CN113979764B - 基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于增材的网格微结构陶瓷‑金属复合制品的制备方法，包括以下步骤：(a)提供含金属组分的原材料；(b)使金属原料固化形成网格微结构多孔形式的金属网格预制件；(c)提供含陶瓷组分的原材料；(e)使所述金属网格预制件与陶瓷材料致密化结合。本方法能显著缩短陶瓷‑金属制品的生产周期，降低生产成本，所制得的零件具有高韧性、高硬度的兼容性优异性能，增强了陶瓷材料的工程实用性，为制造金属增韧陶瓷制品的成形方法提供了一种新思路。

Description

基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法
技术领域
本发明为陶瓷-金属复合制品制备的技术领域，具体的说，是一种基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法。
背景技术
通过冶金方式制备陶瓷-金属复合制品的方法在公开的文献中多有提及。将陶瓷粉末与金属粉末进行混合，然后通过冶金结合的方式获得陶瓷-金属复合制品。与这种复合方式相关的问题是冶金结合的陶瓷粉末以及金属粉末在空间分布上会导致不均匀性，使得复合制品在受集中力时无法将力充分的沿着金属相传递和扩散，也就导致复合制品的低韧性，致使所制备的制品在工程应用中无法很好的突显金属相的高延展性。
为了解决上述问题，学者们开发了网格结构的陶瓷-金属复合方式。该术语是指制备出陶瓷或金属多孔网格预制件，并通过后续工艺将金属或陶瓷进行 浸渗至多孔网格预制件中的孔隙。金属材料具有较低的熔点，通常使金属相作为浸渗相、陶瓷相作为网格相是更为有利的。多孔网格陶瓷是由连续的固相骨架和孔隙构成的，有时也称为“陶瓷骨架”。常见的陶瓷网格制备工艺实例是：(1)添加造孔剂成型法，其涉及使造孔剂挥发而留下孔隙形成多孔网格陶瓷；(2)溶胶-凝胶成型法，其涉及凝胶化过程中形成的小孔并形成多孔网格陶瓷。多孔网格陶瓷的典型实例还参见王守仁，耿浩然等人，“金属基复合材料中网络结构陶瓷增强体的制备及研究进展”，机械工程材料，2005(12):1-3+52。
网格结构陶瓷-金属复合材料的强度依赖于陶瓷网格骨架的粗细，而通过上述方法制备陶瓷-金属复合制品带来的问题是多孔陶瓷网格的孔隙率以及骨架的粗细不可控，以致成型的制品虽具有较高的韧性，但是仍不够理想。
为了改善上述问题，研究学者开发了基于增材制造成形技术制备多孔陶瓷的方法。数字光处理是一类特殊的增材制造方法，该方法依据数字三维模型虚拟后的二维截面数据，用光源装置固化每一个二维层并累积固化形成三维实体。多位学者公开了用数字光处理方法制备出多孔陶瓷的工艺，通过这些方法所制备的多孔陶瓷具有可控尺寸且规则的骨架结构。
其它引用的文献如下所示：
CN 103131969 A
CN 102225469 A
CN 104493138 A
CN 111872373 A
Hehao Chen等人：“3D printing of SiC ceramic: Direct ink writing with asolution of preceramic polymers”，Journal of the European Ceramic Society，Vol.38，No. 16，第5294-5300页。
Oscar Santoliquido等人：“Additive Manufacturing of ceramic componentsby Digital Light Processing: A comparison between the ‘bottom-up’ and the‘top-down’ approaches”，Journal of the European Ceramic Society，Vol. 39，No. 6，第2140-2148页。
