CN114799207A - 一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，包括确定预制件材料和溶渗材料的种类；选取粉末状的预制件材料，并使溶渗材料涂覆于粉末状的预制件粉末表面，得到涂覆溶渗材料的预制件粉末；确定预制件的孔隙特征，根据孔隙特征得到预制件工艺模型；基于孔隙特征对预制件工艺模型进行分区，得到具备不同孔隙特征的各成形区；根据预制件的孔隙特征确定预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径，根据上述粉末粒径及各成形区的孔隙特征确定对应的激光选区熔化成形设备的成形参数；根据确定的粉末粒径及各成形区对应的成形参数，通过激光选区熔化成形工艺完成预制件的整体成形。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成形技术领域，具体涉及一种具有复杂结构的金属发汗材料预制件的成形方法。
背景技术
金属发汗材料，又称假合金(伪合金)，是一类由两种以上不以合金相，而以各自独立、均匀相存在的高性能金属基复合材料。该类材料具有优异的热、力、电学性能，常被航天、电子、机械加工等领域用于制造耐高温的航天器器件、电器开关触点及电火花加工电极等零部件。
传统金属发汗材料零件使用粉末冶金工艺成形，通过混粉液相烧结法或“预制件+熔渗”法制成。其中混粉液相烧结由于是将混合均匀的复合材料压制成形，然后经液相烧结制备得到所需复合材料，存在制件形状简单、元素挥发、致密度低、性能较差等一系列问题，目前使用的频率不高；而“预制件+熔渗”法是将熔融状态金属或合金熔液，借助外压力或毛细管力作用熔渗入微孔预制体的孔隙中得到所需复合材料，具有相对较高的使用频率。
但由于预制件是通过“模压+烧结”而成，其存在孔隙尺寸、分布、形貌不可控，材料分布形式单一，形状复杂度受限等诸多缺点，不但会引起后续熔渗过程中液相的填充不均，还限制了材料应用潜能的释放。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，包括根据目标金属发汗材料的材料组成确定预制件材料和溶渗材料的种类；选取粉末状的预制件材料，并使溶渗材料涂覆于粉末状的预制件粉末表面，得到涂覆溶渗材料的预制件粉末；根据目标金属发汗材料的材料组份及性能需求确定预制件的孔隙特征，根据孔隙特征得到预制件工艺模型；基于孔隙特征对预制件工艺模型进行分区，得到具备不同孔隙特征的各成形区；根据预制件的孔隙特征确定预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径，根据上述粉末粒径及各成形区的孔隙特征确定对应的激光选区熔化成形设备的成形参数；根据确定的粉末粒径及各成形区对应的成形参数，通过激光选区熔化成形工艺完成预制件的整体成形。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，包括：
根据目标金属发汗材料的材料组成确定预制件材料和溶渗材料的种类；
选取粉末状的预制件材料，并使溶渗材料涂覆于粉末状的预制件粉末表面，得到涂覆溶渗材料的预制件粉末；
根据目标金属发汗材料的材料组份及性能需求确定预制件的孔隙特征，根据孔隙特征得到预制件工艺模型；
基于孔隙特征对预制件工艺模型进行分区，得到具备不同孔隙特征的各成形区；
根据预制件的孔隙特征确定预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径，根据预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径及各成形区的孔隙特征确定各成形区对应的激光选区熔化成形设备的成形参数；
根据预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径及各成形区对应的激光选区熔化成形设备的成形参数，通过激光选区熔化成形工艺完成预制件的整体成形。
进一步的，选取球形粉末状的、粒径范围为15～100um的预制件材料。
进一步的，使溶渗材料涂覆于粉末状的预制件粉末表面形成厚度为2～5um的溶渗材料涂覆层。
进一步的，根据目标金属发汗材料的材料组份及性能需求确定预制件的孔隙特征包括孔隙尺寸，孔隙形态特征以及孔隙分布规律。
进一步的，根据目标金属发汗材料的材料组份及性能需求确定预制件的孔隙特征中，孔隙尺寸为0～38um，所述孔隙形态特征包括预制件内所有的孔隙均为开放的连通孔。
进一步的，所述根据目标金属发汗材料的材料组份及性能需求确定预制件的孔隙特征，根据孔隙特征得到预制件三维模型，对预制件三维模型进行激光选区熔化成形工艺的工艺适应性处理后，得到预制件工艺模型。
