CN115138865A - 陶瓷体复合材料工件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种陶瓷体复合材料工件及其制备方法。制备方法包括步骤：确定材料比例，形成待打印的物料粉末，物料粉末包括质量百分比为30％‑85％的陶瓷增强体材料，三维零件模型进行分层切片处理；按照分层信息铺设物料粉末至成型平台；激光装置发射激光至成型平台，成形打印层，激光的功率为280‑380W，扫描速度为0.5‑2m/s。上述复合材料工件及其制备方法通过使用含有30％‑85％的陶瓷增强体材料的物料粉末，并利用高功率激光对物料粉末进行低速扫描，使打印层的硬度和力学性能得到显著提高，从而提高工件的耐磨性、硬度和使用寿命，通过三维成型方法制造模具、切削刀具等工件，提高模具、切削刀具等工件的生产效率。
Description
技术领域
本申请涉及三维成型技术领域，尤其涉及一种陶瓷体复合材料工件及其制备方法。
背景技术
三维成型制造技术，不但具有高精度、可定制实现工件内部复杂结构等优点，而且还能提高复杂工件的生产效率。对于模具、切削刀具、钻探工具等硬度要求非常高的工件，现有的三维打印制备方法难以达到工件需要的硬度标准，钻探工具、切削刀具等工件依然使用锻造结合CNC加工等传统方式制造，生产效率低下。
发明内容
鉴于上述状况，本申请提供一种复合材料工件及其制备方法，通过使用含有30％-85％的陶瓷增强体材料的物料粉末，并利用高功率激光对物料粉末进行低速扫描，使打印层的硬度和力学性能得到显著提高，从而提高工件的耐磨性、硬度和使用寿命，通过三维成型方法制造模具、切削刀具等工件，提高模具、切削刀具等工件的生产效率。
本申请的实施例提供一种复合材料工件的制备方法，包括步骤：
确定材料比例，混合粉末，形成待打印的物料粉末，所述物料粉末包括质量百分比为30％-85％的陶瓷增强体材料，所述陶瓷增强体材料包括碳化钨、碳化硅、氧化锆、氮化钛、氮化硼中的至少一种；
导入三维零件模型至三维成型系统，对所述三维零件模型进行分层切片处理；
按照分层信息铺设所述物料粉末至成型平台；
激光装置发射激光至所述成型平台，熔融所述物料粉末，成形打印层，所述激光的功率为280-380W，所述激光的扫描速度为0.5-2m/s。
在一些实施例中，所述物料粉末包括质量百分比为30％的陶瓷增强体材料，所述激光的功率为300W，所述激光的扫描速度为1.5m/s。
在一些实施例中，所述物料粉末包括质量百分比为60％的陶瓷增强体材料，所述激光的功率为300W，所述激光的扫描速度为1.0m/s。
在一些实施例中，所述物料粉末包括质量百分比为85％的陶瓷增强体材料，所述激光的功率为280W，所述激光的扫描速度为0.7m/s。
在一些实施例中，进一步包括步骤：对打印完成的工件进行热处理，所述热处理方式包括高温退火、热等静压处理、以及时效处理。
在一些实施例中，所述物料粉末的颗粒直径为1-53μm。
在一些实施例中，所述激光的扫描间距为0.06-1.2mm，所述激光的光斑直径为70-100μm。
在一些实施例中，所述物料粉末的颗粒包括芯体和外覆体，所述芯体的材料包括碳化钨、碳化硅、氧化锆、氮化钛、氮化硼中的至少一种，所述外覆体的材料为钴金属、镍金属、钴合金、镍合金中的至少一种；或者，所述物料粉末由碳化钨、碳化硅、氧化锆、氮化钛、氮化硼中的至少一种和钴金属、镍金属、钴合金、镍合金中的至少一种混合而成。
本申请的实施例还提供一种复合材料工件，所述复合材料工件由上述实施例所述的复合材料工件的制备方法制成。
在一些实施例中，所述复合材料工件包括钻头、切削刀具、成型模具。
在一些实施例中，所述复合材料工件的内部设有冷却结构，有利于提升工件的散热性能，延长工件的使用寿命。