Shan Li等人：“The fabrication of SiBCN ceramic components frompreceramic polymers by digital light processing (DLP) 3D printingtechnology”，Journal of the European Ceramic Society，Vol. 38，No. 14，第4597-4603页。
上述方法制备获得陶瓷网格骨架之后，通常是使金属相以液相形式浸渗至陶瓷网格的孔隙中，生长结晶至陶瓷网格骨架上，从而形成致密的陶瓷-金属复合制品。在这些网格-浸渗的实施方法中，高熔点的金属需被高温液化并在高温下压渗，这会导致大量的费用，出于商业的原因，对于额外的高温设备所带来的高额技术研发费用及设备的高额成本是不允许的。
如上所述，对于制备网格陶瓷预制件后浸渗高熔点金属涉及一些障碍。因此，基于上述问题，一个改善的思路是制备高熔点金属网格预制件后浸渗陶瓷。前述的增材制造成形技术是一种通过能量束实现近净固化的方法，所以，通过增材制造提供高能量来固化高熔点金属网格是一种有利的思路。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，为陶瓷-金属复合制品提供一种充分利用增材制造技术的高成形自由度来直接制备金属网格，尤其是高熔点的金属网格的成形方法，该方法能显著缩短陶瓷-金属制品的生产周期，降低生产成本。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法，包括以下步骤：
(a)提供含金属组分的原材料；
(b)使金属原料固化形成网格微结构多孔形式的金属网格预制件；
(c)提供含陶瓷组分的原材料；
(e)使所述金属网格预制件与陶瓷材料致密化结合。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
步骤(b)和步骤(c)之间或步骤(c)和步骤(e)之间还包括：(d)使所述的金属网格预制件薄层化为金属网格薄片预制件。
金属网格预制件薄层化的实施方法为电火花切割或水射流切割或激光切割；薄层化的金属网格薄片预制件的厚度不超过1.5mm。
步骤(b)中，金属原料固化过程为：由增材制造成形方法通过控制高能量束的成形轨迹以使得金属相结晶固化或由增材制造成形方法中的金属激光粉末床熔融成形以使得金属相结晶固化；其中，金属激光粉末床熔融成形以三维数字构建金属网格模型，模型为砖型或蜂窝型；金属网格模型孔隙体积由所提供的金属原料和陶瓷原料之间的润湿性决定。
所述的金属网格模型的骨架壁厚不小于1.5mm。
步骤(e)中，陶瓷材料与金属网格预制件致密化结合的方式为渗透或烧结。
将金属网格薄片预制件与陶瓷材料交替放置于容器中，对容器加热使陶瓷材料填充至金属网格薄片中实现烧结致密化。
所述的金属网格薄片预制件与陶瓷材料交替放置于容器中的方式为：单层金属网格薄片预制件-陶瓷材料-单层金属网格薄片预制件的夹心方式或双层金属网格薄片预制件-陶瓷材料-双层金属网格薄片预制件的夹心方式。
所述的容器为石墨材料制作。
对金属网格薄片预制件与陶瓷材料烧结的温度不高于金属网格薄片预制件的熔点，烧结气氛环境为通入不与烧结体相反应的惰性气体。
金属激光粉末床熔融成形使用的金属原料为金属粉末，所述金属粉末选自以下的化合物：Ti合金、Ni基高温合金。
所述的金属粉末熔点高于1400℃。
步骤(c)的含陶瓷组分的原材料选自Al2O3、ZrO2、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Er2O3、Eu2O3、CaO、MgO、CuO、CeO2、TiO2、SiO2、SiC、TiC、Ti2AlC3、Ti2SiC3中的一种或多种，含陶瓷组分的原材料为陶瓷粉末，其粉末粒径为30-1500nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明将具有延展性的金属相与具有高温耐热性的陶瓷相进行复合制备，所制得的零件具有高韧性、高硬度的兼容性优异性能，增强了陶瓷材料的工程实用性。