进一步的，根据预制件的孔隙特征确定预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径的具体方法为：记预制件中的最大孔隙直径为2r，预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径范围为D50＝2R，
所述粒径范围为D50＝2R的涂覆溶渗材料的预制件粉末为粒径差异为10um以内的窄粒度分布粉。
进一步的，各成形区对应的激光选区熔化成形设备的成形参数包括激光功率、扫描速率及扫描间距。
进一步的，通过激光选区熔化成形工艺完成预制件的整体成形时，使用氩气流吹扫送激光选区熔化成形设备中粉刮刀内的粉末，氩气进气口压力与激光选区熔化成形设备中成形室压力差＜0.05MPa；
通过激光选区熔化成形工艺完成预制件的整体成形时，根据各成形区的孔隙特征实时调整各成形区中当前成形层的送粉量，所述当前成形层的送粉量为当前成形层成形所需粉量的1.05～1.15倍。
进一步的，上述一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，还包括：对整体成形后的预制件进行后处理，所述后处理包括清粉，线切割，去支撑或退火中的一种或一种以上组合。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明金属发汗材料复杂预制件的成形方法，使用激光选区熔化成形工艺进行预制件成形，不但提高了预制件复杂度，还保证了所设计预制件实现的可行性；
(2)本发明在预制件粉末表面涂敷一层熔渗材料，改善预制件与熔渗体接触表面的状态，促进熔渗过程的推进；
(3)本发明依据所设计预制件最大孔隙进行预制件成形粉末粒度分布的选择，避免出现粉末堵塞微孔的情形，确保后期熔渗质量；使用窄粒度分布的粉末，提高预制件孔隙尺寸及形貌的可控性，避免出现盲孔并确保后期熔渗效果的均匀稳定；
(4)本发明在对预制件结构进行设计时，优选开放的连通孔，一方面有利于材料成形过程中的精准控制，使孔隙按照预定分布规律分布，避免孔隙在局部区域的聚集，另一方面，有利于溶渗材料平稳、高效的填充孔隙，避免出现气孔、冷隔等缺陷；
(5)本发明对预制件结构进行设计，不但可以改善预制件材料与熔渗材料的分布状态，还可以拓展复合材料组份配比范围；
(6)本发明成形送粉过程中用氩气流吹扫粉末，改善其流动性，优化窄粒度分布粉末铺平效果。
附图说明
图1为本发明成形仓内不同熔化程度粉末的堆叠状态示意图；其中(a)、(b)、(c)分别表示不同熔化程度粉末的堆叠状态；
图2为本发明最大孔隙与周围粉末尺寸之间的几何关系示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明针对传统“模压+烧结”法在制备金属发汗材料预制体中的不足，提供一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法如下：
(1)原材料选择与处理：首先，根据目标复合材料组成确定预制件材料与熔渗材料；随后，经过处理使预制体粉末表面形成一层厚度可控的熔渗材料。可作为预制件粉末的粒度范围为15-100um，其形态为球形，预制件粉末涂敷层的厚度为2-5um。为避免杂质的引入，熔渗入微孔预制体的孔隙中的材料与涂覆于预制体粉末表面的材料为同种材料。
(2)预制件结构设计与处理：首先，根据目标复合材料组份比例及性能需求确定预制件孔隙率，对预制件的孔隙尺寸、形态特征、分布规律进行优化设计，得到预制件三维模型；随后，根据激光选区熔化成形工艺特点，对预制件三维模型进行工艺适应性处理，输出工艺模型。预制件内所有的孔隙均为开放的连通孔，孔隙尺寸为0-38um。
(3)预制件成形前准备：由于复合材料零件不同部位的功能不同，其材料组成与分布规律也随之发生变化，反映到预制件材料与熔渗材料上，即为不同部位预制件材料的组份占比、相邻状态发生变化，这些变化也反应到工艺模型内部孔隙尺寸、形态特征、分布规律上，成为分区的依据，后续成形中不同部位所需材料组成与分布规律的实现，要依靠各分区成形工艺的差异化实现。首先，按照工艺模型内部孔隙尺寸、形态特征、分布规律的不同，对工艺模型进行分区，并输出相应的信息；随后，根据所设计预制件孔隙的尺寸，选定涂覆溶渗材料后的预制件成形粉末粒度范围；最后，通过调节成形参数，控制粉末熔化程度，获得使粉末间形成与设计孔隙尺寸及形态特征对应的参数包。预制件成形粉末粒度分布选择的依据为所设计预制件最大孔隙，不同孔隙尺寸及形态的获得通过控制粉末熔化程度实现，调节成形参数，控制粉末熔化程度获得不同孔隙尺寸与形态时，可调节的成形参数只能在激光功率、扫描速率及扫描间距中选择。激光选区熔化成形设备成形仓内粉末的堆叠状态，随粉末熔化程度的不同可分为粉末自然堆叠(如图1中的(a))、粉末部分熔化后有孔隙堆叠(如图1中的(b))及粉末熔化后致密堆叠(如图1中的(c))三种形式，即其能够形成的最大孔隙为图1中的(a)，最小孔隙为0。其它孔隙尺寸可通过调节与激光能量密度相关的参量改变熔化状态实现，具体操作时需建立对应关系参数表，并输入设备中指导后续零件成形。图2为粉末能够形成的最大孔隙与周围粉末尺寸之间的几何关系表述，从图中可以看出，最大孔隙半径与r周围粉末半径R之间存在
