CN114682798A - 一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法 - Google Patents

一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于镁基复合材料成型技术领域，具体涉及一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法；以激光选区成形技术制备镁基碳纳米管复合材料，通过粉末预制等步骤获得均匀分布在基体中的碳纳米管复合材料，所得到的镁基碳纳米管复合材料无明显缺陷，具有较高的致密度。

Description

一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法
技术领域
本发明属于镁基复合材料成型技术领域，具体涉及一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法。
背景技术
激光选区熔化成型技术是一种基于离散－堆积成形概念的先进增材制造技术，该技术通过建立三维模型，采用逐道逐层制造的方式，利用激光束选择性的烧结金属粉末来实现复杂零件的净成形。相比于传统铸造工艺的高成本、长周期，激光选区熔化成型技术可以快速加工出复杂的零件，且零件的尺寸精度高。
现有镁基复合材料的制备方式主要有：搅拌铸造法、粉末冶金法以及原位反应自生法等，但都存在一些缺陷。粉末冶金法是将粉末状金属基体与增强相按一定的比例进行机械混合，混合均匀后进行制备，可以用混合料直接进行热压、热挤成型或先进行压坯、再烧结制备复合材料。然而粉末冶金的不足之处在于设备复杂，加工成本较高，结构复杂的构件较难制备，对于镁合金等易燃材料存在安全隐患，使得镁基碳纳米管材料的制备过程存在一定的难度。搅拌铸造法是在一定的条件下，依靠机械搅拌、电磁搅拌、超声波搅拌等办法对处于半熔或熔化的金属中添加增强相，伴随不断地搅拌使增强相充分分散到金属基体熔体中，待混合均匀后再进行浇注、挤压成型。搅拌铸造法主要存在俩个难题，一是外加强化相的分布不均匀，而是因强化相带入与搅拌方式不当容易引起气孔缺陷等。原位反应自生法是在一定的条件下，利用不同元素或化合物之间发生适量反应，而在基体中生成所需增强相的一种复合材料制备方法。原位合成时反应温度、反应环境和催化剂含量对增强相合成影响较大，控制过程存在一定难度。
公告号为CN111020417B的专利文件公开了SW-CNTs纤维增强镁合金基复合材料丝材及方法，按重量百分比由以下原料组分组成：SW-CNTs短纤维0.5-1.5％、余量为镁合金粉，以上各组分重量百分比之和为100％。避免了SW-CNTs纤维与镁合金基体之间润湿性差导致的界面结合强度弱的问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法。
具体是通过以下技术方案来实现的：
1、一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，包括以下步骤：
(1)粉末预制：将镁合金与碳纳米管混合球磨，烘干后得到混合均匀的镁合金/碳纳米管复合粉末；
进一步，所述的粉末预制，具体是将镁合金AZ91D与碳纳米管混合后，在氩气保护氛围下，采用球磨机进行球磨；碳纳米管为镁合金与碳纳米管混合物重量的0.1-10％；镁合金的尺寸为15μm-70μm。
进一步，所述的烘干，温度为80℃，时间为4h。
(2)模型零件绘制：根据使用要求绘制零件的三维模型，将三维模型导入分层切片软件中进行分层切片及添加支撑，然后导入激光选区熔化成型设备中；
进一步，所述的模型零件绘制，具体是根据使用需求，确定零件的尺寸要求，利用UG建模软件对零件进行三维建模，在三维建模完成之后导出stl格式的三维模型，经分层切片软件处理后导入激光选区熔化成型设备中。
进一步，所述的分层切片，是将stl格式的三维模型导入Magics软件中，首先确定零件摆放方式，其次对模型进行添加支撑及分层切片。
(3)成型准备：
a.镁合金/碳纳米管粉末装仓:将已烘干处理后的镁合金/碳纳米管粉末装入粉末仓内；
b.装配基板和刮刀:将镁合金基板安装在成形仓内的活动底板上，再在安装刮刀，在基板和刮刀的安装过程中，要保证基板与刮刀基本处于平行状态，以保证在后续的铺粉过程可以获得均匀、一致的铺粉层；
c.向打印仓中填充保护气:对打印仓进行填充保护气，镁合金的打印过程选用氩气作为保护气。在抽氧及填充保护气时，要使得氧含量低于100ppm，以防止在打印过程中出现意外因素；
d.预热基板:对基板进行预热，预热温度设置为200℃，预热可以显著降低合金的残余应力水平，即降低开裂的风险。
(4)打印：将分层切片好的stl格式模型和支撑文件导入激光选区熔化成形设备中，并在控制软件中打开，并确定打印参数进行打印。
进一步，采用的成形参数范围为：激光功率为80W，扫描速度范围为150mm/s，扫描间距为0.06mm，层厚为0.05mm，且轮廓参数与成形参数一致；待预热温度到达200℃后，开始铺粉，调整粉末的层厚为0.05mm时，开启激光器开始打印零件，并最终形成碳纳米管分布均匀，零件致密的镁基碳纳米管复合材料零件。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明针对传统方式制备镁基碳纳米管复合材料的局限性，如采用粉末冶金法制备的危险程度高，采用搅拌铸造法遇到的强化相分布不均匀及易出现气孔等缺陷等现象。提出以激光选区成形技术制备镁基碳纳米管复合材料，通过粉末预制等步骤获得均匀分布在基体中的碳纳米管复合材料，所得到的镁基碳纳米管复合材料无明显缺陷，具有较高的致密度。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