(2)本发明利用自由成形的增材制造技术来一步成形制备金属基复杂网格结构，并通过高温高压将陶瓷粉末压进金属网格结构，缩短了生产周期，并且降低了制造成本。
(3)本发明基于增材制造技术与热压烧结技术成功制备了陶瓷/金属复合制品，为制造金属增韧陶瓷制品的成形方法提供了一种新思路。
附图说明
图1是实施例1中陶瓷-金属复合制品的制备流程图，其中，(a)为TC4金属粉末；(b)为TC4金属网格预制件；(c)为Al2O3陶瓷粉末；(d)为金属网格微结构复合陶瓷样件；
图2是实施例2中不同类型金属网格预制件横截面示意图；
图3是实施例3中不同尺寸金属网格预制件横截面示意图；
图4是本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明提出的基于增材制造技术制备陶瓷-金属复合制品的成形工艺方法解决方案主要包括如下步骤：
(a)提供含金属组分的原材料；
(b)使所述金属原料固化形成网格微结构多孔形式的金属网格预制件；
(c)提供含陶瓷组分的原材料；
(e)使所述金属网格预制件与陶瓷材料致密化结合。
其中，步骤(e)中使金属网格预制件与陶瓷材料致密化结合通常是借助一定的方法使陶瓷材料填充至金属网格预制件的孔隙中，优选的，所述方法通常为渗透，通过外力辅助使陶瓷材料渗进金属中实现填充致密。
步骤(e)使金属网格预制件与陶瓷材料致密化结合的方法尤其优选为陶瓷材料在较高的外压力下被压至金属网格中实现填充致密，对降低实施本发明方法的成本是有利的。但是，直接将粉末压进步骤(b)中较大体积的金属网格预制件会涉及一些障碍。金属网格的三维连续分布的结构使得内部的孔隙与外界之间具有一个较长的通道，其中，陶瓷材料要被压进内部的孔隙，会存在一个较大的毛细管力，致使内部的孔隙填充的陶瓷材料不充分，使得通过本方法制备的陶瓷-金属复合制品具有的机械性能较差，尤其是机械强度、疲劳性能等性质较差。
因此，更优选本发明的方法，其在步骤(c)和步骤(e)之间包括下列单独步骤：
(d)使所述的金属网格预制件薄层化为金属网格薄片预制件。
在本文的优选实施方法中，如果步骤(b)的金属网格预制件的高度大于2mm，则执行步骤(d)的薄层化，并在步骤(b)的金属网格预制件之后，在步骤(e)的陶瓷材料与金属网格填充致密化结合之前执行。
步骤(d)中的薄层化将具有较大高度的金属网格预制件处理为较小高度的金属网格薄片预制件，从而使得被陶瓷浸渗的孔隙与外界的联通通路较短，陶瓷在很小的外加压力下即可实现致密填充。从商业的经济性考虑，这种方法处理之后，在很大的程度上提高了陶瓷-金属复合制品的机械实用性能，并且降低了在填充过程中所带来的高压设备的成本。
在多数情况下，金属材料具有良好的延展性和韧性，易于切割。在本实施方法中，对较大高度的金属网格预制件进行薄层化可选用的方法较多，包括以下实施实例：(1)电火花切割薄层化；(2)水射流切割薄层化；(3)激光切割薄层化。尤其优选电火花线切割将金属网格预制件薄层化，金属网格薄片预制件厚度约为1.5mm或更小。
因此，在本发明的更优选方法中，包括以下步骤：
(a)提供含金属组分的原材料；
(b)使所述金属原料固化形成网格微结构多孔形式的金属网格预制件；
(c)提供含陶瓷组分的原材料；
(d)使所述的金属网格预制件薄层化为金属网格薄片预制件；
(e)使所述金属网格预制件与陶瓷原料致密化结合。
