CN114559052B - 一种采用slm成型制备碳纤维增强17-4ph高强钢复合材料的方法 - Google Patents
一种采用slm成型制备碳纤维增强17-4ph高强钢复合材料的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种采用SLM成型制备碳纤维增强17‑4PH高强钢复合材料的方法，包括以下步骤：预处理碳纤维粉末；将预处理后的碳纤维粉末加入到氨基硅烷水溶液中，得到混合溶液；将混合溶液于微波改性装置中设置温度为100~150℃，加热频率为2450MHz，功率为850W下搅拌30~50min，获得表面改性的碳纤维粉末；将表面改性的碳纤维粉末和17‑4PH高强钢粉末的混合粉末作为SLM成型的原料，装入供粉缸中，设置好SLM的激光功率，扫面点间距，扫描速度后，制备出碳纤维增强相均匀分布于基体中的Cf/17‑4PH复合材料。本发明制得的碳纤维增强17‑4PH高强钢复合材料的耐磨性、硬度、强度等性能得到了显著的提升。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，特别涉及一种采用选区激光熔化成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法。
背景技术
17-4PH高强度不锈钢是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，其强度高、硬度大且具有较好的焊接性能和耐腐蚀性能，在航天航空、核工业、生物医疗以及石油化工等领域得到了广泛的应用。碳纤维具有高比强度、耐磨损、耐腐蚀、以及与金属相似的导电导热性等一系列优点。17-4PH高强钢和碳纤维具有各自良好的特性，因此，如果能将碳纤维与17-4PH高强钢很好的结合，在保持原不锈钢良好的性能的基础上，使其具有更优质的力学性能，就能进一步扩大该不锈钢的应用。然而传统的加工方法很难实现高精度加工，在加工过程中容易撕扯碳纤维，使其拔出，造成分层，降低精度，除此之外还存在加工效率低，污染较大等缺陷，所以目前需要新的制备方法来满足市场需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，此制备方法可以高效的获得高精度、质量稳定的优质碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料，扩大该不锈钢的应用市场。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，包括以下步骤：
（1）将含有12.5wt% KClO3和23wt% NH2SO3H的混合溶液加热至沸腾，然后加入碳纤维粉末搅拌20min，反应结束用蒸馏水冲洗，100℃干燥30min，得到预处理后的碳纤维粉末；
（2）将预处理后的碳纤维粉末加入到2g/L的氨基硅烷（氨丙基三甲基硅烷）水溶液中，在80r/min速度下保持同一方向搅拌30min，得到混合溶液；
（3）将所述混合溶液于微波改性装置中设置温度为100~150℃，加热频率为2450MHz，功率为850W下搅拌30~50min，反应结束后冷却至室温；通过微波辐射可以在低温下给碳纤维表面引入羟基、羧基等活性基团得到表面改性的碳纤维浆体，将表面改性的碳纤维浆体真空干燥后得到表面改性的碳纤维粉末；
（4）将表面改性的碳纤维粉末和17-4PH高强钢粉末按一定比例放入球磨罐中真空球磨，得到混合粉末；
（5）将混合粉末作为SLM成型的原料，装入供粉缸中，设置好SLM的激光功率，扫面点间距，扫描速度后，制备出碳纤维增强相均匀分布于基体中的Cf/17-4PH复合材料。
进一步，所述碳纤维为直径6-8μm，长度100-200μm的磨碎短纤维。
进一步，所述步骤（2）中碳纤维粉末与氨基硅烷水溶液的质量比为100:1~2。
进一步，所述步骤（4）中表面改性的碳纤维粉末与17-4PH高强钢粉末的质量比为0.5-1:99-99.5。
进一步，所述步骤（4）中球料比为15:1，球磨速度为200-300r/min，球磨时间为10-15h。
进一步，所述步骤（5）中激光功率180W-240W，扫描速度700-800mm/s，扫描点间距100-200μm。
通过上述采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法制得碳纤维增强相均匀分布于Cf/17-4PH高强钢基体相的复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种采用选区激光熔化成形制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，采用了一种微波辐射的表面改性方法使得碳纤维表面改性，微波辐射处理对粉末表面有激活作用，且微波加热不依赖热传导，升温迅速，热损耗小、能量利用率高，改善分散性，解决了碳纤维易团聚，分散性差，表面浸湿性差，不易与金属基材料结合的问题。
2、本发明一种采用选区激光熔化成形制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，与传统的粉末冶金等制备方法相比，选区激光熔化成形具有精度高，质量稳定，成型速度快等特点。解决了碳纤维在17-4PH高强钢基体中分散不均匀的问题，且制备工艺简单，成本低，适合广泛应用。
3、本发明一种采用选区激光熔化成形制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，表面改性的碳纤维粉末颗粒之间的界面更清晰，分散性显著增加，在17-4PH高强钢基体中分散的更加均匀，细化了17-4PH高强钢的晶体尺寸，也使得碳纤维与该不锈钢的界面结合强度增加，从而使得碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料（Cf/17-4PH）的耐磨性、硬度、强度等性能得到了显著的提升。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案及效果做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
本实施例的采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，具体步骤为：