本申请提供的复合材料工件及其制备方法，通过使用含有30％-85％的陶瓷增强体材料的物料粉末，并利用高功率激光对物料粉末进行低速扫描，使打印层的硬度和力学性能得到显著提高，从而提高工件的耐磨性、硬度和使用寿命，通过三维成型方法制造模具、切削刀具等工件，提高模具、切削刀具等工件的生产效率。
附图说明
图1为复合材料工件的制备方法在一实施例中的流程图。
具体实施方式：
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
请参阅图1，在一实施方式中，陶瓷体复合材料工件的制备方法包括如下步骤：
S1：确定材料比例，混合粉末，形成待打印的物料粉末。
具体地，材料比例可以根据工件的力学性能和实际使用环境进行选择。在本申请的实施例中，物料粉末包括基体材料和质量百分比为30％-85％陶瓷增强体材料，通过物理混合方式使两种材料均由混合。
所述基体材料包括但不限于马氏体时效钢等常规模具钢材料，例如18Ni300时效钢。所述陶瓷增强体材料包括碳化钨、碳化硅、氧化锆、氮化钛、氮化硼中的至少一种。所述物料粉末的颗粒直径为1-53μm，微米级尺寸的颗粒粉末有利于提升材料的利用率。
在本申请的另一实施例中，所述物料粉末的颗粒包括芯体和外覆体，所述芯体的材料包括碳化钨、碳化硅、氧化锆、氮化钛、氮化硼中的至少一种，优选为碳化钨，所述外覆体的材料为钴金属、镍金属、钴合金、镍合金中的至少一种。在其他实施例中，所述物料粉末还可以由碳化钨、碳化硅、氧化锆、氮化钛、氮化硼中的至少一种和钴金属、镍金属、钴合金、镍合金中的至少一种混合而成。
碳化钨粉体的反射率高，包覆体包覆碳化钨粉体可有效提高激光熔化效率。
S2：导入三维零件模型至三维成型系统，对所述三维零件模型进行分层切片处理。
具体地，物料粉末准备好后先存入三维成型设备中，随后将待打印工件的三维零件模型导入设备的三维成型系统中，系统根据预设程序对三维零件模型进行分层切片处理，并将分层信息存储在系统中，随后进入步骤S3。
S3：按照分层信息铺设所述物料粉末至成型平台。
具体地，控制器调取系统中的分层信息，随后控制铺粉装置按照分层信息将步骤S1中准备的物料粉末铺设至成型平台，接着进入步骤S4。
S4：激光装置发射激光至所述成型平台，熔融所述物料粉末，成形打印层。
在本申请的实施例中，所述激光的功率为280-380W，扫描速度为0.5-2m/s。所述激光以高功率对物料粉末进行低速扫描，能够充分熔化含有高百分比的陶瓷增强体材料的物料粉末，保证打印层的成形质量。进一步地，所述激光的扫描间距为0.06-1.2mm，所述激光的光斑直径为70-100μm。
前一打印层成形完成后，三维成型系统可以先判断打印是否完成，若完成，则打印停止，若未完成，则重复步骤S3，铺粉装置再根据分层信息铺设新的物料粉末至前一打印层表面，激光装置再次发射激光对物料粉末进行扫描，成形新的打印层，直至工件打印完成。
在本申请的其中一实施例中，复合材料工件的制备方法进一步包括步骤：对打印完成的工件进行热处理，所述热处理方式包括高温扩散退火处理和热等静压处理以及时效处理，以提高工件的综合力学性能。热处理过程在气体保护炉或真空热处理炉中进行。
下面通过实施例对复合材料工件的制备方法进行具体说明。
实施例一
物料粉末中的陶瓷增强体材料为碳化钨，碳化钨在物料粉末中的质量百分比为30％。利用该物料粉末进行三维打印时，采用的激光功率为300W，激光的扫描速度为1.5m/s，扫描间距为0.08mm。
实施例二
物料粉末中的陶瓷增强体材料为碳化钨，碳化钨在物料粉末中的质量百分比为60％。利用该物料粉末进行三维打印时，采用的激光功率为300W，激光的扫描速度为1.0m/s，扫描间距为0.08mm。随着陶瓷增强体材料的添加比例提升，物料粉末的硬度越高，降低激光扫描速度可以提供物料粉末在激光扫描过程中受到的能量密度，使高硬度的物料粉末能够充分熔化，保证打印层的质量。
实施例三
