CN116352233B - 一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法。为了使陶瓷颗粒和金属材料各自的性能能够得到充分利用，并且使两者能够良好有效的连接，以满足复合材料的服役性能要求，本发明首先将陶瓷颗粒进行表面预处理，然后将金属基板在焊接电弧的作用下加热至熔融状态，形成熔池，而后将装有陶瓷颗粒的弹射控制器对准熔池尾部发射，陶瓷颗粒与金属基板良好结合形成金属基陶瓷复合材料。该方法可增强单一金属的力学性能，使陶瓷颗粒与金属基体发生界面反应，从而改变金属基体的微观组织，提高基体材料的力学性能，并且可通过调整陶瓷颗粒加入量，得到具有一定梯度的层状金属基复合材料，耐磨性能大大提高。

Description

一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法。
背景技术
随着我国逐渐步入工业4.0时代，制造业对于材料的使用性能和服役性能提出了更高的要求，单一材料已不满足现今的使用要求。若能将两种不同材料有效结合起来，使其性能互补，制造出具有多种优良性能的复合材料，对于生产制造更具有实际意义。
陶瓷材料具有硬度高、熔点高、密度小、不易氧化、化学稳定性好等优点，但其脆性大，难以作为单一材料满足实际生产需求。金属材料具有良好的韧性、成熟的加工工艺和低廉的成本。因此，综合利用陶瓷颗粒提高硬度和耐磨性能，并利用金属材料保持韧性，将两者的优点结合起来，金属/陶瓷复合材料便应运而生。其中，梯度复合材料是一种结构组成沿厚度方向阶梯性变化的材料，导致材料的不同部位具有不同的使用性能，以便于更加适合不同的服役条件。尤其是陶瓷颗粒复合在钢铁材料表面形成的梯度复合材料，作为抵抗低应力冲蚀磨损的耐磨材料，可广泛应用于核技术领域、切削刀具材料、耐磨材料等行业。因此，如何获得界面成分均匀过度、陶瓷/金属界面结合质量高的梯度复合材料具有重要的理论及实际应用价值。
目前国内外用于制备梯度复合材料的技术主要包括粉末冶金法、等离子喷涂法、气相沉积法和激光熔覆法等。而由于金属和陶瓷二者之间的物理化学性质差异，使其在连接的过程中很难保证成分均匀过渡，达到预期的梯度效果。同时，如何将陶瓷颗粒均匀添加到金属基体并实现陶瓷颗粒含量线性均匀过度，在制备过程中主要存在以下问题：
（1）陶瓷与金属的原子结构差异很大，这就使得两者的物化性质差异大，界面润湿性较差，导致二者结合困难。
（2）陶瓷颗粒与金属基体界面反应较多，导致在结合界面处存在较大残余拉应力和微间隙，在服役过程中极易形成裂纹。
（3）陶瓷颗粒在金属基体中分布不均匀，易出现聚集等现象。
（4）目前用于制备陶瓷/金属复合材料的技术中，均存在制备成本昂贵，预处理流程复杂，成型速率低等诸多缺点。
发明内容
为解决上述问题，实现陶瓷与金属的连接，并保证接合界面的稳定性，以达到目前工业生产的使用要求，本发明提供了一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1，将Al2O3陶瓷颗粒球表面进行磁控溅射镀膜处理；
步骤2，将步骤1镀膜处理的Al2O3陶瓷颗粒球放入弹入控制器中；
步骤3，打开CO2气瓶使手套箱中处于保护气氛围；
步骤4，同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，待焊缝完全冷却后，完成复合材料的增材制造；
步骤5，通过工控机关闭MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，并保持CO2气氛3-5min后关闭CO2气瓶，检查CO2气瓶密封性防止气体泄漏；
步骤6，对增材制造得到的复合材料进行打磨、清洗，得到陶瓷基增强金属基复合材料。
进一步，所述步骤1中将Al2O3陶瓷颗粒球表面进行磁控溅射镀膜处理，具体步骤为：
步骤1.1，对Al2O3陶瓷颗粒进行清洗：将Al2O3陶瓷颗粒先后置于洗涤剂、去离子水、丙酮和无水乙醇中超声清洗15min，期间用大量去离子水冲洗、烘干；
步骤1.2，为了提高薄膜与Al2O3陶瓷颗粒间附着力，减小薄膜的热应力，对Al2O3陶瓷颗粒进行加热烘烤，烘烤温度为200℃；
步骤1.3，用Ar气对Al2O3陶瓷颗粒刻蚀30s，然后对刻蚀后的Al2O3陶瓷颗粒预溅射60s，以除去表面的污染物；
步骤1.4，将Al2O3陶瓷颗粒放入沉积室，对沉积室进行抽真空，沉积室的真空度大于7.5×10-4Pa。
更进一步，所述步骤1.3中预溅射的电流为0.4~1.0A，Ar气的流量为50~200cm3/min。
