CN115369291A - 一种金属基复合材料、制备方法及其使用方法 - Google Patents

一种金属基复合材料、制备方法及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，主要涉及一种金属基复合材料、制备方法及其使用方法；金属基复合材料以质量份计，包括20‑80份的碳化硅粉、80‑20份的铝合金粉。其制备方法步骤包括：预氧化：将碳化硅粉进行氧化；混合：将氧化后的碳化硅粉与铝合金粉按照设定质量比进行混合形成金属基复合材料。其使用方法包括：打印准备：在打印设备的第一粉料槽中加入金属基复合材料，第二粉料槽中加入铝合金粉；产品打印：在打印设备平台上分别铺设一层金属基复合材料和铝合金粉，之后根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂粘结剂，如此重复，完成产品的打印。克服了现有技术中层状SiC/Al金属基复合材料制备过程效率低、微观组织调控难度大的问题。

Description

一种金属基复合材料、制备方法及其使用方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，主要涉及一种金属基复合材料、制备方法及其使用方法。
背景技术
目前，金属基复合材料中，碳化硅(SiC)增强铝(Al)基复合材料综合了增强材料和基体材料各自的优点，具有高比强度、耐磨、抗毁伤等优异的性能优势，在航空航天、军工、电子等领域展现出极大的应用潜力。随着这些领域不断地发展与进步，单一、均质的材料性能已无法满足部分极端复杂工况的使用环境。自然界中有较多的材料如木材、贝壳珍珠层、竹子等多由简单成分，通过层片结构组合即可获得极高的力学性能和损伤容限。受到这一现象启发，层状SiC/Al基复合材料应运而生，层状SiC/Al金属基复合材料可利用层状脆性增强相(SiC)和韧性基体相(Al)相互交替排列特征，进一步提高该复合材料的综合性能，拓展其应用领域范围。
目前，层状SiC/Al复合材料的制备方法主要包括：物理叠层法(轧制或模压)－烧结、造孔剂－浸渗法、定向冷冻铸造－浸渗法等。不过目前叠层法在铺层过程中有较多的人工参与，自动化程度与效率均较低。而定向冷冻铸造法对于层状结构的微观组织控制难度较大，经过溶渗金属Al致密化以后，同批次试样力学性能差异较大。粘结剂喷射成形技术是一种自动化程度高、精度高、成本低的3D打印，因此需要提出一种层状梯度SiC/Al金属基复合材料和该材料制备方法及其使用方法，以解决目前层状SiC/Al金属基复合材料制备技术中，叠层技术自动化程度低、冷冻铸造微观组织控制难度较大的问题，最终为制备高性能SiC/Al金属基复合材料提出新的工艺。
发明内容
本发明提供一种金属基复合材料、制备方法及其使用方法，克服了现有技术中层状SiC/Al金属基复合材料制备过程效率低、微观组织调控难度大的问题。
一种金属基复合材料，以质量份计，所述金属基复合材料包括20-80份的碳化硅粉、80-20份的铝合金粉。
优选地，所述碳化硅粉和所述铝合金粉的粒径为0.5μm至100μm。
上述金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
预氧化：将碳化硅粉进行氧化，可置于马弗炉中进行氧化；
混合：将氧化后的碳化硅粉与铝合金粉按照设定质量比进行混合形成所述金属基复合材料。
优选地，所述预氧化步骤中，氧化温度为800℃至1000℃，时间为0.5h至4h；由于金属Al对SiC陶瓷浸润性较差，高温烧结过程中熔融态Al会因浸润性较差而析出试样表面。因此需要对SiC粉末进行预氧化表面改性工艺，提高两种粉末的润湿性能。
上述金属基复合材料的使用方法，所述使用方法步骤包括：
打印准备：在打印设备的第一粉料槽中加入所述金属基复合材料，第二粉料槽中加入铝合金粉；
产品打印：在打印设备平台上分别铺设一层所述金属基复合材料和所述铝合金粉，之后根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂粘结剂，如此重复，完成产品的打印；其中所述金属基复合材料为增强相混合粉末，所述铝合金粉末为基体相粉末，。
优选地，在所述产品打印步骤中，每完成喷涂粘结剂后，对喷有粘结剂的粉面进行加热固化处理；保证打印产品在层内与层间均具有一定的预粘结强度，同时可防止粘结剂因流动性过高而渗入非工作粉末区域中。
优选地，所述使用方法步骤还包括，完成产品打印后，将产品进行干燥固化处理，然后再在惰性气体或真空条件下进行烧结处理。由于在完成打印后产品中仍然含量未完全干燥固化的粘结剂，此时打印产品强度仍然不满足于后续过程中的搬运与后处理。且由于复合材料产品仍然为多孔结构，为提高复合材料的力学性能，需要将复合材料烧结致密化。
优选地，完成产品打印后，所述干燥处理的时间为12h至36h。
优选地，完成产品打印后，所述烧结处理的烧结温度为520℃至650℃，铝合金的熔点一般低于660℃，超过这个温度进行烧结时铝合金熔化，最终造成复合材料变形，组织均匀性较差，而低于520℃时，铝合金不能烧结。
