CN117620135A - 一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法及零件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法及零件，该制备方法包括：建立待制作零件的三维的零件模型，所述零件模型内置有双螺旋虹吸微通道；对所述零件模型进行切片，获取所述零件模型的每一层的切片数据，所述切片数据包括该层零件的几何形状和打印路径；采用砂型打印根据所述切片数据对所述零件模型进行打印得到预制坯，其中，在进行每一层的打印后在用于打印的粉末层上喷射粘结剂；对所述预制坯依次进行烧结、后处理以及预处理，以得到处理后的所述预制坯；将处理后的所述预制坯放入预制容器当中，通过铝液进行浸渗后进行缓冷、固化得到所述待制作零件。本发明解决了现有技术中的铝基复合材料零件加工难度大和精度难以掌握的问题。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料技术领域，特别涉及一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法及零件。
背景技术
随着航空工业及新能源汽车工业的高速发展，也对基础材料提出了更轻更强的高要求。以铝为主的各类合金及其复合材料的应用逐渐打开，同时在产业化推进过程中，包括工艺、成本、良品率等一系列问题也逐渐显现。
铝基复合材料在汽车工业的应用研究起步最早，使用颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘最先在美国问世，很好的减轻了重量的同时提高了耐磨性能，噪音明显减小。同时，复合材料刹车转子、刹车活塞、刹车垫板等应用方面也十分广泛。在航空航天领域对减重的要求更为严苛，铝基复合材料恰恰能满足这方面的要求。采用熔模铸造工艺研制成复合材料，用该材料代替钛合金制造飞机摄相镜方向架，使其成本和重量明显降低，导热性提高。同时，该复合材料还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。由于具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点，铝基复合材料也适合于制造电子器材的封装材料、散热片等电子器件。铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配，而且导电、导热性能也非常好，常用于制造望远镜的支架和副镜等部件，以及制造惯性导航系统的精密零件、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等精密光学仪器。
尽管铝基复合材料有着很多优势，但因其制备工艺复杂以及材料特性的影响，使其在制备复杂构件方面成本十分高昂，主要体现在加工难度大，精度难以掌握，极大影响了铝基复合材料的推广和工程化。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法及零件，旨在解决现有技术中的铝基复合材料加工难度大、精度难以掌握的问题。
本发明实施例是这样实现的：
一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，所述方法包括：
建立待制作零件的三维的零件模型，所述零件模型内置有双螺旋虹吸微通道；
对所述零件模型进行切片，获取所述零件模型的每一层的切片数据，所述切片数据包括该层零件的几何形状和打印路径；
采用砂型打印根据所述切片数据对所述零件模型进行打印得到预制坯，其中，在进行每一层的打印后在用于打印的粉末层上喷射粘结剂；
对所述预制坯依次进行烧结、后处理以及预处理，以得到处理后的所述预制坯；
将处理后的所述预制坯放入预制容器当中，通过铝液进行浸渗后进行缓冷、固化得到所述待制作零件。
进一步的，上述近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其中，烧结温度为1100℃-1600℃，烧结时间为10min-50min，烧结压力为10MPa-30MPa。
进一步的，上述近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其中，所述后处理的步骤包括：
对烧结后的所述预制坯进行修整、加工和表面处理，获得预设抗拉强度的陶瓷预制坯；
其中，所述预设抗拉强度为0.8MPa-2MPa。
进一步的，上述近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其中，所述预处理的步骤包括：
对后处理后的所述预制坯进行清洗、去除氧化层、表面打磨，以确保所述预制坯表面无杂质和污染物。
进一步的，上述近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其中，通道直径为0.1～0.4mm，管道斜切面角度为35°-60°，每个所述双螺旋微通道之间的间距为0.5～1.5mm。
进一步的，上述近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其中，所述粘接剂每一层的层厚为0.3mm-0.5mm。
进一步的，上述近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其中，所述砂型打印的粉末采用SiC颗粒，粘结剂采用树脂胶水。
进一步的，上述近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其中，缓冷的冷却速度为80-140℃/h。
进一步的，上述近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其中，所述将处理后的所述预制坯放入预制容器当中，通过铝液进行浸渗后进行缓冷、固化得到所述待制作零件步骤之后还包括：
对所述待制作零件进行加工以改善外观以及所需的尺寸精度，所述加工至少包括研磨、抛光、机加工。
