CN115976599A - 一种基于多能量场的3d陶瓷打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供了一种基于多能量场的3D陶瓷打印方法，具体步骤如下：对基体材料进行预处理：将基体表面进行清洁处理；配置微弧氧化所要使用的电解液；对基体进行微弧氧化；对氧化得到的工件进行清洗、吹干；对熔覆材料进行预处理；激光熔覆扫描前设置：在控制器上输入所要精确成型的三维模型，并输入扫描所需的激光功率、扫描速率、光斑直径。本发明的有益效果：在微弧氧化、阳极氧化所得到的陶瓷层上进行激光熔覆，使激光熔覆后的熔覆材料对膜层所存在的微孔或裂纹起到填充作用，使微弧氧化、阳极氧化得到的膜层的缺陷得到弥补，可以使膜层性能更加优异。

Description

一种基于多能量场的3D陶瓷打印方法

技术领域

本发明属于表面处理工艺技术领域，具体涉及一种基于多能量场的3D陶瓷打印方法。

背景技术

微弧氧化、阳极氧化以及激光熔覆都是各有特点的表面处理工艺。微弧氧化亦称为等离子体微弧氧化、微等离子体氧化，是一种直接在铝、镁、钛等金属表面原位生长陶瓷层的新技术，其基本原理是利用电化学方法，将要微弧氧化的工件置于电解质溶液中，利用200～600V高压电源，从阳极氧化的法拉第区域进入高压放电区，使该工件表面微孔中产生火花放电斑点，使工件和电解液中的氧在瞬时高温下发生电、物理、化学反应生成陶瓷薄层，牢固地生长附着在工件的表面，达到工件表面强化的目的。微弧氧化技术提高了基体金属的整体性能如耐腐蚀性、耐磨性、硬度等。阳极氧化是常用的合金表面处理工艺，生成的阳极氧化膜能有效改善合金表面耐腐蚀性能。但阳极氧化膜呈多孔状、吸附性较强，当处在较为苛刻的环境中其耐腐蚀性能和抗污染性能难以满足应用要求。激光熔覆技术是近年来发展较为迅速的绿色表面改性技术，其熔覆层具有组织致密且均匀、晶粒细小、膜基结合强等优点。激光熔覆技术是表面工程领域的重要组成部分，它能够利用高能激光束在零部件的表面熔覆高硬、耐磨、耐腐等综合性质优异的涂层，从而显著改善零部件性能，以达到延长服役寿命或再利用的目的。目前，该技术已成功应用于航空航天、兵器、船舶及交通等领域。

同时又各有不足，一个是表面膜层的质量问题：微弧氧化、阳极氧化所得到的陶瓷层厚度基本上在0-100μm之间，且两者膜层均有微孔、裂纹等缺陷；激光熔覆后得到的零件硬度、耐腐蚀性、耐氧化性能均不太理想，不能满足特殊情况下的使用要求。另一个是加工的精度问题，一个是膜层的厚度控制，再一个是膜层的形状控制：传统的微弧氧化、阳极氧化由于其设备本身的不足，难以做到对零件的局部进行精确的加工；激光熔覆厚度与形状精度不易掌控，导致熔覆所得到的陶瓷层厚度与理想状态有差距。

发明内容

针对现有技术中以上的问题，提供了一种基于多能量场的3D陶瓷打印方法。

一种基于多能量场的3D陶瓷打印方法，具体步骤如下：

S1：对基体材料进行预处理：将基体表面进行清洁处理；

S2：配置微弧氧化所要使用的电解液；

S3：对基体进行微弧氧化；

S4：对氧化得到的工件进行清洗、吹干；

S5：对熔覆材料进行预处理；

S6：激光熔覆扫描前设置：在控制器上输入所要精确成型的三维模型，并输入扫描所需的激光功率、扫描速率、光斑直径；

S7：启动激光扫描熔覆装置通过激光扫描加热的原理将熔覆材料与基体紧密结合到一起；

S8：配置阳极氧化所要使用的电解液，对熔覆后样品进行阳极氧化。

其中，步骤S5中若熔覆材料为金属粉末则需将粉末置于干粉混合机中充分混匀并烘干，粉末粒度在150-350目，混合时间为20—30min，烘干温度为50-70℃；若熔覆材料为金属薄片则需将薄片放入超声波清洗机中清洗10min，彻底清除工件表面残留的油污和氧化物，金属薄片厚度为100-500μm。