的关系。当我们已知所需孔隙尺寸，就可以很容易的根据上述关系得出成形出该尺寸孔隙所需粉末粒度，由于D50能够反映整体粉末平均尺寸，所以可以通过控制D50实现对所需粉末的确定。本步骤中，还需选择合适粒度的预制件粉末进行筛分，筛分的作用是获得粒径差异在10um以内的窄粒度分布粉。
(4)预制件激光选区熔化成形；将选定的材料装入激光选区熔化成形设备，输入工艺模型分区及各自对应的参数信息，待设备状态适宜后启动设备，完成整个工艺模型的成形。成形过程中要注意根据不同孔隙尺寸及形态调整当前成形层的送粉量，具体的说，正常情况下合适的送粉量是指送到成形平台的粉末满足当前层成形需求后有百分之五到十五左右的剩余；由于不同区域所需的粉末堆叠状态不同，其完成一层成形所需的粉末量会发生变化，因此需要通过调节粉末流量改变实际送粉量，具体可通过控制送粉器的转速、气压等参量实现。成形送粉过程中使用氩气流吹扫送粉刮刀内的粉末，氩气进气口压力与成形室压力差＜0.05MPa。
(5)预制件成形后处理；成形完成后从成形舱内取出预制件，并进行相应的后处理工序。后处理包含但不限于清粉、线切割、去支撑、退火等工艺。
实施例1：
本实施例中，采用金属发汗材料复杂预制件的成形方法制备一种钨铜喷管喉衬预制件:
(1)原材料选择与处理；①确定高熔点钨作为预制件材料，低熔点铜作为熔渗材料；②在球形钨粉表面涂敷一层厚度为2um的铜。
(2)预制件结构设计与处理；①根据目标复合材料组份比例及性能需求，确定预制件的孔隙率为20％，并设计孔隙尺寸12um、圆形孔、均匀分布，得到预制件三维模型；②根据激光选区熔化工艺特点对预制件三维模型进行处理，输出工艺模型。
(3)预制件成形前准备；①输出工艺模型内部孔隙尺寸、形态特征、分布规律的信息；②根据所设计预制件孔隙尺寸12um，筛分后选用粒度分布为30-40um的处理粉(即涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径)作为预制件成形粉末；③通过调节成形参数，控制粉末熔化程度，获得使粉末间形成与对应孔隙尺寸及形态特征的参数包。
(4)预制件激光选区熔化成形；将经过处理的钨粉装入激光选区熔化成形设备，输入工艺模型分区及各自对应的参数信息，待设备状态适宜后启动设备，完成整个工艺模型的成形。成形送粉过程中用氩气流吹扫粉末改善其流动性。
(5)预制件成形后处理；成形完成后从成形舱内取出预制件，并进行相应的后处理工序。
实施例2：
本实施例中，采用金属发汗材料复杂预制件的成形方法制备一种钨银触头预制件：
(1)原材料选择与处理；①确定高熔点钨作为预制件材料，低熔点银作为熔渗材料；②在球形钨粉表面涂敷一层厚度为3um的银。
(2)预制件结构设计与处理；①根据目标复合材料组份比例及性能需求，确定预制件非功能区域的孔隙率为0，功能区孔隙率为30％，并设计功能区孔隙尺寸6um、圆形孔、均匀分布，得到预制件三维模型；②根据激光选区熔化工艺特点对预制件三维模型进行处理，输出工艺模型。
(3)预制件成形前准备；①输出工艺模型内部孔隙尺寸、形态特征、分布规律的信息；②根据所设计预制件孔隙尺寸6um，选用粒度分布为15-25um的处理粉作为预制件成形粉末；③通过调节成形参数，控制粉末熔化程度，获得使粉末间形成与对应孔隙尺寸及形态特征的参数包。
(4)预制件激光选区熔化成形；将经处理的钨粉装入激光选区熔化成形设备，输入工艺模型分区及各自对应的参数信息，待设备状态适宜后启动设备，完成整个工艺模型的成形。成形送粉过程中用氩气流吹扫粉末改善其流动性。
(5)预制件成形后处理；成形完成后从成形舱内取出预制件，并进行相应的后处理工序。
实施例3：
本实施例中，采用金属发汗材料复杂预制件的成形方法制备一种钼铜电极预制件：
(1)原材料选择与处理；①确定高熔点钼作为预制件材料，低熔点铜作为熔渗材料；②在球形表面涂敷一层厚度为3um的铜。
(2)预制件结构设计与处理；①根据目标复合材料组份比例及性能需求，确定预制件的孔隙率为40％，并设计孔隙尺寸15um、圆形孔、均匀分布，得到预制件三维模型；②根据激光选区熔化工艺特点对预制件三维模型进行处理，输出工艺模型。
(3)预制件成形前准备；①输出工艺模型内部孔隙尺寸、形态特征、分布规律的信息；②根据所设计预制件孔隙尺寸15um，选用粒度分布为40-50um的处理钼粉作为预制件成形粉末；③通过调节成形参数，控制粉末熔化程度，获得使粉末间形成与对应孔隙尺寸及形态特征的参数包。