进一步，所述步骤4中同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，具体步骤为：
工控机控制的三维运动平台由二维直线电机和电缸驱动，金属基板固定在三维运动平台上，三维运动平台带有隔热板、冷却板以及加热板，带抱闸的伺服旋转电机通过减速器使电缸推动三维运动平台做Z向运动，操作工控机同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，调整MAG焊枪与金属基板的角度到60°，使MAG焊枪夹持手柄平行于金属基板，焊接参数为电流100A、电压19V、金属基板运动速度为13cm/min，弹入控制器由程序控制，弹射速率为2~5mm3/s。
进一步，所述步骤6中对增材制造得到的复合材料进行打磨、清洗具体过程为：
先用砂纸从100#到1500#对复合材料进行打磨，随后对打磨后的复合材料用体积百分比为75%的酒精擦拭清洗，擦拭后自然晾干。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明利用磁控溅射镀膜方法对陶瓷颗粒表面进行预处理，与其他的表面镀膜方法相比，磁控溅射镀膜后，陶瓷颗粒与镀膜层的结合力强、镀膜层致密、均匀。这将改善陶瓷颗粒与金属界面结合时的不相容性，可实现陶瓷与金属达到良好的冶金结合。同时，二者的结合界面得到改善，界面反应减少，界面间的应力状态发生改变，并且界面微间隙大大减少，力学性能提高。
2、本发明可通过控制金属基板和弹入控制器的相对运动速度，进而控制复合材料中陶瓷的含量；此外，通过程序控制弹入控制器的发射频率，还可制备出陶瓷含量均匀变化的梯度复合材料，更加精确地控制陶瓷颗粒的分布及含量，界面处不存在陶瓷含量突变，可进一步保证耐磨材料的整体服役性能，避免整块脱落等失效原因的出现。
3、本发明使用传统的MAG焊接作为辅助热源，将陶瓷颗粒以弹射的方式加入金属基体，成型速率快，生产率高，是一种陶瓷增强金属基复合材料工业制造的可行途径。制备的复合材料无需进行任何后处理，制备完成后即可满足工业生产使用要求。
附图说明
图1为弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造装置的示意图；
图中，1-电缸、2-支撑架、3-手套箱、4-直线电机、5-MAG焊机、6-工控机、7-弹入控制器、8-CO2气瓶、9-导柱、10-三维运动平台、11-MAG焊枪、12-金属基板；
图2为1mm陶瓷颗粒复合材料试样；
图3为3mm陶瓷颗粒复合材料试样；
图4为5mm陶瓷颗粒复合材料试样。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明的弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造装置，包括电缸1、支撑架2、手套箱3、直线电机4、MAG焊机5、工控机6、弹入控制器7、CO2气瓶8、导柱9、三维运动平台10、MAG焊枪11、金属基板12；
所述工控机6的第一输出端与弹入控制器7的输入端连接，所述工控机6的第二输出端与直线电机4的输入端连接，所述工控机6的第三输出端与电缸1的输入端连接，带抱闸的伺服旋转电机通过减速器使电缸1推动三维运动平台10做Z向运动，所述工控机6的第四输出端与MAG焊机5的第一输入端连接，所述弹入控制器7位于手套箱的上方，且弹入控制器7的输出端伸入手套箱3，所述三维运动平台10通过导柱9设置在手套箱3内，在所述三维运动平台10上设置有金属基板12、隔热板、冷却板以及加热板，所述MAG焊机5的输出端与MAG焊枪11连接，所述MAG焊枪11伸入手套箱3，位于金属基板12上方，所述电缸1与MAG焊机5的第二输入端连接，构成回路，所述CO2气瓶8的出气口与手套箱3的进气口连接，使得手套箱3处于CO2保护气氛围，所述支撑架2用于连接电缸1和三维运动平台10。
实施例2
一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1，将Al2O3陶瓷颗粒球表面进行磁控溅射镀膜处理，具体包括以下步骤：
步骤1.1，对Al2O3陶瓷颗粒进行清洗：将Al2O3陶瓷颗粒先后置于洗涤剂、去离子水、丙酮和无水乙醇中超声清洗15min，期间用大量去离子水冲洗、烘干；
步骤1.2，对Al2O3陶瓷颗粒进行加热烘烤，烘烤温度为200℃；
步骤1.3，用流量为50cm3/min的Ar对Al2O3陶瓷颗粒刻蚀30s，然后对刻蚀后的Al2O3陶瓷颗粒使用0.4A的电流预溅射60s，以除去基板和靶面的污染物；
步骤1.4，将Al2O3陶瓷颗粒放入沉积室，对沉积室进行抽真空，沉积室的真空度优于7.5×10-4Pa。