其中，步骤S7先在熔覆材料与基体之间喷涂一定比例的碱性溶液，以起到控制熔覆材料特性以及增加金属粉末或者金属薄片与基体之间紧密度，随后再启动激光扫描熔覆装置。

其中，步骤S3和步骤S8中采用相同的氧化设备，电解液各自配置，氧化设备包括框架，框架上设置三维运动机构，电解液槽设置于框架上，阴极设置于三维运动机构的运动控制器末端，循环泵设置于框架中，循环管路一端伸入到电解液槽中，另一端设置于阴极位置处，循环泵接入循环管路中，循环泵通过循环管路将电解液中的电解液循环输送至阴极位置处。

其中，该方法采用的熔覆设备包括机架，立臂设置于机架上，立臂内部设置可转动螺杆，手柄连接螺杆上端，横臂上固定设置有与螺杆螺纹连接的螺母，横臂的前端设置激光器，控制器设置于机架上，控制器与激光器电连接。

其中，循环重复进行步骤S4-S8，直至达到加工要求。

其中，还包括步骤S9：在激光熔覆设备上进行激光雕刻加工。

本发明的有益效果：

1.在微弧氧化、阳极氧化所得到的陶瓷层上进行激光熔覆，使激光熔覆后的熔覆材料对膜层所存在的微孔或裂纹起到填充作用，使微弧氧化、阳极氧化得到的膜层的缺陷得到弥补，可以使膜层性能更加优异；激光熔覆地加入使膜层厚度得到大幅度提升，可以弥补微弧氧化、阳极氧化膜层厚度不足的问题；

2.本发明在传统微弧氧化设备的基础上对现有微弧氧化设备进行了升级改造，使得可以对零件局部或者特定范围进行选择性地氧化，表面加工的精度更高，形成表面膜层的位置、形状、厚度可控性更好；

3.采用激光加热的熔覆方式，此过程不产生材料的损耗，所以可以通过控制粉末或薄片的厚度来做到精准增长厚度。

附图说明

图1为传统氧化设备示意图；

图2为本发明微弧氧化和阳极氧化设备示意图；

图3为本发明激光熔覆设备示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

参见图2－图3，本实施例提供一种基于多能量场的3D陶瓷打印方法。

如图1所示，传统氧化设备示意图，采用浸入式，即将待加工工件全部放入电解液中，只能做待加工工件的整体氧化，而不能对复杂零部件的特定区域或局部进行氧化。而本发明中的氧化设备配备了三维运动系统，如图2所示使阴极可以进行三维运动，从而可以实现对复杂零件特定区域或局部进行精确的氧化。

框架1上设置三维运动机构2，电解液槽3设置于框架1上，阴极4设置于三维运动机构2的运动控制器末端，循环泵5设置于框架1中，循环管路6一端伸入到电解液槽3中，另一端设置于阴极4位置处，循环泵5接入循环管路6中。循环泵5通过循环管路6将电解液3中的电解液循环输送至阴极4位置处。工件7设置于电解液槽3中。

三维运动机构2，可以带动阴极4实现xyz三轴的移动，从而可以实现对复杂零件特定区域或局部进行精确的氧化。

激光熔覆设备如图3所示，包括机架80，立臂81设置于机架80上，立臂81内部设置可转动螺杆，手柄84连接螺杆上端，横臂82上固定设置有与螺杆螺纹连接的螺母，横臂82的前端设置激光器83，控制器85设置于机架80上，控制器85与激光器83电连接。