其中，步骤(b)的固化金属网格预制件的过程，通常由增材制造成形方法来实现，有利于使制备金属网格预制件的成型周期缩短。增材制造成形方法的实施实例包括：电子束选区熔化成形技术（Electron Beam Melting，EBM），涉及使用电子束作为能量，固化粉末层的至少一个区域来获得制品；激光近净成形技术（Laser Engineering Net Shaping，LENS），涉及使用激光束作为能量，对烧结固化的区域进行加热结晶固化获得制品；激光选区烧结成形技术（Selective Laser Sintering，SLS），涉及使用激光束能量来使粉末层内的低熔点系统结晶固化从而固化整个粉末层以获得制品；激光粉末床熔融（Laser PowderBed Fusion，LPBF）成形技术，涉及使用高能量激光束加热至粉末熔点，使其熔化并冷却凝固。
进一步的，尤其优选本发明实施方法中，选用激光粉末床熔融（Laser Powder BedFusion，LPBF）成形技术来固化金属网格，通过控制激光能量束的轨迹按照预先的二维截面数据来选择性的熔化金属粉末使其发生结晶固化从而实现金属网格的制备。通常，所述激光能量束可提供的能量较高，在本发明的更优选方法中，高熔点金属得以被经济的制造正是在于LPBF增材制造技术中的高能量激光束，通过高能量的作用，可较容易的使得具有高熔点的金属发生熔化并结晶凝固而形成多孔网格预制件。
尤其优选本发明的方法中，所述高能量激光束的光斑直径通常为0.15mm，此外，激光束作用于金属材料的重要影响因素是激光束的激光功率，优选本发明的方法中，激光功率优选为100-380W。
在多数情况下，优选本发明方法实施步骤(b)选用激光束来固化制备金属网格结构是由设备依据三维的计算机模型的虚拟数据自动化完成制备的，三维虚拟模型的构建在Pro/E、SolidWorks等三维设计软件上实现，所涉及的网格模型通常为砖型或蜂窝型，尤其涉及周期性变化的砖型结构以及梯度变化的砖型结构，进一步的，所述周期性变化的砖型结构通常包含如下形式：（a）以a×b（长×宽）的小长方形在奇数层进行周期性排列，偶数层的小长方形与奇数层的小长方形对齐，并奇数层和偶数层交替规则排列；（b）以a×b的小长方形在奇数层进行周期性排列，偶数层的小长方形以奇数层的小长方形的中点为起点进行周期性排列，与奇数层形成交错排列；（c）以a×b的小长方形在奇数层进行周期性排列，偶数层的小长方形以奇数层的小长方形的中点偏右为起点进行周期性排列，与奇数层形成交错排列；（d）以a×b的小长方形在奇数层进行周期性排列，偶数层的小长方形为2a×b，并以奇数层的小长方形的中点为起点进行周期性排列，与奇数层形成交错排列；（e）以a×b的小长方形与c×b（a > c）的小长方形在奇数层进行交替性排列，偶数层的c×b（a > c）的小长方形的中点与奇数层的a×b的小长方形的中点对齐并以奇数层的方式交错排列。所述的梯度变化的砖型结构通常包含如下形式：（a）第一层以a1×b的小长方形周期性排列，第二层a2×b（a2< a1）的小长方形周期性排列，第三层以a3×b（a3< a2）的小长方形周期性排列，随着层数的增加，层内重复的小长方形的边长减小并周期性排列。
尤其优选本发明的方法，其中网格模型中孔隙的平均体积优选大于0.5mm3，多孔金属结构的孔隙体积越大，由本发明方法制备的陶瓷-金属复合制品的陶瓷相含量越多，对提高复合制品的强度就越有利。进一步的，更大体积的网格孔隙尺寸对于陶瓷粉末的填充是有利的，对于优选的孔隙尺寸大于10mm3以上的金属网格，其薄层厚度优选小于3mm。
在本发明的实施例中，其金属网格结构是由孔隙和骨架所构成的，在本发明的实施方法中，骨架的粗细优选1.5mm或更高。尤其优选本发明的方法，激光粉末床熔融成形技术是通过扫描线与扫描线重合制得固体平面，所以，制备更粗的骨架是有利的，而制备精细的骨架也是可行的，但精细的程度受激光束的光斑直径制约。
如上所述，在本发明的优选方法中，固化制备网格结构是由设备依据计算机虚拟模型制备的，尤其优选本发明的方法中，所制备网格结构的方法为增材制造成形方法中的激光粉末床熔融成形方法，该方法控制激光由点到线、由线到面、由面到体的加热金属材料，并使其冷却结晶形成固体结构。因此，优选本发明方法实施激光粉末床熔融成形制备网格金属结构的设备由熔融层的厚度、激光扫描速度、激光扫描线间距、激光扫描路径等参数决定制品的质量。
