CN111299584B - 基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法，属于3D打印材料技术领域。通过选择啄木鸟喙、牡蛎壳等具有多孔梯度特性和多层复合特性的生物材料为仿生模本建立CAD模型，采用以非晶合金粉末为原材料，并以选择性激光熔融成形技术的方法制备该仿生抗冲击多层复合梯度材料，通过3D打印的方法打印不同层的材料，从而获取具有抵抗高冲击载荷的仿生多层复合梯度材料。通过对该仿生抗冲击多层复合梯度材料，合金材料以及纯非晶合金材料三者进行对比分析，发现该仿生抗冲击多层复合梯度材料通过打印非晶合金层和孔隙率不同的合金层非晶合金层模拟仿生样本的多孔梯度特性和多层复合特性，从而具有良好的抗冲击性能。

Description

基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法

技术领域

本发明涉及生物仿生以及3D打印材料技术领域，特别涉及一种基于仿生原理的3D打印用抗冲击多层复合梯度材料的制备方法，尤指一种基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法。本发明制备的材料具有高抗冲击吸能作用，可应用于航空航天、土木工程和交通运输等领域，包括在警用、军用防护装备等方面。

背景技术

自然进化使得生物材料具有最优化的宏观和微观结构、自适应性和自愈合能力以及优异的抗冲击止裂、抗疲劳等性能。仿生材料，通常是指模仿生物的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料。根据仿生材料所针对的天然生物材料的不同特性，仿生材料可以包括仿生高强度材料、仿生超亲水/超疏水材料、仿生高黏附材料、仿生智能薄膜材料、仿生抗冲击材料以及仿生机器人等。

仿生材料来源于对天然材料的模仿，又与实际应用关系密切，比如根据荷叶不会粘上水珠这一现象仿生制备了超疏水薄膜、通过仿生牙釉质微观结构制备坚韧仿生材料等。仿生材料的研究起源于对天然材料的详细考察，其中明确天然材料的宏观、微观结构与特定性质和功能之间的关系成为制备仿生材料的必经之路。

3D打印是增材制造技术的一种，它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式来构造零部件。金属材料的3D打印方法，主要有选区激光烧结、激光选区熔化、电子束选区熔化、喷墨3D打印、微滴喷射技术以及金属熔融沉积成形等。金属材料零件的3D打印制造为解决工业装备领域中难加工金属构件的制造提供了一条快速、柔性、成本低的新途径。原材料是影响3D打印产品质量的关键因素，它直接影响最终产品的表面质量、耐热性以及力学性能等。因此，开发具有优越性能的复合材料来克服单一材料的缺陷和应用局限性是3D打印材料技术领域的研究热点。

非晶合金兼有金属和玻璃优点，又克服了它们各自的弊病。现已开发出的块体非晶合金材料体系有La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pb基、Fe基、Cu基和Ce基等。因其优异的力学、物理和化学性能，在工业生产、体育器材、生物医学和消费电子领域得到了广泛的应用。

目前，非晶合金材料的3D打印主要基于选区激光熔融技术成形，利用高能束激光加热熔融粉末时，产生的高温会使粉末熔化形成熔池，通过调控激光参数，使成形材料进行极冷，从而获得非晶合金材料零部件，但是再利用激光加热熔融粉末时，产生的高温会使部分材料温度超出过冷液态温区，导致部分材料晶化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明基于啄木鸟鸟喙以及牡蛎壳的优异的缓冲吸能机理结合3D打印多层打印的方式，对以锆铜铝镍粉末为代表的非晶合金粉末进行打印加工，从而实现晶体层和非晶层的分布式、交错式增材制造，即呈现出”非晶层-晶体层-非晶层-晶体层…” 的分层交错特性，最外层为具有优良抗冲击性能的非晶层，其内层为具有不同孔隙率的晶体层，该复合材料的中间层为孔隙率最高的晶体层。

非晶合金主要包括La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pb基、Fe基、Cu基和Ce基非晶合金，本发明中选取常见的Zr基锆铜铝镍合金粉末作为3D打印材料。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法，包括如下步骤：

1）选择具有啄木鸟喙和牡蛎壳生物材料结构为仿生模本，对其多孔梯度结构、空隙分布、多层复合材料的分层耦联方式、层间剥离行为、力学性能的分层差异性进行测试，获取其材料结构的力学参数、孔隙特征；建立基于生物天然多孔梯度和分层耦联原理的增材制造数字模型；