通过手摇手柄84，调节横臂82的高度位置，完成对焦。通过控制器输入激光斑直径的大小、功率、扫描速度，根据形成表面的形状输入激光的扫描路径。激光器83，按照既定的功率，光斑的大小，既定的路径进行扫描，进行激光熔覆。

具体步骤如下：

S1：对基体材料进行预处理：将基体表面进行打磨、除杂、去油处理。工件需依次经过300#、500#、800#砂纸打磨，再将打磨后的工件放入超声波清洗机中清洗10min。待彻底清除工件表面打磨残留的各种杂质后，再使用大风量吹风机对工件表面风干3—5min直至表面干燥，留以备用。

S2：配置微弧氧化所要使用的电解液：电解液选用硅酸盐体系，组成部分为NaOH(5—15g/L)、Na2SiO3(10—25g/L)、NaF(1—10g/L)。

S3：对基体进行微弧氧化：过程中微弧氧化电压保持在200—600V，正占空比为30％，频率为300Hz，时间为10min。

S4：对微弧氧化得到的工件进行处理：清洗所得到的工件并用吹风机吹干

S5：对熔覆材料进行预处理：

(1)若熔覆材料为金属粉末则需将粉末置于干粉混合机中充分混匀并烘干，粉末粒度在150-350目，混合时间为20—30min，烘干温度为50-70℃。

(2)若熔覆材料为金属薄片则需将薄片放入超声波清洗机中清洗10min，彻底清除工件表面残留的油污和氧化物，金属薄片厚度为100-500μm。

S6：激光扫描前设置：在控制器上输入所要精确成型的三维模型，并输入扫描所需的激光功率、扫描速率、光斑直径。

S7：进行激光扫描熔覆：在粉末或金属薄片与基体之间喷涂一定比例的碱性溶液(如NaOH)，以起到控制熔覆材料特性以及增加金属粉末或者金属薄片与基体之间紧密度。随后用激光扫描熔覆装置通过激光扫描加热的原理将熔覆材料与基体紧密结合到一起。

S8：配置阳极氧化所要使用的电解液：电解液采用硫酸体系，组成部分为H2SO4(150g/L-250g/L)、C2H2O4(15g/L-30g/L)、硫酸铝(5g/L-25g/L)。对熔覆后样品进行阳极氧化：过程中电流密度为2—2.5A/dm2，时间为30min，温度为1℃-5℃。

其中，微弧氧化与阳极氧化的顺序根据材料的设计要求，可以自行改变。另外，可针对材料的设计要求重复进行激光熔覆以及熔覆后表面处理。

现有技术方案为一种微弧氧化与真空熔覆相结合的工件表面强化处理方法。本发明与现有技术方案有着许多不同点。

一是现有技术为先用热浸镀铝法在工件表面制备一薄层铝，再在铝基膜层上利用微弧氧化制备高硬度耐磨陶瓷涂层，再采用真空熔覆Ni60A粉末封堵陶瓷层表面微孔。而本发明为微弧氧化、激光熔覆、阳极氧化交替进行的多能量场3D陶瓷打印，可根据材料设计要求，进行梯度陶瓷或结构陶瓷的设计，在大幅度增强基体性能的同时，也可生产出满足多种使用工况的产品。

二是现有技术方案为在基体表面热浸镀铝在基体表面形成铝基膜后再进行微弧氧化，而本发明是直接在基体表面进行熔覆材料，且可以根据材料的吸收能量能力来调节激光的功率，因此本发明可熔覆的材料不仅仅限于铝这一种材料，例如铝、镁、钛等材料皆适用，适用范围更广。

三是在熔覆方式上现有技术方案采取的是真空熔覆即采用真空加热的方式进行，而本发明的熔覆方式采用激光熔覆3D打印。现有技术方案为采用合金粉末进行熔覆合金粉末需要进行粉末与胶体的配比、合金粉末与胶体均匀混合、混合液的涂覆、真空熔覆等步骤，而本发明中若采用金属薄片作为熔覆材料，仅需要将金属薄片用碱性溶液粘附在基体表面然后再进行激光熔覆，这样就使熔覆步骤大大简化，熔覆效率得到提升。

