CN1718325A - 一种基于选区激光烧结的颗粒增强金属基复合材料的近净成形制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于选区激光烧结的颗粒增强金属基复合材料的近净成形制备方法，主要用于陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备。为克服现有铸造法制备技术中增强相在基体的分散不均匀而导致性能低，以及该制备方法难以获得高体积分数、大型复杂薄壁复合材料构件的不足。本发明采用选区激光烧结(Selective laser sintering，SLS)的方法制备增强相体积分数容易控制的任意复杂形状预制件，通过真空变压渗流方法制备颗粒增强金属基复合材料。其中真空度、渗透压力和渗透温度等工艺参数能得到有效全程控制，制得的复合材料具有分散均匀、组织致密、增强体体积分数易控及可获得大型薄壁复杂净成形构件等优点。

Description

一种基于选区激光烧结的颗粒增强金属基复合材料的近净成形制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料，尤其是涉及一种用于陶瓷颗粒的基于选区激光烧结(Selective laser sintering，SLS)的颗粒增强金属基复合材料的近净成形制备方法。

背景技术：

颗粒增强金属基复合材料具有高比强度和比刚度、耐磨、低密度、良好的尺寸稳定性和导热性等优异的力学性能和物理性能。可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等领域。因此，从上世纪80年代初开始，世界各国竞相研究开发这类材料，从材料的制备工艺、微观组织、力学性能与断裂特性等角度进行了许多基础性研究工作，取得了显著成绩。目前，在美国和欧洲发达国家，尤其重视这类复合材料的研制，被列为21世纪新材料应用开发的重要方向。

颗粒增强金属基复合材料的制备方法对材料的性能和价格影响大，其成本也取决于复合材料的制造技术，因此研究和发展有效的制造技术一直是颗粒增强金属基复合材料的主要研究内容。颗粒增强金属基复合材料的制备方法有很多，不同的制备工艺具有不同的特点，对增强体有不同的要求和限制，制得的材料性能增强潜力也不同，所使用的设备条件和制备成本也有很大差异。目前的现有颗粒增强金属基复合材料的制备方法主要有：粉末冶金法、铸造法、原位复合和雾化喷射共沉积工艺。但其中比较成熟、应用比较广的是粉末冶金和铸造法。粉末冶金法可以任意改变增强颗粒金属基体的体积分数，能根据不同要求制得各不同体积分数的复合材料，而且颗粒分布均匀、性能稳定。但是，粉末冶金法制造工序多、工艺比较复杂，故生产成本较高，而且零件的结构、尺寸也受限制，因此目前仅用于航空航天和军工部门，民用较少。

而铸造法由于制备工艺简单，成本低，容易形成一定的规模，是目前最成熟、最具竞争力、也是工业化规模生产增强铝基复合材料的最主要方法，在金属基复合材料生产中有其独特的优势。在铸造法中，液态搅拌法存在的缺点是：高速搅拌的液态金属会裹入气体和夹杂物，存在偏析现象，搅拌复合过程也有相当的难度，且加入量也有限；半固态搅拌法的缺点是熔体密度大，不利杂质和气体排出，温度控制较困难；普通压渗法存在内部组织不够密实的问题，且为了保证复合后熔体具有一定的流动性。颗粒尺寸一般要大于10μm，增强效果受到一定的限制；搅拌熔铸法由于陶瓷增强体颗粒与金属熔液润湿性差，实现增强体颗粒均匀分布较为困难，同时，增强体颗粒极易与金属熔液发生严重化学反应，界面结合也较差，此外，增强体颗粒的尺寸通常需大于10μm，体积含量一般为20％左右。这些制备方法都存在难以同时满足复合材料中细粒度增强体均匀分散、与基体实现良好的界面结合，增强体体积分数容易控制，获得高体分、以及获得大型复杂薄壁复合材料等要求，即现有铸造法存在增强相在基体的分散不均匀而导致性能低、难以获得高体积分数及大型复杂薄壁复合材料构件的缺点。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于选区激光烧结的颗粒增强金属基复合材料的近净成形制备方法，这种制备方法能很容易控制细粒度增强体体积分数、从而获得高体积比、细粒度增强体在金属基体中的分布均匀以及获得大型薄壁复杂净成形构件，制得的复合材料具有分散均匀、组织致密、增强体体积分数易控等优点。

