打印过程中，使用两种材质不同的合金粉末送粉打印制备功能复合蜂窝材料，然后经去应力退火热处理工艺，消除复合蜂窝材料打印件的残余内应力，改善宏观力学性能。本发明制备的三层功能复合蜂窝材料改良了原有的蜂窝材料结构，使得蜂窝结构材料结构性能更加稳定，适应了更大的市场需求。

Description

功能复合蜂窝材料的增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体是一种功能复合蜂窝材料的制备方法。
背景技术
蜂窝材料是一种二维的多胞材料，具有密度小、刚度低、压缩变性能力大等特点。一般来说，可以将任何金属材料制备蜂窝。目前，在金属蜂窝材料中应用较多的是铝合金与钛合金，因为此两种合金均有密度小、比强度高、耐腐蚀等特点，因此制备成的蜂窝材料既保留了原有的合金的优良特性，又具备了蜂窝材料的结构和力学性能，金属蜂窝材料因此应用于各个工业部门。
目前，对蜂窝材料加工使用最多的是高效数控加工、线切割、激光切割、高压水枪切割以及电火花加工等蜂窝材料加工技术。传统的蜂窝材料数控加工方法对结构复杂的蜂窝材料加工存在加工效率低、精度偏低等问题。对此国内外有相关专家学者探索制备蜂窝材料的先进方法。
浙江大学金成柱博士针对NOMEX蜂窝的高速铣削加工工艺进行了研究；Gibson等提出了蜂窝材料的等效弹性参数公式，即Gibson公式；Kennedy对复合材料的高速铣削加工提出了系统的加工方案；新加坡南洋理工大学的Foo等针对NOMEX蜂窝进行了机械性能研究试验。
同样，也有针对金属蜂窝材料的制备。例如，中国专利CN101648269A提出了一种钛蜂窝的制备方法。将钛粉、聚乙烯醇、海藻酸钠和正辛醇均匀混合搅拌，接着固化脱蜡烧结，随炉冷却至室温以后，得到钛蜂窝材料。此种方法有工艺简单和成本较低的特点。
以上研究均针对了蜂窝材料制备等方面，但还对功能复合蜂窝材料的研究的制备工艺方法，尤其是增材制造工艺亟待发掘。
发明内容
本发明目的在于提供一种功能梯度材料的增材制造方法，旨在通过3D打印+热处理的方式，生产具有优异微观组织及力学性能的功能复合蜂窝材料，复合蜂窝材料的基层和内外功能层材质即合金粉末A和合金粉末B可以是钢与钛合金、钢与高温合金、铜基合金与钛合金、铜基合金与高温合金，且不限于以上所列的四种材料搭配。
本发明的基本构思是首先用金属3D打印机制备三层复合蜂窝材料，其中中间为2～3mm厚的基层，内外均为1～1.5mm厚的功能材料层。此时的打印出的复合蜂窝材料中存在较大的残余内应力，不能满足工程上较高的性能要求。然后采用去应力退火的方式来达到去除功能复合蜂窝材料参残余内应力的目的，从而适应更大的市场需求。
本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
为达成上述目的，本发明提出一种功能复合蜂窝材料的增材制造方法，具体包括：
步骤1、采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末按中间基层和内外功能材料层结构，选用送粉打印方式进行打印，在首层打印时，先打印出2～3mm厚的中间基层，再打印出内外均为1～1.5mm厚的内外功能材料层，形成第一层的蜂窝结构，单层打印高度为0.5～1mm；
步骤2、重复步骤1多次打印，直至分层打印出完整的蜂窝结构，蜂窝材料结构的打印高度为50mm～100mm；
步骤3、将上述蜂窝材料结构进行去应力退火处理，具体包括：将蜂窝材料结构置于真空热处理炉内，抽真空，以V升的速度加热至热处理温度T1，保温时间t，以速度V降冷却至室温，或者，炉冷至温度T2后再空冷至室温，完成去应力退火工艺。
进一步的，中间基层的材质为钢或铜基合金。
进一步的，内外功能材料层的材质为钛合金或高温合金。
进一步的，步骤3中，将蜂窝材料结构置于真空热处理炉内，抽真空至1.5×10-3Pa。
进一步的，步骤3中，去应力退火处理的工艺参数即V升、T1、V降、T2、t根据中间基层的材质调整。
与现有技术相比，本发明的显著优点在于：结合增材制造和去应力退火的热处理方式制备功能复合蜂窝材料。增材制造打印出来的复合蜂窝材料，功能层和基层之间结合紧密、缺陷少、无夹杂气孔，且工序简单。结合的相应热处理工艺，可以有效地对功能复合蜂窝材料中残余内应力进行消除，优化了复合蜂窝材料的力学性能。同时，增材制造功能复合蜂窝材料扩展了原有蜂窝材料的体系。本发明的制备功能复合蜂窝材料的方法可以在原有单层蜂窝材料的基础上满足更高的强度、刚度、弹性和塑性等一种或多种特殊性能的需求。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
图1是本发明的经过增材制造后功能复合蜂窝材料的示意图。图中：1表示复合蜂窝材料基层，2表示内功能材料层，3表示外功能材料层。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