物料粉末中的陶瓷增强体材料为碳化钨，碳化钨在物料粉末中的质量百分比为85％，混合后的物料粉末大致为硬质合金。利用该物料粉末进行三维打印时，采用的激光功率为280W，激光的扫描速度为0.7m/s，扫描间距为0.06mm。扫描速率和扫描间距的降低，有利于实现致密成型的工艺，提供打印工件的致密度。
表1不同添加比例的复合材料工件的力学性能
表1为不同添加比例的复合材料工件的力学性能的实验结果对比，其中复合材料中基体材料为18Ni300时效钢，添加的陶瓷增强体材料为碳化钨。由上表中的对比结果可以看出，陶瓷增强体材料的添加比例提升至85％时，工件的抗压强度和硬度都得到了极大的提升，从而提高工件的耐磨性和使用寿命。
本申请的实施例还提供一种复合材料工件，由上述实施例中的制备方法制成。所述复合材料工件包括钻头、切削刀具、成型模具等高力学性能需求的工件。由于钻头、切削刀具、成型模具等工件可以由上述实施例中的制备方法制得，工件内部可以通过三维打印的方式成形一些冷却结构(例如通风管道)，有利于提升钻头、切削刀具等工件的散热性能，延长工件的使用寿命。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷体复合材料工件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
确定材料比例，混合粉末，形成待打印的物料粉末，所述物料粉末包括质量百分比为30％-85％的陶瓷增强体材料，所述陶瓷增强体材料包括碳化钨、碳化硅、氧化锆、氮化钛、氮化硼中的至少一种；
导入三维零件模型至三维成型系统，对所述三维零件模型进行分层切片处理；
按照分层信息铺设所述物料粉末至成型平台；
激光装置发射激光至所述成型平台，熔融所述物料粉末，成形打印层，所述激光的功率为280-380W，所述激光的扫描速度为0.5-2m/s。
2.如权利要求1所述的陶瓷体复合材料工件的制备方法，其特征在于，所述物料粉末包括质量百分比为30％的陶瓷增强体材料，所述激光的功率为300W，所述激光的扫描速度为1.5m/s。
3.如权利要求1所述的陶瓷体复合材料工件的制备方法，其特征在于，所述物料粉末包括质量百分比为60％的陶瓷增强体材料，所述激光的功率为300W，所述激光的扫描速度为1.0m/s。
4.如权利要求1所述的陶瓷体复合材料工件的制备方法，其特征在于，所述物料粉末包括质量百分比为85％的陶瓷增强体材料，所述激光的功率为280W，所述激光的扫描速度为0.7m/s。
5.如权利要求1所述的陶瓷体复合材料工件的制备方法，其特征在于，进一步包括步骤：对打印完成的工件进行热处理，所述热处理方式包括高温退火、热等静压处理、以及时效处理。
6.如权利要求1所述的陶瓷体复合材料工件的制备方法，其特征在于，所述物料粉末的颗粒直径为1-53μm。
7.如权利要求1所述的陶瓷体复合材料工件的制备方法，其特征在于，所述激光的扫描间距为0.06-1.2mm，所述激光的光斑直径为70-100μm。
8.如权利要求1所述的陶瓷体复合材料工件的制备方法，其特征在于，所述物料粉末的颗粒包括芯体和外覆体，所述芯体的材料包括碳化钨、碳化硅、氧化锆、氮化钛、氮化硼中的至少一种，所述外覆体的材料为钴金属、镍金属、钴合金、镍合金中的至少一种；
或者，所述物料粉末由碳化钨、碳化硅、氧化锆、氮化钛、氮化硼中的至少一种和钴金属、镍金属、钴合金、镍合金中的至少一种混合而成。
9.一种陶瓷体复合材料工件，其特征在于，所述陶瓷体复合材料工件由权利要求1-8任一项所述的陶瓷体复合材料工件的制备方法制成。
10.如权利要求9所述的陶瓷体复合材料工件，其特征在于，所述陶瓷体复合材料工件包括钻头、切削刀具、成型模具。
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