步骤2，将步骤1镀膜处理的Al2O3陶瓷颗粒球放入弹入控制器的机腔中；
步骤3，启动工控机电源，紧关手套箱，打开CO2气瓶阀门，等待5-10分钟，使手套箱中处于保护气氛围；
步骤4，同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，具体步骤为：
工控机控制的三维运动平台由二维直线电机和电缸驱动，金属基板固定在三维运动平台上，三维运动平台带有隔热板、冷却板以及加热板，带抱闸的伺服旋转电机通过减速器使电缸推动三维运动平台做Z向运动，操作工控机同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，调整MAG焊枪与金属基板的角度到60°，使MAG焊枪夹持手柄平行于金属基板，焊接参数为电流100A、电压19V、金属基板运动速度为13cm/min，弹入控制器由程序控制，弹射速率为5mm3/s。待焊缝完全冷却后，完成复合材料的增材制造；
步骤5，通过工控机关闭MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，并保持CO2气氛围3-5min后关闭CO2气瓶，检查CO2气瓶密封性防止气体泄漏；
步骤6，对增材制造得到的复合材料进行打磨、清洗，得到陶瓷基增强金属基复合材料，具体步骤为：
先用砂纸从100#到1500#对复合材料试块进行打磨，随后对打磨后的复合材料试块用体积百分比为75%的酒精擦拭清洗，擦拭后自然晾干，即得到陶瓷基增强金属基复合材料（如图1所示）。
实施例3
一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1，将Al2O3陶瓷颗粒球表面进行磁控溅射镀膜处理，具体包括以下步骤：
步骤1.1，对Al2O3陶瓷颗粒进行清洗：将Al2O3陶瓷颗粒先后置于洗涤剂、去离子水、丙酮和无水乙醇中超声清洗15min，期间用大量去离子水冲洗、烘干；
步骤1.2，对Al2O3陶瓷颗粒进行加热烘烤，烘烤温度为200℃；
步骤1.3，用流量为100cm3/min的Ar对Al2O3陶瓷颗粒刻蚀30s，然后对刻蚀后的Al2O3陶瓷颗粒使用0.6A的电流预溅射60s，以除去基板和靶面的污染物；
步骤1.4，将Al2O3陶瓷颗粒放入沉积室，对沉积室进行抽真空，沉积室的真空度优于7.5×10-4Pa。
步骤2，将步骤1镀膜处理的Al2O3陶瓷颗粒球放入弹入控制器的机腔中；
步骤3，启动工控机电源，紧关手套箱，打开CO2气瓶阀门，等待5-10分钟，使手套箱中处于保护气氛围；
步骤4，同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，具体步骤为：
工控机控制的三维运动平台由二维直线电机和电缸驱动，金属基板固定在三维运动平台上，三维运动平台带有隔热板、冷却板以及加热板，带抱闸的伺服旋转电机通过减速器使电缸推动三维运动平台做Z向运动，操作工控机同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，调整MAG焊枪与金属基板的角度到60°，使MAG焊枪夹持手柄平行于金属基板，焊接参数为电流100A、电压19V、金属基板运动速度为13cm/min，弹入控制器由程序控制，弹射速率从2mm3/s均匀递增至5mm3/s。待焊缝完全冷却后，完成复合材料的增材制造；
步骤5，通过工控机关闭MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，并保持CO2气氛围3-5min后关闭CO2气瓶，检查CO2气瓶密封性防止气体泄漏；
步骤6，对增材制造得到的复合材料进行打磨、清洗，得到陶瓷基增强金属基复合材料，具体步骤为：
先用砂纸从100#到1500#对复合材料试块进行打磨，随后对打磨后的复合材料试块用体积百分比为75%的酒精擦拭清洗，擦拭后自然晾干，即得到陶瓷基增强金属基复合材料（如图2所示）。
实施例4
一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1，将Al2O3陶瓷颗粒球表面进行磁控溅射镀膜处理，具体包括以下步骤：
步骤1.1，对Al2O3陶瓷颗粒进行清洗：将Al2O3陶瓷颗粒先后置于洗涤剂、去离子水、丙酮和无水乙醇中超声清洗15min，期间用大量去离子水冲洗、烘干；
步骤1.2，对Al2O3陶瓷颗粒进行加热烘烤，烘烤温度为200℃；
步骤1.3，用流量为200cm3/min的Ar对Al2O3陶瓷颗粒刻蚀30s，然后对刻蚀后的Al2O3陶瓷颗粒1.0A的电流预溅射60s，以除去基板和靶面的污染物；