2）采用激光作为加工热源，选定Zr基非晶合金粉末材料，确定激光加工参数功率P、光束直径D、光束移动速度v；

3）加工基板的移动速度为10-100mm/s，设定基板的温度为274K；

4）在基板上进行单道熔覆实验，并对熔覆的单道进行测量，其宽度为w、高度为h；

5）对建立的CAD模型进行切片分层，层厚由铺粉的高度决定，层厚为(h-0.2)-h；根据设定的20%-30%的搭接率以及加工时的熔道宽度w，分割图形，并生成加工轨迹线，相邻轨迹线距离为0.6w-0.8w；

6）模拟加工过程的温度场分布并采用热成像仪对加工过程中的温度分布进行监测，热源为激光热源，热源的移动轨迹与步骤5）所述的加工轨迹线相同，热源的参数为步骤2）所述的激光加工参数；

7）根据监测所得的温度场数据，拟合出各合金层材料加工区域中心点的温度-时间曲线，选择各合金层材料的熔化-凝固区间；

8）固定好加工基板，铺粉，按照设定的加工工艺参数打印非晶合金层，继续铺粉，根据设定的相应加工工艺参数打印合金层，依次交替打印成形多层复合梯度功能材料。

所述的粉末材料是均匀精细的非晶合金粉末材料，以Zr基非晶合金粉末材料作为打印材料。

本发明适用于不同基体的非晶合金粉末材料加工，对La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pb基、Fe基、Cu基和Ce基非晶合金粉末材料进行加工制备。

本发明通过调控激光加工参数功率P、扫描速率v和加工环境气氛加工打印出具有不同孔隙率的晶体层。加工环境气氛的调控主要通过控制环境中的氧含量，其他加工条件相同时，氧含量在0.02%以下，加工获得的孔隙率较小。

本发明的有益效果在于：

本发明通过选取具有优良耐磨、抗冲击止裂、抗疲劳性能的啄木鸟喙和牡蛎壳等生物材料结构为仿生模本，对其宏、微观结构及力学性能进行了测试分析，测试了其多孔梯度结构、空隙分布、多层复合材料的分层耦联方式、力学性能的分层差异性，了解了仿生模本的抗冲吸能原理。根据其缓冲吸能的机理，结合激光3D打印技术制备基于非晶合金的具有优良抗冲击性能的仿生多层复合梯度材料。

本发明通过对仿生模本进行分析后构建基于生物天然多孔梯度和分层耦联原理的增材制造数字模型，采用选择性激光熔融成形技术对该模型进行打印。该方法通过激光功率、扫描速率等激光打印参数调节，实现晶体层和非晶层的分布式、交错式增材制造，即呈现出”非晶层-晶体层-非晶层-晶体层…” 的分层交错特性，最外层为具有优良抗冲击性能的非晶层，其内层为晶体层，该复合材料的中间层为孔隙率最高的晶体层。

传统的激光3D打印加工非晶合金粉末时，使用激光加热熔融粉末时，产生的高温会使部分材料温度超出过冷液态温区，导致部分材料晶化。本发明通过设置激光头的加工路径和加工方式，进行逐点（点实际为加工通道微小化后的一圆形区域）的加工，通过有限元分析软件分析模拟激光打印过程中的温度场分布以及热成像仪所监测到的温度分布反馈，拟合出各合金层材料加工区域中心点的温度-时间曲线，选择各合金层材料的熔化-凝固区间，根据上述分析，即通过增材制造参数调整，直接获取非晶层和具有孔隙率梯度特性的晶体层，并采用热成像作为反馈源，实时原位监测非晶层制备的温度变化，并与非晶合金材料玻璃态转变温度比较，即为基于温度图谱实时监测的原位仿生材料增材制造。

一般来说，材料孔隙率越大，多孔性特征使其具有特殊的压缩应力-应变特性，从而具备优异的抗冲击吸能特性。本发明通过控制激光功率p、扫描速率v以及加工环境气氛可以控制加工不同晶态合金层中的孔隙率，从而使得该多层复合梯度材料与纯非晶合金材料相比具有更优异的抗冲击性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料的示意图；