现有技术中熔覆材料采用合金粉末与有机溶剂的混合物原因为现有发明采用的为真空熔覆的熔覆方式，具体实施方式为将镍基自熔合金粉末均匀分散于胶体中形成涂覆悬浮液，将涂覆悬浮液均匀喷涂在预热后的工件表面，形成厚度在0.3—1.5mm的预涂层，然后将工件烘干，最后将工件放入真空炉中进行真空熔覆，采用阶梯加热保温方式形成涂层。因为要形成悬浮液进而将悬浮液喷涂在工件表面所以必须要加入有机溶剂，有机溶剂作用是配置涂覆悬浮液。而本发明采用激光加热的方式，可以直接用激光所产生的热量将金属粉末直接融化并烧结成金属膜层，而不需要将合金粉末制作成悬浮液再进行熔覆，所以本发明就不需要有机溶剂的加入，进一步减少了操作步骤。

四是现有技术方案将涂覆悬浮液均匀喷涂在预热后的工件表面，形成厚度在0.3—1.5mm的预涂层，然后将工件烘干，膜层的厚度准确性与均匀性得不到保障，而本发明采用3D打印的方式，采用激光加热的熔覆方式，此过程不产生材料的损耗，所以可以通过控制粉末或薄片的厚度来做到精准增长厚度。熔覆过程可以多次进行由此可以做到持续分层。

五是现有技术方案未涉及激光熔覆后处理，而本发明在激光熔覆后采用激光雕刻的方式进行产品材料去除以此对产品的形状精度进行进一步地精确修正，进一步提高了产品膜层形状的精确性。

六是现有技术中的真空熔覆过程为：真空炉中按照下述方式对工件表面进行阶梯加热保温：在2至5分钟内将工件表面温度由室温加热至110℃，然后在8至12分钟内将工件表面温度由110℃加热至140℃，然后在140℃下保温10分钟，接着在40至60分钟内将工件表面温度由140℃加热至300℃，然后在300℃下保温20分钟，接着在25至35分钟内将工件表面温度由300℃加热至1100℃，最后在1100℃下保温20分钟。根据以上过程我们可以计算出整个熔覆过程中所需要的最少时间为125分钟而所需要的最大时间为162分钟，所以此过程需要消耗大量的时间。而本发明中激光熔覆的扫描速度能达到50m/min，光斑直径为2mm，这样每分钟可以激光可以熔覆0.1平方毫米的面积，加工1平方毫米的面积仅需要10分钟。当加工面积更小的零件时所需要的时间会更少，所以是加工时间大大缩短。

应用举例：家具领域中的铝合金门窗(尤其是沿海或者靠近化工厂)。

铝合金门窗因为其优异的性能，已经使其在日常生活中被广泛应用。家用铝合金门窗在有良好的防护作用的同时其装饰性也显得尤为重要。但铝合金的耐腐蚀性、耐磨性、硬度等存在着较大的缺陷，导致铝合金门窗在长时间的推拉、摩擦、处于腐蚀性环境中时损坏的速度会大大加快。在大气中铝及铝合金表面与氧化作用能形成一层氧化膜，但膜薄(3×10-3-5×10-3μm)而疏松多孔，为非晶态的、不均匀也不连续的膜层，不能作为可靠的防护性膜层。目前，在工业上广泛地采用阳极氧化或化学氧化的铝氧化处理方法，在铝及铝合金制件表面生成一层氧化膜，以达到防护的目的。经化学氧化处理获得的氧化膜，厚度一般为0.3-4μm，质软、耐磨和抗蚀性均不理想。而经阳极氧化处理获得的氧化膜，其得到的多孔的氧化膜具有很强的吸附能力，易于用有机染料着色，但厚度一般在5-20μm，厚度也不能达到实际运用时所需要的厚度，耐蚀性、耐磨性、硬度虽有提高但还不能满足实际运用的需求。微弧氧化可以大幅度提高膜层的耐腐蚀性、耐磨性、硬度。但厚度也不能达到日常使用的需要，而且微弧氧化所得到的膜层致密性好，表面吸附力很小，不易于用有机染料着色。所以就需要在增加复合膜层厚度的同时兼顾耐磨性、耐腐蚀性、硬度、装饰性。本发明中的操作过程微弧氧化→激光熔覆→阳极氧化就可以满足此需求。在微弧氧化与阳极氧化的同时加入激光熔覆，来增加膜层厚度。微弧氧化来大幅度提升膜层的耐腐蚀性、耐磨性、硬度。阳极氧化在一定程度上提升上述功能的同时，还可以对门窗起到良好的装饰作用。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顺时针”和“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于多能量场的3D陶瓷打印方法，其特征在于，