步骤1.4，将Al2O3陶瓷颗粒放入沉积室，对沉积室进行抽真空，沉积室的真空度优于7.5×10-4Pa。
步骤2，将步骤1镀膜处理的Al2O3陶瓷颗粒球放入弹入控制器的机腔中；
步骤3，启动工控机电源，紧关手套箱，打开CO2气瓶阀门，等待5-10分钟，使手套箱中处于保护气氛围；
步骤4，同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，具体步骤为：
工控机控制的三维运动平台由二维直线电机和电缸驱动，金属基板固定在三维运动平台上，三维运动平台带有隔热板、冷却板以及加热板，带抱闸的伺服旋转电机通过减速器使电缸推动三维运动平台做Z向运动，操作工控机同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，调整MAG焊枪与金属基板的角度到60°，使MAG焊枪夹持手柄平行于金属基板，焊接参数为电流100A、电压19V、金属基板运动速度为13cm/min，弹入控制器由程序控制，弹射速率从5mm3/s均匀递减至2mm3/s。待焊缝完全冷却后，完成复合材料的增材制造；
步骤5，通过工控机关闭MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，并保持CO2气氛围3-5min后关闭CO2气瓶，检查CO2气瓶密封性防止气体泄漏；
步骤6，对增材制造得到的复合材料进行打磨、清洗，得到陶瓷基增强金属基复合材料，具体步骤为：
先用砂纸从100#到1500#对复合材料试块进行打磨，随后对打磨后的复合材料试块用体积百分比为75%的酒精擦拭清洗，擦拭后自然晾干，即得到陶瓷基增强金属基复合材料（如图3所示）。

Claims (2)

1.一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将Al2O3陶瓷颗粒球表面进行磁控溅射镀膜处理；
步骤2，将步骤1镀膜处理的Al2O3陶瓷颗粒球放入弹入控制器中；
步骤3，打开CO2气瓶使手套箱中处于保护气氛围；
步骤4，同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，完成复合材料的增材制造；
步骤5，通过工控机关闭MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，并保持CO2气氛3-5min后关闭CO2气瓶，检查CO2气瓶密封性防止气体泄漏；
步骤6，对增材制造得到的复合材料进行打磨、清洗，得到陶瓷基增强金属基复合材料；
所述步骤1中将Al2O3陶瓷颗粒球表面进行磁控溅射镀膜处理，具体步骤为：
步骤1.1，对Al2O3陶瓷颗粒进行清洗：将Al2O3陶瓷颗粒先后置于洗涤剂、去离子水、丙酮和无水乙醇中超声清洗15min，期间用大量去离子水冲洗、烘干；
步骤1.2，对Al2O3陶瓷颗粒进行加热烘烤，烘烤温度为200℃；
步骤1.3，用Ar气对Al2O3陶瓷颗粒刻蚀30s，然后对刻蚀后的Al2O3陶瓷颗粒预溅射60s，以除去表面的污染物；
步骤1.4，将Al2O3陶瓷颗粒放入沉积室，对沉积室进行抽真空，沉积室的真空度大于7.5×10-4Pa；
所述步骤1.3中预溅射的电流为0.4~1.0A，Ar气的流量为50~200cm3/min；
所述步骤4中同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，具体步骤为：
工控机控制的三维运动平台由二维直线电机和电缸驱动，金属基板固定在三维运动平台上，三维运动平台带有隔热板、冷却板以及加热板，带抱闸的伺服旋转电机通过减速器使电缸推动三维运动平台做Z向运动，操作工控机同时启动MAG焊机、三维运动平台以及弹入控制器，调整MAG焊枪与金属基板的角度到60°，使MAG焊枪夹持手柄平行于金属基板，焊接参数为电流100A、电压19V、金属基板运动速度为13cm/min，弹入控制器由程序控制，弹射速率为从2 mm3/s均匀递增至5mm3/s或从5 mm3/s均匀递减至2mm3/s，均是以获得性能优异的梯度复合材料为目的，梯度复合材料是一种结构组成沿厚度方向阶梯性变化的材料。
2.根据权利要求1所述的一种弹射式陶瓷颗粒增强复合材料熔融堆积增材制造方法，其特征在于，所述步骤6中对增材制造得到的复合材料进行打磨、清洗，具体步骤为：
先用砂纸从100#到1500#对复合材料进行打磨，随后对打磨后的复合材料用体积百分比为75%的酒精擦拭清洗，擦拭后自然晾干。
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