功能复合蜂窝材料的增材制造方法，具体包括：
步骤1、采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末按中间基层和内外功能材料层结构，选用送粉打印方式进行打印，合金粉末A打印中间基层，合金粉末B打印内外功能材料层。在首层打印时，先打印出2～3mm厚的中间基层，再打印出内外均为1～1.5mm厚的内外功能材料层，形成第一层的蜂窝结构，单层打印高度0.5～1mm；
步骤2、重复步骤1多次打印，直至分层打印出完整的蜂窝结构，蜂窝材料结构的打印高度为50mm～100mm；
步骤3、将上述蜂窝结构进行去应力退火处理，去应力退火处理的工艺参数根据中间基层的材质调整，具体包括：将蜂窝材料放进真空热处理炉内，抽真空。接着以V升的速度加热至热处理温度T1，保温时间t，以速度V降冷却至室温，或者，炉冷至温度T2后再空冷至室温，完成去应力退火工艺。
根据本发明的公开一种功能复合蜂窝材料增材制造技术，通过3D打印增材技术制备出功能复合蜂窝材料，蜂窝材料中间基层的材质即合金粉末A为钢或铜基合金，例如钢中有Q235，Q255，Q275等碳素结构钢，Q295，Q345等低合金高强度结构钢，20钢，30钢，45钢等优质碳素结构钢，而铜基合金中有H65，H70，H80等黄铜。蜂窝材料内外功能材料层的材质即合金粉末B为钛合金或高温合金，例如TC4，TC11等钛合金，IN625，GH128，FGH95等高温合金。具体的，中间基层和内外功能材料层可以是钢与钛合金、钢与高温合金、铜基合金与钛合金、铜基合金与高温合金等的复合，且不限于以上所列的四种材料搭配，且在后续的去应力退火的热处理过程中，主要根据中间基层的材质选择退火工艺参数。
为了便于更好的理解，下面结合具体实例对本发明进行进一步说明，在实例中选择如：Q235和TC4合金(钢与钛合金)、Q235和IN625合金(钢与高温合金)、H65合金和TC4合金(铜锌合金与钛合金)以及H65合金和IN625合金(铜锌合金与高温合金)等，完成送粉增材制造后去应力退火的功能复合蜂窝材料。但合金粉末种类不限于实施例中的所列举的合金成分，且本发明内容包含而不限于实施例中的材质搭配。
【实施例一】
两种合金粉末以Q235和TC4合金(钢与钛合金)为例，其中，Q235具有优良的综合力学性能，而TC4合金具有优异的耐蚀性能和耐高温性能。由Q235(基层)和TC4合金(功能材料层)组成的复合蜂窝材料兼具优异的力学性能、耐蚀性能和耐高温性能，在工程领域具有较大的应用价值。根据基材Q235的去应力退火工艺参数(袁鸿志,冯晓宇.去应力退火工艺参数的研究[J].热处理技术与装备,2014,35(2):48-50.)，打印好的蜂窝材料以70～80℃/h的加热速度加热至550℃～650℃，保温时间选择3～5h，以60～80℃/h的冷却速度随炉冷却至300℃后空冷。
(1)采用金属3D打印设备和同轴送粉方式，打印首层：先用Q235合金粉末打印蜂窝结构中的中间基层，预计打印厚度2mm，再用TC4合金粉末打印内功能材料层和外功能材料层，预计打印厚度均分别为1mm，单一层次打印高度为0.5mm，激光功率为1100w，形成第一层次复合蜂窝材料的打印。
(2)重复步骤(1)，重复打印直至打印出完整的功能复合蜂窝材料后，结束制备，打印高度为50mm。
(3)将3D打印制备好的Q235/TC4复合蜂窝材料置入热处理炉内，炉内抽真空至压强为1.5×10-3Pa。以75℃/h的加热速度加热至600±5℃，保温4h后以70℃/h的冷却速度随炉冷却，待冷却至300℃后空冷，结束去应力退火工艺。
本实施具体的工艺参数，还可根据合金种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施例二】
两种合金粉末以Q235和IN625合金(钢与高温合金)为例，其中，Q235具有优良的综合力学性能，而IN625合金具有优异的耐高温性能。由Q235(基层)和IN625合金(功能材料层)组成的复合蜂窝材料兼具优异的力学性能和耐高温性能，在工程领域具有较大的应用价值。根据基材Q235的去应力退火工艺参数，打印好的蜂窝材料以70～80℃/h的加热速度加热至550℃～650℃，保温时间选择3～5h，以60～80℃/h的冷却速度随炉冷却至300℃后空冷。
(1)采用金属3D打印设备和同轴送粉方式，打印首层：先用Q235合金粉末打印蜂窝结构中的基层，预计打印厚度2mm，再用IN625合金粉末打印内功能材料层和外功能材料层，预计打印厚度均分别为1mm，单一层次打印高度为0.7mm，激光功率为1200w，形成第一层次复合蜂窝材料的打印。
(2)重复步骤(1)，重复打印直至打印出完整的功能复合蜂窝材料后，结束制备，打印高度为60mm。
(3)将3D打印制备好的Q235/IN625复合蜂窝材料置入热处理炉内，炉内抽真空至压强为1.5×10-3Pa。以75℃/h的加热速度加热至600±5℃，保温4h后以70℃/h的冷却速度随炉冷却，待冷却至300℃后空冷，结束去应力退火工艺。