本发明的另一个目的在于提供一种近净成形的铝基复合材料零件，所述铝基复合材料零件由权利要求1至9中任一项所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法制备得到。
与现有技术相比：通过建立带有双螺旋虹吸微通道的待制作零件的三维的零件模型，采用砂型打印根据切片数据对零件模型进行打印得到预制坯，其中，在进行每一层的打印后在用于打印的粉末层上喷射粘结剂；所制得材料组织致密、结构稳定，能够很好的实现复杂结构铝基复合材料的近净成形，避免采用模具加工的整体成型方式，而通过打印可以设计出接近零件形状的坯料，加工余量小，对刀具损伤极小，能够很好的保证尺寸精度，并且通过双螺旋虹吸结构设计，能够实现铝合金熔液的自填充，快速渗铝，很好的完成特殊结构的浸渗过程，制备出满足实际应用需求的结构与性能，双螺旋虹吸结构能够实现多级液态虹吸，铝合金熔液向上攀爬的同时，还能够通过自蔓延效应弥补脱胶过程中造成的不规则陶瓷颗粒间隙，实现材料致密稳定。
附图说明
图1为本发明一实施例当中的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的流程图；
图2为本发明一实施例当中的近净成形的铝基复合材料零件制作方法中的双螺旋虹吸微通道的结构示意图；
图3为本发明一实施例当中的近净成形的铝基复合材料零件制作方法中的双螺旋虹吸微通道置于杯体中的俯视图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。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例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”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。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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明针对目前应用广泛的铝基复合材料具有加工难度大，精度难以掌握的缺点的问题，提出了一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法及零件，其中：
请参阅图1，所示为本发明一实施例当中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，包括：
步骤S10，建立待制作零件的三维的零件模型，所述零件模型内置有双螺旋虹吸微通道。
其中，通过3D建模软件设计出所需的零件模型结构，结构外表面保留一定的余量，例如0.1mm；内置双螺旋虹吸微通道，其中，多个通道双螺旋虹吸微通道密集的设置在零件的基体内，具体的，双螺旋虹吸微通道的数量可以根据实际情况进行设置，在具体实施时，双螺旋虹吸微通道的直径为0.1～0.4mm，管道斜切面角度为35°-60°，双螺旋间距0.5～1.5mm。
步骤S11，对所述零件模型进行切片，获取所述零件模型的每一层的切片数据，所述切片数据包括该层零件的几何形状和打印路径。
具体的，将模型切片，每层的切片数据包含该层零件的几何形状和打印路径，层厚设计为0.3-0.5mm，即为打印过程中每层粉末铺展厚度。
步骤S12，采用砂型打印根据所述切片数据对所述零件模型进行打印得到预制坯，其中，在进行每一层的打印后在用于打印的粉末层上喷射粘结剂。
具体的，将粘结剂喷射到一层陶瓷粉末上，粘结剂沉积在粉末上，并按照切片数据中指定的路径形成粘结剂的图层。喷头通过将液体粘结剂喷射到粉末层上，根据设计模型的要求进行精确控制，将粘结剂喷洒在特定位置，使其粘结成型，层厚要求0.3-0.5mm；在喷涂了一层粘结剂后，3D打印机会将建造台下降一定距离，以便为下一层喷涂准备空间。然后再次进行粘结剂喷射，喷涂下一层粉末，并将其与前一层黏合在一起，逐层堆积形成实体，其中，在进行砂型打印时，事先进行粉末及墨水准备，具体的，粉末颗粒可选择高硅砂、陶粒砂、石英砂或SiC等，制备铝基复合材料一般选用SiC颗粒作为构建物体所需的原材料。根据物体的要求和材料特性选择适合的粉末材料。SiC粉末材料必须具有一定的粒度和流动性，以便于铺展和堆积，墨水一般选用树脂胶水，方便后期脱胶，墨水占比80～150％，烧结发气量要求＜18g/mL。
步骤S13，对所述预制坯依次进行烧结、后处理以及预处理，以得到处理后的所述预制坯。
具体的，将打印好的预制坯进行烧结，烧结温度1100℃-1600℃，烧结时间10min-50min，烧结过程需适当加压，压力控制10-30MPa，使粘结剂顺利脱出和粉末烧结成固态陶瓷结构；对烧结后的预制坯进行修整、加工和表面处理，获得最终的稳定陶瓷预制坯，抗拉强度达到0.8-2MPa可视为合格；为了提高渗透与虹吸效果，需要对打印好的预制坯进行清洗、去除氧化层、表面打磨，以确保陶瓷预制坯表面无杂质和污染物。
步骤S14，将处理后的所述预制坯放入预制容器当中，通过铝液进行浸渗后进行缓冷、固化得到所述待制作零件。
具体的，将经过预处理的预制坯一端封住放入容器中，然后将浸渗介质(铝液)倒入容器中，使其充分浸没预制坯，后将一端封口打开，浸渗介质将沿设计好的双螺旋虹吸结构渗满预制坯结构，虹吸后将一端封住拿出，其中，如图2、3所示，双螺旋虹吸微通道10由两个螺旋同向盘旋组成，在进行设置时，一般贯穿零件的基体设置，密集的分布在零件的基体内，分别设于零件基体的两端开口与外界连通，从而可以通过虹吸效应从开口吸入铝液；例如，双螺旋虹吸微通道10贯穿桶状零件，例如水杯20的杯壁内，且两端贯穿杯壁的上下与外界连通，从而在进行浸渗，浸入前封住一端，浸入后打开封住的部分，浸渗介质在虹吸效应下自填满水杯，待预制坯沉浸一段时间后，虹吸结束再次封住，将其从容器中取出，并进行适当处理，以去除多余的浸渗介质以确保预制坯的表面尽可能少的残留的浸渗介质，放入真空炉中缓冷，冷却速度80～140℃/h；完成浸渗后，需要对浸渗好的制件进行固化处理以及热处理，以实现所需的性能和结构。