本发明的陶瓷-金属制品的金属网格结构的激光扫描路径可采用单向平行填充扫描、之字蛇形填充扫描、多岛式填充扫描等，在本发明的优选方法中，所述的激光填充路径优选之字蛇形填充路径，根据之字蛇形路径进行填充固化，可使得热应力在制品中较为均匀的分布，以改善金属网格预制件的物理和机械性质。影响激光扫描质量的还有激光扫描线间距、激光扫描速度。
在本发明的更优选的方法中，激光扫描线间距为0.08-0.15mm。优选的激光扫描速度为600-2000mm/s。此外，每层激光熔融的层厚优选为30-50μm。过于小的层厚，过于低的扫描速度，会导致本发明制备的陶瓷-金属制品的制造时间更长，这导致投入的成本更高，不利于推广本发明方法。
尤其优选本发明的实施方法，包括以下步骤：
(a)提供含金属组分的原材料；
(b)使所述金属原料固化形成网格微结构多孔形式的金属网格预制件；
(c)提供含陶瓷组分的原材料；
(d)使所述的金属网格预制件薄层化为金属网格薄片预制件；
(e)使所述金属网格预制件与陶瓷原料致密化结合。
其中，步骤(b)通过激光粉末床熔融成形技术的激光高能量束的形式熔化结晶固化形成金属网格预制件，并通过步骤(d)将金属网格预制件切片为具有较小层厚的金属网格薄片预制件，金属薄片孔隙对陶瓷材料的填充是有利的，陶瓷材料被完全的填充至金属网格的孔隙，并在外加的动力源驱动下发生部分或完全熔化，使得各个陶瓷颗粒之间互相融合连接，形成与金属网格相互联结的陶瓷连续网格，提高本发明方法制备的陶瓷-金属制品的复合性能。
实施本发明的优选方法中，步骤(e)将金属网格薄片预制件与陶瓷材料致密化结合，此时的金属网格预制件是金属薄片。单一薄片与陶瓷材料进行固化结合，无法满足实际性能需求。
针对上述障碍的改善方法是，将多层薄片堆积固化形成所期望的制品高度。与此改善方法相关的问题是，多层金属薄片与陶瓷材料的堆积方式，其方式将会确定本发明优选方法制备的陶瓷-金属复合制品的强度、韧性、抗疲劳性能等。优选本发明的方法，使得金属薄片与陶瓷材料固化的方式通常是采用夹心式，涉及单层金属薄片-陶瓷材料-单层金属薄片的夹心方式，或是双层金属薄片-陶瓷材料-双层金属薄片的夹心方式。尤其优选本发明的方法中，使用单层金属薄片-陶瓷材料-单层金属薄片的夹心方式。
在本发明提供的方法中，步骤(e)将金属网格与陶瓷材料交替叠加进行浸渗填充的方式，其陶瓷材料的质量使得展开后的层厚通常是金属薄片厚度的0.5-2倍。
在本发明方法制备的金属网格浸渗陶瓷复合方式的陶瓷-金属制品，陶瓷材料以液态的形式流动浸渗至金属网格的孔隙中是不易的。带来这个问题是由于陶瓷材料本身所具有的高熔点，要将陶瓷材料制成液态则需给陶瓷材料提供比熔点更高的温度以使其完全熔化形成液态陶瓷。
所以，针对上述不足，改善的思路是给陶瓷材料加热使其部分熔化。因此，尤其优选本发明的方法中，步骤(e)将金属网格薄片与陶瓷材料以交替堆积的方式，将其放置于容器中，通过对所盛放的容器逐步施加热量以及压力，使陶瓷材料被填充至金属网格的孔隙中。
优选本发明的方法中，步骤(e)将金属薄片与陶瓷材料置于容器，所述容器需能承受高温高压而不发生变形开裂等，通常将所盛放的容器称为“模具”，有时也称为“烧结模具”。
所述烧结模具的质量受模具材料的影响。在本发明的实施方法中，所述模具的材料的实施要求为：(1)在加热温度（提供能使陶瓷材料发生部分熔化的能量）下不会导致应力值超过疲劳强度、断裂强度，导致失效；(2)对模具进行加热时，热量在模具内各处近乎均匀分布，各点的温差不小于5℃，更优选的不小于2℃。
更优选本发明的方法中，步骤(e)所述的模具材料优选为石墨材料，尤其优选优质石墨模具，以满足热量温差要求。更优选本发明的方法中，容器的尺寸通常由最终所期望的复合陶瓷-金属制品的尺寸所限定。
在本发明的优选实施方法中，步骤(e)的使陶瓷材料与金属网格置于模具容器中实现固化形成固体，这个过程称之为“烧结”。优选本发明的方法中的金属网格与陶瓷材料烧结的质量影响因素有烧结温度、烧结气氛环境、烧结升温速率、烧结保温时间等。