图2为本发明的基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料与纯非晶合金抗冲击对比的示意效果图；

图3为本发明的基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料的制备流程。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1所示，为基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料，呈现出”非晶层-晶体层-非晶层-晶体层…” 的分层交错特性，最外层为具有优良抗冲击性能的非晶层，其内层为晶体层，该复合材料的晶体层由外往内孔隙率逐渐增高，中间层为孔隙率最高的晶体层，呈现出了多孔梯度的特性。

参见图2所示，为基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料与纯非晶合金抗冲击对比的示意效果图，在同等载荷冲击之下仿生复合梯度材料与纯非晶材料的宏观表现以及微观局部裂纹延展图。基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料与纯非晶材料在冲击载荷作用下相比，裂纹的延展主要表现为横向延展，纵向冲击被其内部具有多孔梯度特性的晶体层缓冲吸收，表现了该材料优异的抗冲击性能。

参见图1至图3所示，本发明的基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法，通过选择啄木鸟喙、牡蛎壳等具有多孔梯度特性和多层复合特性的生物材料为仿生模本建立CAD模型，采用以非晶合金粉末为原材料，并以选择性激光熔融成形技术的方法制备该仿生抗冲击多层复合梯度材料，通过3D打印的方法打印不同层的材料，从而获取具有抵抗高冲击载荷的仿生多层复合梯度材料。通过对该仿生抗冲击多层复合梯度材料，合金材料以及纯非晶合金材料三者进行对比分析，我们可以发现该仿生抗冲击多层复合梯度材料通过打印非晶合金层和孔隙率不同的合金层非晶合金层模拟仿生样本的多孔梯度特性和多层复合特性，从而具有良好的抗冲击性能。包括如下步骤：

1）选择具有优良耐磨、抗冲击止裂、抗疲劳性能的啄木鸟喙和牡蛎壳等生物材料结构为仿生模本，对其多孔梯度结构、空隙分布、多层复合材料的分层耦联方式、层间剥离行为、力学性能的分层差异性进行测试，获取其材料结构的力学参数、孔隙特征等；建立基于生物天然多孔梯度和分层耦联原理的增材制造数字模型；

2）采用激光作为加工热源，选定锆铜铝镍非晶合金粉末材料，确定激光加工参数功率P、光束直径D、光束移动速度v；

3）加工基板的移动速度为10-100mm/s，设定基板的温度为274K；

4）在基板上进行单道熔覆实验，并对熔覆的单道进行测量，其宽度为w、高度为h；

5）对建立的CAD模型进行切片分层，层厚由铺粉的高度决定，层厚为(h-0.2)-h；根据设定的20%-30%的搭接率以及加工时的熔道宽度w，通过打印机配套的切片软件分割图形，并生成加工轨迹线，相邻轨迹线距离为0.6w-0.8w；

6）使用有限元分析软件模拟加工过程的温度场分布并采用热成像仪对加工过程中的温度分布进行监测，热源为激光热源，热源的移动轨迹与步骤5）所述的加工轨迹线相同，热源的参数为步骤2）所述的激光加工参数；

7）根据有限元软件和热成像仪监测反馈所得的温度场数据，实时原位监测非晶层制备的温度变化，拟合出各合金层材料加工区域中心点的温度-时间曲线，并与非晶合金材料玻璃态转变温度比较，选择各合金层材料的熔化-凝固区间；

8）固定好加工基板，铺粉，按照设定的加工工艺参数打印非晶合金层，继续铺粉，根据设定的相应加工工艺参数打印合金层，依次交替打印成形多层复合梯度功能材料。

9）对加工打印出的基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料以及纯非晶合金材料进行冲击试验，比较分析两者的在同等冲击载荷作用的不同表现。

所述的粉末材料是均匀精细的非晶合金粉末材料，本发明中以常见的Zr基非晶合金粉末材料作为打印材料。

本发明法具有普适性，适用于不同基体的非晶合金粉末材料加工，如对La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pb基、Fe基、Cu基和Ce基等非晶合金粉末材料进行加工制备。

本发明通过调控激光加工参数功率P、扫描速率v和加工环境气氛加工打印出具有不同孔隙率的晶体层。加工环境气氛的调控主要通过控制环境中的氧含量，其他加工条件相同时，氧含量在0.02%以下，加工获得的孔隙率较小。