优选地，所述烧结处理后保温时间为1h至10h，保温时间低于1h时，不能保证复合材料内外部的铝合金粉末达到烧结温度，而高于10h的保温时间则会造成烧结成本的增加。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的金属基复合材料、制备方法及其使用方法，采用3D打印技术实现理论层状SiC/Al复合材料组织的梯度化及其制备技术的自动化，通过碳化硅粉的预氧化工艺以提高金属Al对SiC粉末浸润性。通过在陶瓷层内添加铝合金粉来实现烧结过程中，陶瓷层内金属Al粉对SiC陶瓷粉的粘接；通过金属Al层对陶瓷层的烧结渗透最终实现层状SiC/Al致密化。使用方法中通过双送粉机构配合喷头实现了SiC陶瓷粉、铝合金粉等多材料的交替铺放与固化，通过设置铺粉的层数来分别获得不同层厚比的SiC陶瓷层与Al金属层，该层厚比可设置为常量也可设置为变量，以此获得层状梯度化的SiC/Al复合材料产品，经过干燥、低温脱脂烧结等工艺后获得层状SiC/Al金属基复合材料产品。
附图说明
无。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，给出本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
一般的，传统层状SiC/Al金属基复合材料制备过程中有较多的人工参与，自动化程度较低，效率也较低。本实施例提出的金属基复合材料、制备方法及其使用方法中：增强层陶瓷和基体层合金材料由具有双铺粉设备的粘结剂喷射3D打印机自动控制打印成形。这种打印方式提升了层状复合材料的打印精度与效率。同时可通过计算机灵活设置增强层与基体层的排布方式：1)可实现不同层厚比(增强层与基体层层厚比)金属基复合材料成形；2)可实现层厚比变化的梯度层状金属基复合材料成形。最终有望制备出性能优异的层状SiC/Al金属基复合材料，实现层状金属基复合材料的数字化制造。
一种金属基复合材料，以质量份计，金属基复合材料包括20-80份的碳化硅粉、80-20份的铝合金粉；碳化硅粉和铝合金粉的粒径为0.5μm至100μm。
上述金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
预氧化：将碳化硅粉进行氧化；氧化温度为800℃至1000℃，时间为0.5h至4h；
混合：将氧化后的碳化硅粉与铝合金粉按照设定质量比进行混合形成金属基复合材料。
上述金属基复合材料的使用方法，使用方法步骤包括：
打印准备：在打印设备的第一粉料槽中加入金属基复合材料，第二粉料槽中加入铝合金粉；
产品打印：在打印设备平台上分别铺设一层金属基复合材料和铝合金粉，之后根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂粘结剂，如此重复，完成产品的打印；之后，将产品进行干燥处理，然后再进行烧结处理。
具体地，其中每完成喷涂粘结剂后，对喷有粘结剂的粉面进行加热固化处理。完成产品打印后，干燥处理的时间为12h至36h；烧结处理的烧结温度为520℃至650℃，保温时间为1h至10h。
实施例一：
一种金属基复合材料，以质量份计，金属基复合材料包括50份的碳化硅粉、50份的铝合金粉；碳化硅粉和铝合金粉的粒径为20μm。
上述金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
预氧化：将碳化硅粉置于马弗炉中进行氧化；氧化温度为1000℃，时间为2h；
混合：将氧化后的碳化硅粉与铝合金粉按照50份的碳化硅粉和50份的铝合金粉质量比进行混合形成金属基复合材料。
上述金属基复合材料的使用方法，使用方法步骤包括：
打印准备：在打印设备的第一粉料槽中加入金属基复合材料，第二粉料槽中加入铝合金粉；
产品打印：在打印设备平台上分别铺设一层金属基复合材料和铝合金粉，铺设层厚比为1:1，之后根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂粘结剂，如此重复，完成产品的打印；之后，将产品置于干燥箱中进行干燥处理，干燥时间为12h；然后再置于真空烧结炉中进行烧结处理，烧结温度为550℃，保温时间为2h。其中每完成喷涂粘结剂后，通过红外灯管对喷有粘结剂的粉面进行加热固化处理，最终完成单层粉末的固化。
实施例二：
一种金属基复合材料，以质量份计，金属基复合材料包括80份的碳化硅粉、20份的铝合金粉；碳化硅粉和铝合金粉的粒径分别为10μm和15μm。
上述金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
预氧化：将碳化硅粉置于马弗炉中进行氧化；氧化温度为1000℃，时间为2h；
混合：将氧化后的碳化硅粉与铝合金粉按照80份的碳化硅粉和20份的铝合金粉质量比进行混合形成金属基复合材料。
上述金属基复合材料的使用方法，使用方法步骤包括：
打印准备：在打印设备的第一粉料槽中加入金属基复合材料，第二粉料槽中加入铝合金粉；
产品打印：在打印设备平台上分别铺设一层金属基复合材料和铝合金粉，铺设层厚比为1:1，之后根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂粘结剂，如此重复，完成产品的打印；之后，将产品置于干燥箱中进行干燥处理，干燥时间为12h；然后再置于真空烧结炉中进行烧结处理，烧结温度为550℃，保温时间为2h。其中每完成喷涂粘结剂后，通过红外灯管对喷有粘结剂的粉面进行加热固化处理，最终完成单层粉末的固化。