本实施具体的工艺参数，还可根据合金种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施例三】
两种合金粉末以H65和TC4合金(铜锌合金与钛合金)为例，其中，H65具有优良的塑性和焊接性能，而TC4合金具有优异的耐高温和耐腐蚀性能。由H65(基层)和TC4合金(功能材料层)组成的复合蜂窝材料兼具优异的塑型加工、焊接、耐高温和耐腐蚀性能，在工程领域具有较大的应用价值。根据基材H65的去应力退火工艺参数(周善佑.铜合金的热处理[J].上海有色金属,1985(2):54-57.)，将打印好的蜂窝材料加热至260～280℃，保温时间选择1h，水冷至室温。
(1)采用金属3D打印设备和同轴送粉方式，打印首层：先用H65合金粉末打印蜂窝结构中的基层，预计打印厚度3mm，再用TC4合金粉末打印内功能材料层和外功能材料层，预计打印厚度均分别为1.5mm，单一层次打印高度为0.8mm，激光功率为800w，形成第一层次复合蜂窝材料的打印。
(2)重复步骤(1)，重复打印直至打印出完整的功能复合蜂窝材料后，结束制备，打印高度为80mm。
(3)将3D打印制备好的H65/TC4复合蜂窝材料置入热处理炉内，炉内抽真空至压强为1.5×10-3Pa。加热至270±5℃，保温1h后水冷至室温，结束去应力退火工艺。
本实施具体的工艺参数，还可根据合金种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施例四】
两种合金粉末以H65和IN625合金(铜锌合金与高温合金)为例，其中，H65具有优良的塑性和焊接性能，而IN625合金具有优异的耐高温性能。由H65(基层)和IN625合金(功能材料层)组成的复合蜂窝材料兼具优异的塑型加工、焊接、耐高温性能，在工程领域具有较大的应用价值。根据基材H65的去应力退火参数，将打印好的蜂窝材料加热至260～280℃，保温时间选择1h，水冷至室温。
(1)采用金属3D打印设备和同轴送粉方式，打印首层：先用H65合金粉末打印蜂窝结构中的基层，预计打印厚度3mm，再用IN625合金粉末打印内功能材料层和外功能材料层，预计打印厚度均分别为1.5mm，单一层次打印高度为0.5mm，激光功率为900w，形成第一层次复合蜂窝材料的打印。
(2)重复步骤(1)，重复打印直至打印出完整的功能复合蜂窝材料后，结束制备，打印高度为100mm。
(3)将3D打印制备好的H65/IN625复合蜂窝材料置入热处理炉内，炉内抽真空至压强为1.5×10-3Pa。加热至270±5℃，保温1h后水冷至室温，结束去应力退火工艺。
本实施具体的工艺参数，还可根据合金种类的不同采用相应的工艺参数。
表1力学性能对比
在增材制造领域，残余内应力的生成在于冶金过程的热力学动力问题，以上方法利用打印蜂窝材料的方法，集合两相材料的优点，强化蜂窝材料的各项力学性能。再通过去应力退火工艺，以实现对增材制造复合蜂窝材料残余内应力的精准控制和提高复合蜂窝材料的宏观性能。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种功能复合蜂窝材料的增材制造方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末按中间基层和内外功能材料层结构，选用送粉打印方式进行打印，在首层打印时，先打印出2～3mm厚的中间基层，再打印出均为1～1.5mm厚的内功能材料层和外功能材料层，形成第一层的蜂窝结构，单层打印高度为0.5～1mm；
步骤2、重复步骤1多次打印，直至分层打印出完整的蜂窝结构，蜂窝材料结构的打印高度为50mm～100mm；
步骤3、将上述蜂窝材料结构进行去应力退火处理，具体包括：将蜂窝材料结构置于真空热处理炉内，抽真空，以V升的速度加热至热处理温度T1，保温时间t，以速度V降冷却至室温，或者，炉冷至温度T2后再空冷至室温，完成去应力退火工艺。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，将蜂窝材料结构置于真空热处理炉内，抽真空至1.5×10-3Pa。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，去应力退火处理的工艺参数即V升、T1、V降、T2、t根据中间基层的材质进行调整。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，中间基层的材质为钢或铜基合金。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，内外功能材料层的材质为钛合金或高温合金。
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