实施例：

本实施例提供一种3D打印用金属复合材料，原材料为均匀精细的锆铜铝镍合金粉末，通过不同激光参数的设置，打印出非晶合金层以及孔隙率不同的晶态合金层。

1）选择具有优良耐磨、止裂、抗疲劳性能的啄木鸟喙和牡蛎壳等生物材料结构为仿生模本，对其多孔梯度结构、空隙分布、多层复合材料的分层耦联方式、层间剥离行为、力学性能的分层差异性进行测试，获取其材料结构的力学参数、孔隙特征等。建立多层复合梯度材料零件的CAD模型，长方体模型，长×宽×高：60mm×30mm×10mm。

2）采用激光作为加工热源，选定Zr基锆铜铝镍合金粉末材料，确定激光加工参数功率P=300~500W、光束直径D=1mm、光束移动速度v=0.005m/s~0.05m/。

3）本发明所述加工基板选用304不锈钢薄板，移动速度10-100mm/s，设定基板的温度为274K。

4）在基板上进行单道熔覆实验，测量单道熔覆宽w=0.5mm~0.8mm和单道高h=0.2mm~0.5mm。

5）对建立的CAD模型进行切片分层，层厚为0.2mm~0.5mm；根据设定的20%-30%的搭接率以及加工时的熔道宽度w=0.5mm~0.8mm，通过打印机配套的切片软件分割图形，并生成加工轨迹线，相邻线距离为0.3mm~0.7mm。

6）使用有限元分析软件模拟加工过程的温度场分并采用热成像仪对加工过程中的温度分布进行监测反馈，热源为激光热源，热源的移动轨迹与上述步骤的加工轨迹线相同，热源的参数为上述步骤2）所述的激光参数。

7）根据有限元软件和热成像仪监测反馈所得的温度场数据，实时原位监测非晶层制备的温度变化，拟合出各合金层材料加工区域中心点的温度-时间曲线，并与非晶合金材料玻璃态转变温度比较，选择各合金层材料的熔化-凝固区间。

8）固定好加工基板，铺粉，按照设定的加工工艺参数打印非晶合金层，继续铺粉，根据设定的相应加工工艺参数打印合金层，依次交替打印成形多层复合梯度功能材料。

9）对加工打印出的基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料以及纯非晶合金材料进行冲击试验，比较分析两者的在同等冲击载荷作用的不同表现。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）选择具有啄木鸟喙和牡蛎壳生物材料结构为仿生模本，对其多孔梯度结构、空隙分布、多层复合材料的分层耦联方式、层间剥离行为、力学性能的分层差异性进行测试，获取其材料结构的力学参数、孔隙特征；建立基于生物天然多孔梯度和分层耦联原理的增材制造数字模型；

2）采用激光作为加工热源，选定Zr基非晶合金粉末材料，确定激光加工参数功率P、光束直径D、光束移动速度v；

3）加工基板的移动速度为10-100mm/s，设定基板的温度为274K；

4）在基板上进行单道熔覆实验，并对熔覆的单道进行测量，其宽度为w、高度为h；

5）对建立的CAD模型进行切片分层，层厚由铺粉的高度决定，层厚为(h-0.2)-h；根据设定的20%-30%的搭接率以及加工时的熔道宽度w，分割图形，并生成加工轨迹线，相邻轨迹线距离为0.6w-0.8w；

6）模拟加工过程的温度场分布并采用热成像仪对加工过程中的温度分布进行监测，热源为激光热源，热源的移动轨迹与步骤5）所述的加工轨迹线相同，热源的参数为步骤2）所述的激光加工参数；

7）根据监测所得的温度场数据，拟合出各合金层材料加工区域中心点的温度-时间曲线，选择各合金层材料的熔化-凝固区间；

8）固定好加工基板，铺粉，按照设定的加工工艺参数打印非晶合金层，继续铺粉，根据设定的相应加工工艺参数打印合金层，依次交替打印成形多层复合梯度功能材料。

2.根据权利要求1所述的基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法，其特征在于：所述的粉末材料是均匀精细的非晶合金粉末材料，以Zr基非晶合金粉末材料作为打印材料。

3.根据权利要求1所述的基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法，其特征在于：适用于不同基体的非晶合金粉末材料加工，对La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pb基、Fe基、Cu基和Ce基非晶合金粉末材料进行加工制备。

4.根据权利要求1所述的基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法，其特征在于：通过调控激光加工参数功率P、扫描速率v和加工环境气氛加工打印出具有不同孔隙率的晶体层；加工环境气氛的调控主要通过控制环境中的氧含量，其他加工条件相同时，氧含量在0.02%以下，加工获得的孔隙率较小。

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