（1）将含有12.5wt% KClO3和23wt% NH2SO3H的混合溶液加热至沸腾，然后加入碳纤维粉末搅拌20min，反应结束用蒸馏水冲洗，100℃干燥30min，得到预处理后的碳纤维粉末；
（2）将预处理后的碳纤维粉末加入到2g/L的氨基硅烷水溶液中，在80r/min速度下保持同一方向搅拌30min，得到混合溶液；
（3）将所述混合溶液于微波改性装置中设置温度为100℃，加热频率为2450MHz，功率为850W下搅拌50min，反应结束后冷却至室温，得到表面改性的碳纤维浆体，将表面改性的碳纤维浆体真空干燥后得到表面改性的碳纤维粉末；
（4）将表面改性的碳纤维粉末和17-4PH高强钢粉末按0.5:99.5放入球磨罐中真空球磨，球料比为15:1，球磨速度为200r/min，球磨15h，得到混合粉末；
（5）将混合粉末作为SLM成型的原料，装入供粉缸中，在激光功率180W，扫描速度700mm/s，扫描点间距100μm条件下制备出碳纤维增强相均匀分布于Cf/17-4PH基体相的复合材料；
（6）对制备出的样品进行力学性能测试，得到碳纤维增强的复合材料的硬度比基体提高了9.75%，拉伸强度最大值为1485MPa，比基体的抗拉强度提高了13.36%，达到增强效果。
实施例2
本实施例的采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，具体步骤为：
（1）将含有12.5wt% KClO3和23wt% NH2SO3H的混合溶液加热至沸腾，然后加入碳纤维粉末搅拌20min，反应结束用蒸馏水冲洗，100℃干燥30min，得到预处理后的碳纤维粉末；
（2）将预处理后的碳纤维粉末加入到2g/L的氨基硅烷水溶液中，在80r/min速度下保持同一方向搅拌30min，得到混合溶液；
（3）将所述混合溶液于微波改性装置中设置温度为130℃，加热频率为2450MHz，功率为850W下搅拌40min，反应结束后冷却至室温，得到表面改性的碳纤维浆体，将表面改性的碳纤维浆体真空干燥后得到表面改性的碳纤维粉末；
（4）将表面改性的碳纤维粉末和17-4PH高强钢粉末按0.7:99.3放入球磨罐中真空球磨，球料比为15:1，球磨速度为250r/min，球磨13h，得到混合粉末；
（5）将混合粉末作为SLM成型的原料，装入供粉缸中，在激光功率200W，扫描速度800mm/s，扫描点间距150μm条件下制备出碳纤维增强相均匀分布于Cf/17-4PH基体相的复合材料；
（6）对制备出的样品进行力学性能测试，得到碳纤维增强的复合材料的硬度比基体提高了14.25%，拉伸强度最大值为1510MPa，比基体的抗拉强度提高了15.27%，达到增强效果。
实施例3
本实施例的采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，具体步骤为：
（1）将含有12.5wt% KClO3和23wt% NH2SO3H的混合溶液加热至沸腾，然后加入碳纤维粉末搅拌20min，反应结束用蒸馏水冲洗，100℃干燥30min，得到预处理后的碳纤维粉末；
（2）将预处理后的碳纤维粉末加入到2g/L的氨基硅烷水溶液中，在80r/min速度下保持同一方向搅拌30min，得到混合溶液；
（3）将所述混合溶液于微波改性装置中设置温度150℃，加热频率为2450MHz，功率为850W下搅拌30min，反应结束后冷却至室温，得到表面改性的碳纤维浆体，将表面改性的碳纤维浆体真空干燥后得到表面改性的碳纤维粉末；
（4）将表面改性的碳纤维粉末和17-4PH高强钢粉末按1:99放入球磨罐中真空球磨，球料比为15:1，球磨速度为300r/min，球磨10h，得到混合粉末；
（5）将混合粉末作为SLM成型的原料，装入供粉缸中，在激光功率240W，扫描速度750mm/s，扫描点间距200μm条件下制备出碳纤维增强相均匀分布于Cf/17-4PH基体相的复合材料；
（6）对制备出的样品进行力学性能测试，得到碳纤维增强的复合材料的硬度比基体提高了8.25%，拉伸强度最大值为1472MPa，比基体的抗拉强度提高了12.37%，达到增强效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将含有12.5wt% KClO3和23wt% NH2SO3H的混合溶液加热至沸腾，然后加入碳纤维粉末搅拌20min，反应结束用蒸馏水冲洗，100℃干燥30min，得到预处理后的碳纤维粉末；
（2）将预处理后的碳纤维粉末加入到2g/L的氨基硅烷水溶液中，在80r/min速度下保持同一方向搅拌30min，得到混合溶液；
（3）将所述混合溶液于微波改性装置中设置温度为100~150℃，加热频率为2450MHz，功率为850W下搅拌30~50min，反应结束后冷却至室温，得到表面改性的碳纤维浆体，将表面改性的碳纤维浆体真空干燥后得到表面改性的碳纤维粉末；
（4）将表面改性的碳纤维粉末和17-4PH高强钢粉末按一定比例放入球磨罐中真空球磨，得到混合粉末；
（5）将混合粉末作为SLM成型的原料，装入供粉缸中，设置好SLM的激光功率，扫面点间距，扫描速度后，制备出碳纤维增强相均匀分布于基体中的Cf/17-4PH复合材料。
2.根据权利要求1所述的采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，其特征在于，所述碳纤维为直径6-8μm，长度100-200μm的磨碎短纤维。
3.根据权利要求1所述的采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，其特征在于，所述步骤（2）中碳纤维粉末与氨基硅烷水溶液的质量比为100:1~2。
4.根据权利要求1所述的采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，其特征在于，所述步骤（4）中表面改性的碳纤维粉末与17-4PH高强钢粉末的质量比为0.5-1:99-99.5。
5.根据权利要求1所述的采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，其特征在于，所述步骤（5）中球料比为15:1，球磨速度为200-300r/min，球磨时间为10-15h。
6.根据权利要求1所述的采用SLM成型制备碳纤维增强17-4PH高强钢复合材料的方法，其特征在于，所述步骤（5）中激光功率180W-240W，扫描速度700-800mm/s，扫描点间距100-200μm。
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