尤其优选本发明的方法中，所述的烧结温度所提供的热能被陶瓷材料吸收后发生至少部分熔化，但不高于金属网格预制件的熔点，所以烧结温度优选为1200-1400℃，烧结过程中的烧结环境通常是通入不与烧结体相反应的惰性气体，如氩气、二氧化碳保护气体等。
决定本发明方法的商业经济性的是在于制备陶瓷-金属制品的烧结时间，烧结时间受烧结升温速率与烧结保温时间所影响。烧结升温速率为5-110℃/min。烧结保温时间优选为5-15min。
尤其优选本发明的方法，步骤(e)使得陶瓷材料得以进入金属网格的孔隙中，高温高压烧结是有利的，影响因素是高温高压烧结过程中的真空度、压力值。真空度是烧结环境中的含氧值，陶瓷材料与金属网格预制件进行烧结时，氧气的存在会使得金属与氧气发生高温氧化反应，改变金属的成分，使得最终的烧结件的强度下降。在本发明的优选方法中，真空度优选为15Pa或更低。此外，所述的高压烧结的压力值是使得陶瓷粉末能被压进金属网格预制件的重要影响参数，陶瓷材料在力的作用下发生运动填充至金属网格的孔隙中，在本发明的优选方法中，压力值优选为25-45MPa。
优选本发明的方法制备陶瓷-金属复合制品能通过具有较小高度的金属网格薄片与陶瓷材料置于模具容器中进行烧结，所得制品的陶瓷相与金属相在空间上形成相互贯穿并且连续的三维网格，规避了金属基复合材料的各向异性的弊端，将陶瓷和金属各自的性能有点更多的保留在最终制得的复合制品中。同时，这种方法制得的复合制品具有三维双连续的结构，可以在空间上引起结构互锁的效应，使得这种复合材料具有更高的承载能力或抗冲击能力。本方法也使得制品具有更充分的致密化结合，以获得更高的强度以及断裂韧性。在本发明的更优选的方法中，该方法包括以下步骤：
(a)提供含金属组分的原材料；
(b)使所述金属原料固化形成网格微结构多孔形式的金属网格预制件；
(c)提供含陶瓷组分的原材料；
(d)使所述的金属网格预制件薄层化为金属网格薄片预制件；
(e)使所述金属网格预制件与陶瓷原料致密化结合。
优选本发明的方法，其中步骤(a)所述的金属原材料所具有的形态可以是任何形式，如粉体、丝材、板材、块体等，在本发明的优选方法中，优选具有较好球形度的金属粉末。尤其优选本发明的方法，所述金属粉末包含一种或多种选自以下的化合物：Ti合金、Ni基高温合金等。更优选本发明的方法中，所述金属粉末为熔点高于1400℃的金属或金属化合物。
尤其优选本发明的方法中，步骤(c)所述的陶瓷材料包含两种、三种或更多种的组分能形成低熔点的共晶系统，使得陶瓷材料与金属网格结构致密化结合时，所述的低熔点共晶系统在较低的能量下发生熔化并冷却固化。
[1]更优选地，本文中的陶瓷材料包含一种或多种选自以下的混合物：Al2O3、ZrO2、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Er2O3、Eu2O3、CaO、MgO、CuO、CeO2、TiO2、SiO2、SiC、TiC、Ti2AlC3、Ti2SiC3等。尤其优选的陶瓷材料为包含前述组分的陶瓷粉末，且其粉末粒径优选为30-1500nm。
因此，尤其优选本发明的方法制备陶瓷-金属复合制品的工艺主要包括以下步骤：
(a)提供含金属组分的原材料；
(b)使所述金属原料固化形成网格微结构多孔形式的金属网格预制件；
(c)提供含陶瓷组分的原材料；
(d)使所述的金属网格预制件薄层化为金属网格薄片预制件；
(e)使所述金属网格预制件与陶瓷原料致密化结合。
为了加深对本发明的理解，下面结合具体实施实例对本发明进行进一步的实施说明。以下实例仅用于解释说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
具体实施例1
(1)金属网格薄片预制件的制备