具体步骤如下：

S1：对基体材料进行预处理：将基体表面进行清洁处理；

S2：配置微弧氧化所要使用的电解液；

S3：对基体进行微弧氧化；

S4：对氧化得到的工件进行清洗、吹干；

S5：对熔覆材料进行预处理；

S6：激光熔覆扫描前设置：在控制器上输入所要精确成型的三维模型，并输入扫描所需的激光功率、扫描速率、光斑直径；

S7：启动激光扫描熔覆装置通过激光扫描加热的原理将熔覆材料与基体紧密结合到一起；

S8：配置阳极氧化所要使用的电解液，对熔覆后样品进行阳极氧化。

2.如权利要求1所述的基于多能量场的3D陶瓷打印方法，其特征在于，

步骤S5中若熔覆材料为金属粉末则需将粉末置于干粉混合机中充分混匀并烘干，粉末粒度在150-350目，混合时间为20—30min，烘干温度为50-70℃；若熔覆材料为金属薄片则需将薄片放入超声波清洗机中清洗10min，彻底清除工件表面残留的油污和氧化物，金属薄片厚度为100-500μm。

3.如权利要求1所述的基于多能量场的3D陶瓷打印方法，其特征在于，步骤S7先在熔覆材料与基体之间喷涂一定比例的碱性溶液，以起到控制熔覆材料特性以及增加金属粉末或者金属薄片与基体之间紧密度，随后再启动激光扫描熔覆装置。

4.如权利要求1所述的基于多能量场的(3)D陶瓷打印方法，其特征在于，步骤S(3)和步骤S(8)中采用相同的氧化设备，电解液各自配置，氧化设备包括框架(1)，框架(1)上设置三维运动机构(2)，电解液槽(3)设置于框架(1)上，阴极(4)设置于三维运动机构(2)的运动控制器末端，循环泵(5)设置于框架(1)中，循环管路(6)一端伸入到电解液槽(3)中，另一端设置于阴极(4)位置处，循环泵(5)接入循环管路(6)中，循环泵(5)通过循环管路(6)将电解液(3)中的电解液循环输送至阴极(4)位置处。

5.如权利要求1所述的基于多能量场的(3)D陶瓷打印方法，其特征在于，该方法采用的熔覆设备包括机架(80)，立臂(81)设置于机架(80)上，立臂(81)内部设置可转动螺杆，手柄(84)连接螺杆上端，横臂(82)上固定设置有与螺杆螺纹连接的螺母，横臂(82)的前端设置激光器(83)，控制器(85)设置于机架(80)上，控制器(85)与激光器(83)电连接。

6.如权利要求1所述的基于多能量场的3D陶瓷打印方法，其特征在于，循环重复进行步骤S4-S8，直至达到加工要求。

7.如权利要求1所述的基于多能量场的3D陶瓷打印方法，其特征在于，还包括

步骤S9：在激光熔覆设备上进行激光雕刻加工。

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