另外，在得到零件后，进行制件加工，如研磨、抛光、机加工等，以改善外观以及所需的尺寸精度，以满足特定的要求和功能。
另一方面，本发明还提出一种近净成形的铝基复合材料零件，该近净成形的铝基复合材料零件由上述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法制备得到。
为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。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例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
实施例1
设计模型：通过3D建模软件设计出所需的零件模型结构，结构外表面保留0.1mm余量，内置双螺旋虹吸微通道，通道直径0.1mm，管道斜切面角度为35°，密集分布在基体内，相邻两个双螺旋间距为0.5mm，。
模型处理：将模型切片，每层的切片数据包含该层零件的几何形状和打印路径，层厚设计为0.3～0.5mm，即为打印过程中每层粉末铺展厚度。
粉末及粘结剂准备：粉末颗粒为SiC，根据物体的要求和材料特性选择适合的粉末材料。SiC粉末材料必须具有一定的粒度和流动性，以便于铺展和堆积，粘结剂选用树脂胶水，方便后期脱胶，粘结剂占比80～150％，烧结发气量要求＜18g/mL。
粘结剂喷射：将粘结剂喷射到一层陶瓷粉末上，粘结剂沉积在粉末上，并按照切片数据中指定的路径形成粘结剂的图层，喷头通过将液体粘结剂喷射到粉末层上，根据设计模型的要求进行精确控制，将粘结剂喷洒在特定位置，使其粘结成型，层厚要求0.3～0.5mm。
层间喷涂和堆积：在喷涂了一层粘结剂后，3D打印机会将建造台下降一定距离，以便为下一层喷涂准备空间。然后再次进行粘结剂喷射，喷涂下一层粉末，并将其与前一层黏合在一起，逐层堆积形成实体。
烧结处理：将打印好的预制坯进行烧结，烧结温度1100℃，烧结时间10～50min，烧结过程需适当加压，压力控制10MPa，使粘结剂顺利脱出和粉末烧结成固态陶瓷结构。
后处理：对烧结后的预制坯进行修整、加工和表面处理，获得最终的稳定陶瓷预制坯，抗拉强度达到0.8～2MPa。
打印后陶瓷预制坯预处理：为了提高渗透与虹吸效果，需要对打印好的预制坯进行清洗、去除氧化层、表面打磨，以确保陶瓷预制坯表面无杂质和污染物。
浸渗预制坯：将经过预处理的预制坯一端封住放入容器中，然后将浸渗介质(铝液)倒入容器中，使其充分浸没预制坯，后将一端封口打开，浸渗介质将沿设计好的双螺旋虹吸结构渗满预制坯结构，虹吸后将一端封住拉出。
除去多余浸渗介质：待预制坯沉浸一段时间后，将其从容器中取出，并进行适当处理，以去除多余的浸渗介质以确保预制坯的表面尽可能少的残留的浸渗介质，放入真空炉中缓冷，冷却速度80～140℃/h。
后续处理和固化：完成浸渗后，需要对浸渗好的制件进行固化处理处理以及热处理，以实现所需的性能和结构。
浸渗后制件加工：如研磨、抛光、机加工等，以改善外观以及所需的尺寸精度，以满足特定的要求和功能。
实施例2
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
通道直径为0.3mm。
实施例3
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
通道直径为0.4mm。
实施例4
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
管道斜切面角度为45℃。
实施例5
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
管道斜切面角度为50℃。
实施例6
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
管道斜切面角度为60℃。
实施例7
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
双螺旋微通道之间的间距为1mm。
实施例8
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
双螺旋微通道之间的间距为1.5mm。
实施例9
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
烧结压力为20MPa。
实施例10
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
烧结压力为30MPa。
实施例11
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
烧结温度为1300℃。
实施例12
本实施例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本实施例与实施例1中提出的近净成形的铝基复合材料零件制作方法的不同之处在于：
烧结温度为1600℃。
为了与本发明上述实施例进行对比，本发明还提出以下对照例。
对照例1
本发明对照例也提出一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，本对照例与本实施例1中的不同之处在于：
对照例1中为传统的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，通过压力浸渗法制作铝基复合材料零件。
请参阅下表1，所示为本发明上述实施例1～12及对比例1对应的参数。
表1
上表1中，在实际应用当中，分别采用本发明上述实施例1～12、及对照例1所对应的制备方法及参数制备得到对应的零件进行分别对进行测试实验，测试数据如下表2所示。需要说明的是，为了保证验证结果的可靠性，本发明上述实施例1～12、及对照例1在对应制备零件时除上述参数不同以外、其它都应当相同。
表2：