(4)预制件激光选区熔化成形；将经处理的钨粉装入激光选区熔化成形设备，输入工艺模型分区及各自对应的参数信息，待设备状态适宜后启动设备，完成整个工艺模型的成形。成形送粉过程中用氩气流吹扫粉末改善其流动性。
(5)预制件成形后处理；成形完成后从成形舱内取出预制件，并进行相应的后处理工序。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，包括：
根据目标金属发汗材料的材料组成确定预制件材料和溶渗材料的种类；
选取粉末状的预制件材料，并使溶渗材料涂覆于粉末状的预制件粉末表面，得到涂覆溶渗材料的预制件粉末；
根据目标金属发汗材料的材料组份及性能需求确定预制件的孔隙特征，根据孔隙特征得到预制件工艺模型；
基于孔隙特征对预制件工艺模型进行分区，得到具备不同孔隙特征的各成形区；
根据预制件的孔隙特征确定预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径，根据预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径及各成形区的孔隙特征确定各成形区对应的激光选区熔化成形设备的成形参数；
根据预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径及各成形区对应的激光选区熔化成形设备的成形参数，通过激光选区熔化成形工艺完成预制件的整体成形。
2.根据权利要求1所述的一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，选取球形粉末状的、粒径范围为15～100um的预制件材料。
3.根据权利要求1所述的一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，使溶渗材料涂覆于粉末状的预制件粉末表面形成厚度为2～5um的溶渗材料涂覆层。
4.根据权利要求1所述的一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，根据目标金属发汗材料的材料组份及性能需求确定预制件的孔隙特征包括孔隙尺寸，孔隙形态特征以及孔隙分布规律。
5.根据权利要求4所述的一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，根据目标金属发汗材料的材料组份及性能需求确定预制件的孔隙特征中，孔隙尺寸为0～38um，所述孔隙形态特征包括预制件内所有的孔隙均为开放的连通孔。
6.根据权利要求1所述的一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，所述根据目标金属发汗材料的材料组份及性能需求确定预制件的孔隙特征，根据孔隙特征得到预制件三维模型，对预制件三维模型进行激光选区熔化成形工艺的工艺适应性处理后，得到预制件工艺模型。
7.根据权利要求2所述的一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，根据预制件的孔隙特征确定预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径的具体方法为：记预制件中的最大孔隙直径为2r，预制件成形所需涂覆溶渗材料的预制件粉末粒径范围为D50＝2R，
所述粒径范围为D50＝2R的涂覆溶渗材料的预制件粉末为粒径差异为10um以内的窄粒度分布粉。
8.根据权利要求1所述的一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，各成形区对应的激光选区熔化成形设备的成形参数包括激光功率、扫描速率及扫描间距。
9.根据权利要求1所述的一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，通过激光选区熔化成形工艺完成预制件的整体成形时，使用氩气流吹扫送激光选区熔化成形设备中粉刮刀内的粉末，氩气进气口压力与激光选区熔化成形设备中成形室压力差＜0.05MPa；
通过激光选区熔化成形工艺完成预制件的整体成形时，根据各成形区的孔隙特征实时调整各成形区中当前成形层的送粉量，所述当前成形层的送粉量为当前成形层成形所需粉量的1.05～1.15倍。
10.根据权利要求1所述的一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法，其特征在于，还包括：对整体成形后的预制件进行后处理，所述后处理包括清粉，线切割，去支撑或退火中的一种或一种以上组合。
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