1、一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，包括以下步骤：
(1)粉末预制：将镁合金与碳纳米管混合球磨，烘干后得到混合均匀的镁合金/碳纳米管复合粉末；
进一步，所述的粉末预制，具体是将镁合金AZ91D与碳纳米管混合后，在氩气保护氛围下，采用球磨机进行球磨；碳纳米管为镁合金与碳纳米管混合物重量的5％；镁合金的尺寸为50μm。
进一步，所述的烘干，温度为80℃，时间为4h。
(2)模型零件绘制：根据使用要求绘制零件的三维模型，将三维模型导入分层切片软件中进行分层切片及添加支撑，然后导入激光选区熔化成型设备中；
进一步，所述的模型零件绘制，具体是根据使用需求，确定零件的尺寸要求，利用UG建模软件对零件进行三维建模，在三维建模完成之后导出stl格式的三维模型，经分层切片软件处理后导入激光选区熔化成型设备中。
进一步，所述的分层切片，是将stl格式的三维模型导入Magics软件中，首先确定零件摆放方式，其次对模型进行添加支撑及分层切片。
(3)成型准备：
a.镁合金/碳纳米管粉末装仓:将已烘干处理后的镁合金/碳纳米管粉末装入粉末仓内；
b.装配基板和刮刀:将镁合金基板安装在成形仓内的活动底板上，再在安装刮刀，在基板和刮刀的安装过程中，要保证基板与刮刀基本处于平行状态，以保证在后续的铺粉过程可以获得均匀、一致的铺粉层；
c.向打印仓中填充保护气:对打印仓进行填充保护气，镁合金的打印过程选用氩气作为保护气。在抽氧及填充保护气时，要使得氧含量低于100ppm，以防止在打印过程中出现意外因素；
d.预热基板:对基板进行预热，预热温度设置为200℃，预热可以显著降低合金的残余应力水平，即降低开裂的风险。
(4)打印：将分层切片好的stl格式模型和支撑文件导入激光选区熔化成形设备中，并在控制软件中打开，并确定打印参数进行打印。
进一步，采用的成形参数范围为：激光功率为80W，扫描速度范围为150mm/s，扫描间距为0.06mm，层厚为0.05mm，且轮廓参数与成形参数一致；待预热温度到达200℃后，开始铺粉，调整粉末的层厚为0.05mm时，开启激光器开始打印零件，并最终形成碳纳米管分布均匀，零件致密的镁基碳纳米管复合材料零件。
实施例2
1、一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，包括以下步骤：
(1)粉末预制：将镁合金与碳纳米管混合球磨，烘干后得到混合均匀的镁合金/碳纳米管复合粉末；
进一步，所述的粉末预制，具体是将镁合金AZ91D与碳纳米管混合后，在氩气保护氛围下，采用球磨机进行球磨；碳纳米管为镁合金与碳纳米管混合物重量的2％；镁合金的尺寸为15μmμm。
进一步，所述的烘干，温度为80℃，时间为4h。
(2)模型零件绘制：根据使用要求绘制零件的三维模型，将三维模型导入分层切片软件中进行分层切片及添加支撑，然后导入激光选区熔化成型设备中；
进一步，所述的模型零件绘制，具体是根据使用需求，确定零件的尺寸要求，利用UG建模软件对零件进行三维建模，在三维建模完成之后导出stl格式的三维模型，经分层切片软件处理后导入激光选区熔化成型设备中。
进一步，所述的分层切片，是将stl格式的三维模型导入Magics软件中，首先确定零件摆放方式，其次对模型进行添加支撑及分层切片。
(3)成型准备：
a.镁合金/碳纳米管粉末装仓:将已烘干处理后的镁合金/碳纳米管粉末装入粉末仓内；
b.装配基板和刮刀:将镁合金基板安装在成形仓内的活动底板上，再在安装刮刀，在基板和刮刀的安装过程中，要保证基板与刮刀基本处于平行状态，以保证在后续的铺粉过程可以获得均匀、一致的铺粉层；
c.向打印仓中填充保护气:对打印仓进行填充保护气，镁合金的打印过程选用氩气作为保护气。在抽氧及填充保护气时，要使得氧含量低于100ppm，以防止在打印过程中出现意外因素；
d.预热基板:对基板进行预热，预热温度设置为200℃，预热可以显著降低合金的残余应力水平，即降低开裂的风险。
(4)打印：将分层切片好的stl格式模型和支撑文件导入激光选区熔化成形设备中，并在控制软件中打开，并确定打印参数进行打印。
进一步，采用的成形参数范围为：激光功率为80W，扫描速度范围为150mm/s，扫描间距为0.06mm，层厚为0.05mm，且轮廓参数与成形参数一致；待预热温度到达200℃后，开始铺粉，调整粉末的层厚为0.05mm时，开启激光器开始打印零件，并最终形成碳纳米管分布均匀，零件致密的镁基碳纳米管复合材料零件。
对比例1
采用与实施例1相同的方法打印零件，区别在于，未添加碳纳米管。
对实施例1-2及对比例1所制备的零件进行强度和延伸率测试，结果如表1所示。
表1
组别 强度(MPa) 延伸率(％)
对比例1 340.78 5.6
实施例2 413.24 4.9
实施例1 427.35 3.1
AZ91D(常规) 280 8
从测试结果可以看出，本发明提供的方法可以得到的零件抗拉强度远高于常规AZ91D，且不添加碳纳米管的对比例虽然其延伸率较高，但抗拉强度相较实施例1-2而言仍然存在较大差距。