结合上述表1和表2的数据可以明显看出，通过建立带有双螺旋虹吸微通道的待制作零件的三维的零件模型，采用砂型打印根据切片数据对零件模型进行打印得到预制坯，其中，在进行每一层的打印后在用于打印的粉末层上喷射粘结剂；所制得材料组织致密、结构稳定，能够很好的实现复杂结构铝基复合材料的近净成形，避免采用模具加工的整体成型方式，而通过打印可以设计出接近零件形状的坯料，加工余量小，对刀具损伤极小，能够很好的保证尺寸精度，并且通过双螺旋虹吸结构设计，能够实现铝合金熔液的自填充，快速渗铝，很好的完成特殊结构的浸渗过程，制备出满足实际应用需求的结构与性能，双螺旋虹吸结构能够实现多级液态虹吸，铝合金熔液向上攀爬的同时，还能够通过自蔓延效应弥补脱胶过程中造成的不规则陶瓷颗粒间隙，实现材料致密稳定。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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)
1.一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其特征在于，所述方法包括：
建立待制作零件的三维的零件模型，所述零件模型内置有双螺旋虹吸微通道；
对所述零件模型进行切片，获取所述零件模型的每一层的切片数据，所述切片数据包括该层零件的几何形状和打印路径；
采用砂型打印根据所述切片数据对所述零件模型进行打印得到预制坯，其中，在进行每一层的打印后在用于打印的粉末层上喷射粘结剂；
对所述预制坯依次进行烧结、后处理以及预处理，以得到处理后的所述预制坯；
将处理后的所述预制坯放入预制容器当中，通过铝液进行浸渗后进行缓冷、固化得到所述待制作零件。
2.根据权利要求1所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其特征在于，烧结温度为1100℃-1600℃，烧结时间为10min-50min，烧结压力为10MPa-30MPa。
3.根据权利要求1所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其特征在于，所述后处理的步骤包括：
对烧结后的所述预制坯进行修整、加工和表面处理，获得预设抗拉强度的陶瓷预制坯；
其中，所述预设抗拉强度为0.8MPa-2MPa。
4.根据权利要求1所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其特征在于，所述预处理的步骤包括：
对后处理后的所述预制坯进行清洗、去除氧化层、表面打磨，以确保所述预制坯表面无杂质和污染物。
5.根据权利要求1所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其特征在于，通道直径为0.1～0.4mm，管道斜切面角度为35°-60°，每个所述双螺旋微通道之间的间距为0.5～1.5mm。
6.根据权利要求1所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其特征在于，所述粘接剂每一层的层厚为0.3mm-0.5mm。
7.根据权利要求1所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其特征在于，所述砂型打印的粉末采用SiC颗粒，粘接剂采用树脂胶水。
8.根据权利要求1所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其特征在于，缓冷的冷却速度为80～140℃/h。
9.根据权利要求1至8任一项所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法，其特征在于，所述将处理后的所述预制坯放入预制容器当中，通过铝液进行浸渗后进行缓冷、固化得到所述待制作零件步骤之后还包括：
对所述待制作零件进行加工以改善外观以及所需的尺寸精度，所述加工至少包括研磨、抛光、机加工。
10.一种近净成形的铝基复合材料零件，其特征在于，所述铝基复合材料零件由权利要求1至9中任一项所述的近净成形的铝基复合材料零件制作方法制备得到。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311602345.XA CN117620135A (zh) | 2023-11-28 | 2023-11-28 | 一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法及零件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311602345.XA CN117620135A (zh) | 2023-11-28 | 2023-11-28 | 一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法及零件 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117620135A true CN117620135A (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=90037020
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311602345.XA Pending CN117620135A (zh) | 2023-11-28 | 2023-11-28 | 一种近净成形的铝基复合材料零件制作方法及零件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117620135A (zh) |
-
2023
- 2023-11-28 CN CN202311602345.XA patent/CN117620135A/zh active Pending
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