本实施例中选择金属激光粉末床熔融LPBF技术制备金属网格预制件。首先，选择Ti6Al4V(TC4)金属粉末，粒径30-50µm，形状为具有较好球形度，如图1（a）所示。然后，在三维设计软件上设计出三维网格结构的模型，以1mm×1.5mm的小长方形在奇数层进行周期性排列，偶数层的小长方形以奇数层的小长方形的中点为起点进行周期性排列，与奇数层形成交错排列，称为A类网格模型。
在三维软件上完成模型的设计之后，利用软件的切片功能，将金属网格模型进行二维截面切层，从而将三维实体离散成一个个二维层，在模型软件上输出含二维切层数据的STL文件，并将该文件导入LPBF控制系统中。在LPBF控制系统中打开该文件模型，并设置该文件的打印位置以及打印工艺参数。在本实施例中，扫描速度为1250mm/s，扫描线间距为105μm，扫描策略层内之字蛇形扫描策略，层间偏转90°扫描，采用的激光源为波长为1070nm的Nd:YAG激光器，光斑直径为0.15mm，设置的激光功率为195W。
另外，将经过喷砂处理的TC4基板放入打印成形室内，并将氩气充入该成形室，氧气浓度低于0.2ppm，使得成形室内处于惰性气体的保护气氛下，从而避免活泼的金属粉末被污染，尤其避免了打印过程中的金属高温反应。
在本实施例中，打印工作在金属增材制造装备上进行，通常，增材制造金属制造设备是一台自动打印设备，只需一键启动打印之后，铺粉、成形皆在程序的控制下自动进行，所以实施本例的生产时间较短。打印完成之后，清扫所述金属网格预制件周围未熔化的金属粉末并回收，将金属预制件及基板一起从成形室一起取出，并送至电火花线切割机上将金属预制件从基板上切割下来。
(2)陶瓷粉末与金属网格薄片结合制备陶瓷/金属复合结构件
由于金属网格是一个具备一定高度的三维实体，而且网格的孔隙尺寸较小，所以不利于陶瓷颗粒在金属网格中的均匀弥散。为了使得陶瓷颗粒弥散均匀性得到改善，在本实施例中，首先将A类金属网格预制件进行薄层化，即采用电火花切割技术将A类金属网格切片，片层的厚度为1.5mm，如图1（b）所示。然后通过计算金属网格中的孔隙所占的体积约为733.84mm3，即为所需铺的陶瓷粉末的体积V，再根据
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，计算得到所需的陶瓷粉末的质量，本实施例中所选用的陶瓷粉末为Al2O3陶瓷粉末，平均粒径为400nm，其微观形貌如图1（c）所示，然后在天平秤上称量3.01g Al2O3陶瓷粉末，然后添加至模具中进行铺平，并放置经过清洗的金属网格薄片。陶瓷粉末和金属网格薄片按如图2所示进行层层交替堆叠至所需高度。
将上述叠放了陶瓷粉末与金属网格的模具放进SPS烧结炉进行热压烧结，设定的烧结温度为1300℃、烧结升温速率为100℃/min，烧结保温时间为5min，烧结压力为40MPa、烧结气氛为真空、烧结真空度为10Pa。烧结程序执行完毕之后自发停止，随炉冷却之后将陶瓷-金属复合制品取出，并在扫描电子显微镜下观察其表面形貌，结果如图1（d）所示。
具体实施例2
本具体实施2与具体实施例1的步骤及参数一致，所不同的是设计的三维模型的网格类型不同，本发明人的具体实施例中，设计的网格模型分别有：(1)以3.064mm×1.350mm的长方形与0.921mm×1.350mm的小长方形在奇数层进行交替性排列，偶数层的0.921mm×1.350mm的小长方形的中点与奇数层的3.064mm×1.350mm的长方形的中点对齐并以奇数层的方式交错排列，称为B类网格模型，如图2（a）所示；(2)以1.375mm×2.0625mm的小长方形在奇数层进行周期性排列，偶数层的小长方形与奇数层的小长方形对齐，并且奇数层和偶数层交替规则排列，称为C类网格模型，如图2（b）所示；(3)以2.072mm×1.350mm的小长方形在奇数层进行周期性排列，偶数层的小长方形为4.294mm×1.350mm，并且偶数层的小长方形的中点与奇数层的小长方形的中点对齐，与奇数层形成交错排列，称为D类网格模型，如图2（c）所示；(4)以1.375mm×2.0625mm的小长方形在奇数层进行周期性排列，偶数层的1.375mm×2.0625mm小长方形以奇数层的小长方形的中点偏右为起点进行周期性排列，与奇数层形成交错排列，称为G类网格模型，如图2（d）所示，所述模型的壁厚均设置为1.5mm，经具体实施例1的步骤制备后获得的金属网格薄片预制件俯视图如图2所示。