Claims (8)

1.一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)粉末预制：将镁合金与碳纳米管混合球磨，烘干后得到混合均匀的镁合金/碳纳米管复合粉末；
(2)模型零件绘制：根据使用要求绘制零件的三维模型，将三维模型导入分层切片软件中进行分层切片及添加支撑，然后导入激光选区熔化成型设备中；
(3)成型准备：包括以下步骤：镁合金/碳纳米管粉末装仓、装配基板和刮刀、向打印仓中填充保护气、预热基板；
(4)打印：将分层切片好的模型和支撑文件导入激光选区熔化成形设备中，并在控制软件中打开，并确定打印参数进行打印。
2.如权利要求1所述的一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，其特征在于，所述的粉末预制，具体是将镁合金AZ91D与碳纳米管混合后，在氩气保护氛围下，采用球磨机进行球磨；碳纳米管为镁合金与碳纳米管混合物重量的0.1-10％；镁合金的尺寸为15μm-70μm。
3.如权利要求1所述的一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，其特征在于，所述的烘干，温度为80℃，时间为4h。
4.如权利要求1所述的一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，其特征在于，所述的模型零件绘制，具体是根据使用需求，确定零件的尺寸要求，利用UG建模软件对零件进行三维建模，在三维建模完成之后导出stl格式的三维模型，经分层切片软件处理后导入激光选区熔化成型设备中。
5.如权利要求1所述的一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，其特征在于，所述的分层切片，是将stl格式的三维模型导入Magics软件中，首先确定零件摆放方式，其次对模型进行添加支撑及分层切片。
6.如权利要求1所述的一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，其特征在于，所述步骤(3)中的填充保护气，保护气为氩气，氧含量低于100ppm。
7.如权利要求1所述的一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，其特征在于，所述步骤(3)中的预热基板，预热温度为200℃。
8.如权利要求1所述的一种镁基碳纳米管复合材料的成型方法，其特征在于，所述步骤(4)的打印，其参数范围为：激光功率为80W，扫描速度范围为150mm/s，扫描间距为0.06mm，层厚为0.05mm，且轮廓参数与成形参数一致；粉末层厚为0.05mm时开始打印。
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