实施例三：
一种金属基复合材料，以质量份计，金属基复合材料包括80份的碳化硅粉、20份的铝合金粉；碳化硅粉和铝合金粉的粒径分别为10μm和15μm。
上述金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
预氧化：将碳化硅粉置于马弗炉中进行氧化；氧化温度为1000℃，时间为2h；
混合：将氧化后的碳化硅粉与铝合金粉按照80份的碳化硅粉和20份的铝合金粉质量比进行混合形成金属基复合材料。
上述金属基复合材料的使用方法，使用方法步骤包括：
打印准备：在打印设备的第一粉料槽中加入金属基复合材料，第二粉料槽中加入铝合金粉；
产品打印：在打印设备平台上分别铺设一层金属基复合材料和铝合金粉，铺设层厚比为10:1，之后根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂粘结剂，如此重复，完成产品的打印；之后，将产品置于干燥箱中进行干燥处理，干燥时间为12h；然后再置于真空烧结炉中进行烧结处理，烧结温度为550℃，保温时间为2h。其中每完成喷涂粘结剂后，通过红外灯管对喷有粘结剂的粉面进行加热固化处理，最终完成单层粉末的固化。
实施例四：
一种金属基复合材料，以质量份计，金属基复合材料包括80份的碳化硅粉、20份的铝合金粉；碳化硅粉和铝合金粉的粒径分别为10μm和15μm。
上述金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
预氧化：将碳化硅粉置于马弗炉中进行氧化；氧化温度为1000℃，时间为2h；
混合：将氧化后的碳化硅粉与铝合金粉按照80份的碳化硅粉和20份的铝合金粉质量比进行混合形成金属基复合材料。
上述金属基复合材料的使用方法，使用方法步骤包括：
打印准备：在打印设备的第一粉料槽中加入金属基复合材料，第二粉料槽中加入铝合金粉；
产品打印：在打印设备平台上分别铺设一层金属基复合材料和铝合金粉，铺设层厚比逐渐设置为1:1、2:1、3:1……，通过这样逐渐变化的层厚比打印，实现对层状SiC/Al金属基复合材料组织的梯度化；之后根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂粘结剂，如此重复，完成产品的打印；之后，将产品置于干燥箱中进行干燥处理，干燥时间为12h；然后再置于真空烧结炉中进行烧结处理，烧结温度为550℃，保温时间为2h。其中每完成喷涂粘结剂后，通过红外灯管对喷有粘结剂的粉面进行加热固化处理，最终完成单层粉末的固化。
需要说明的是，利用本申请提供的使用方法实现了层状SiC/Al金属基复合材料的数字化成形，比目前传统的叠层轧制技术自动化程度和成形效率更高；可精确控制层状复合材料的叠层方式，实现SiC/Al金属基复合材料高精度、高质量的成形，能够满足层状结构复合材料层间梯度化、跨尺度化的设计与制造需求。并且采用预氧化工艺有效的解决了层状SiC/Al金属基复合材料中SiC陶瓷与Al之间的浸润性，实现了层状SiC/Al复合材料烧结致密化。
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种金属基复合材料，其特征在于，以质量份计，所述金属基复合材料包括20-80份的碳化硅粉、80-20份的铝合金粉。
2.根据权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述碳化硅粉和所述铝合金粉的粒径为0.5μm至100μm。
3.一种如权利要求1至2任一所述金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
预氧化：将碳化硅粉进行氧化；
混合：将氧化后的碳化硅粉与铝合金粉按照设定质量比进行混合形成所述金属基复合材料。
4.根据权利要求3所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述预氧化步骤中，氧化温度为800℃至1000℃，时间为0.5h至4h。
5.一种如权利要求1至2任一所述金属基复合材料的使用方法，其特征在于，所述使用方法步骤包括：
打印准备：在打印设备的第一粉料槽中加入所述金属基复合材料，第二粉料槽中加入铝合金粉；
产品打印：在打印设备平台上分别铺设一层所述金属基复合材料和所述铝合金粉，之后根据产品的轮廓需要固化的位置处喷涂粘结剂，如此重复，完成产品的打印。
6.根据权利要求5所述的金属基复合材料的使用方法，其特征在于，在所述产品打印步骤中，每完成喷涂粘结剂后，对喷有粘结剂的粉面进行加热固化处理。
7.根据权利要求5所述的金属基复合材料的使用方法，其特征在于，所述使用方法步骤还包括，完成产品打印后，将产品进行干燥处理，然后再进行烧结处理。
8.根据权利要求7所述的金属基复合材料的使用方法，其特征在于，完成产品打印后，所述干燥处理的时间为12h至36h。
9.根据权利要求7所述的金属基复合材料的使用方法，其特征在于，完成产品打印后，所述烧结处理的烧结温度为520℃至650℃。
10.根据权利要求7所述的金属基复合材料的使用方法，其特征在于，所述烧结处理后保温时间为1h至10h。
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