具体实施例3
本具体实施例3与具体实施例2的主要步骤及参数基本一致，所不同的是，在本发明人的具体实施例中，针对具体实施例2的每一种网格类型，变化其网格模型的孔隙大小，以C类网格类型为例，设计的网格孔隙即小长方形的长宽变化依次为：0.625mm×0.9375mm、0.875 mm ×1.3125 mm、1.125 mm ×1.6875 mm、1.375 mm ×2.0625 mm，分别将所对应的网格命名为C1、C2、C3、C4，所述模型的壁厚均设置为1.5mm，经具体实施例1的步骤制备后获得的金属网格薄片预制件俯视图如图3所示。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
(a)提供含金属组分的原材料；
(b)使金属原料固化形成网格微结构多孔形式的金属网格预制件；
(c)提供含陶瓷组分的原材料；
(d)使所述的金属网格预制件薄层化为金属网格薄片预制件；
(e)使所述金属网格预制件与陶瓷材料致密化结合；
金属网格预制件薄层化的实施方法为电火花切割或水射流切割或激光切割；薄层化的金属网格薄片预制件的厚度不超过1.5mm；
步骤(b)中，金属原料固化过程为：由增材制造成形方法通过控制高能量束的成形轨迹以使得金属相结晶固化或由增材制造成形方法中的金属激光粉末床熔融成形以使得金属相结晶固化；其中，金属激光粉末床熔融成形以三维数字构建金属网格模型，模型为砖型或蜂窝型；金属网格模型孔隙体积由所提供的金属原料和陶瓷原料之间的润湿性决定；
步骤(e)中，陶瓷材料与金属网格预制件致密化结合的方式为渗透或烧结；
将金属网格薄片预制件与陶瓷材料交替放置于容器中，对容器加热使陶瓷材料填充至金属网格薄片中实现烧结致密化；
金属激光粉末床熔融成形使用的金属原料为金属粉末，所述金属粉末选自以下的化合物：Ti合金、Ni基高温合金；
所述的金属粉末熔点高于1400℃；
步骤(c)的含陶瓷组分的原材料选自Al2O3、ZrO2、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Er2O3、Eu2O3、CaO、MgO、CuO、CeO2、TiO2、SiO2、SiC、TiC、Ti2AlC3、Ti2SiC3中的一种或多种，含陶瓷组分的原材料为陶瓷粉末，其粉末粒径为30-1500nm。
2.根据权利要求1所述的基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法，其特征是：所述的金属网格模型的骨架壁厚不小于1.5mm。
3.根据权利要求2所述的基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法，其特征是：所述的金属网格薄片预制件与陶瓷材料交替放置于容器中的方式为：单层金属网格薄片预制件-陶瓷材料-单层金属网格薄片预制件的夹心方式或双层金属网格薄片预制件-陶瓷材料-双层金属网格薄片预制件的夹心方式。
4.根据权利要求3所述的基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法，其特征是：所述的容器为石墨材料制作。
5.根据权利要求4所述的基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法，其特征是：对金属网格薄片预制件与陶瓷材料烧结的温度不高于金属网格薄片预制件的熔点，烧结气氛环境为通入不与烧结体相反应的惰性气体。
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