本发明的目的是这样实现的：

(1)选区激光烧结用粉末材料的制备：将增强相颗粒粉末和粘接剂均匀混合配比，得到混合粉末；

(2)预制件的制备：采用选区激光烧结法，将混合粉末制备成可控增强体体积分数及任意复杂形状增强体的预制件；

(3)复合材料的制备：采用真空变压铸渗法，即将预制件固定在高压容器中的加热器内，然后在预制件周围放置基体金属，对预制件和基体金属进行加热并保持真空状态，当基体金属温度达到为500--1000℃后，停止抽真空，继续加热至600--2000℃后，充入压缩气体，然后调节渗透压力，就可以得到增强体均匀分布、组织致密和重复性好的复合材料。

所述增强相颗粒粉末为碳化物、氮化物、硼化物或氧化物的一种；所述粘接剂为常规无机粘接剂、常规低熔点金属粉末粘接剂中的一种或常规无机粘接剂与常规低熔点金属粉末粘接剂的混合物或常规无机粘接剂与常规有机粘接剂的混合物或常规低熔点金属粉末粘接剂与常规有机粘接剂的混合物或常规无机粘接剂、常规有机粘接剂、常规低熔点金属粉末粘接剂的混合物。

所述碳化物为碳化硅、碳化硼或碳化钨，氮化物为氮化硅、氮化铝或氮化钛，硼化物为硼化硅或硼化锆，氧化物为氧化铝或氧化锆；

所述常规低熔点金属粉末粘接剂为纯铝粉或纯镁粉，所述常规无机粘接剂为磷酸二氢铵或磷酸铝，所述常规有机粘接剂为聚苯乙烯粉或聚丙烯粉。

所述预制件的制备是采用低熔点金属粉末作为预制件粘接剂激光选区烧结直接一次成形或是采用激光选区烧结预成形，再通过二次焙烧制备增强体预制件。

所述基体金属为铝、镁、铜、钛、镍或其合金。所述压缩气体为压缩空气、氮气或氩气。

在选区激光烧结用粉末材料的制备的混合粉末中还可添加下述填料：润滑剂、分散剂和光吸收剂，所述润滑剂为石墨或二硫化钼，所述分散剂为滑石粉或白炭黑，所述光吸收剂为炭黑。

预制件激光烧结成形主要由激光功率、扫描速度、铺粉层厚、扫描间距、扫描路径等工艺参数决定。采用SLS制备预制件具有尺寸精度高、体积分数易控、增强体分散均匀、容易操作、简化了工艺、工艺流程短、生产成本低的优点，且可实现产品的近净成形。

真空变压铸渗法的特点是金属液在真空、等温和压力条件下渗流，在一定压力条件下凝固；其具有良好的渗流和凝固条件，可避免气体和夹杂物的裹入的问题，并改善金属与增强体的界面结合情况，内部组织致密；金属液在真空压力下渗流，大大提高了熔体的充型能力，渗透时间短，并消除了气体的浇注过程中的有害作用，能获得壁厚非常薄、形态复杂、表面光洁和尺寸精确的颗粒增强金属基复合材料铸件。这种方法制备的金属基复合材料中增强体分布均匀，气孔率很小，界面反应易于控制，避免了界面反应产物对复合材料性能不利影响，在性能和稳定性上大大优于其他工艺方法制备的材料。

本发明是将选区激光烧结技术与真空变压铸渗技术有机地结合起来，这种制备方法能很容易控制细粒度增强体体积分数、从而获得高体积比、细粒度增强体在金属基体中的分布均匀以及获得大型薄壁复杂净成形构件，制得的复合材料具有分散均匀、组织致密、尺寸精度高、性能好、可设计性强、没有孔隙和缩孔等常规铸造缺陷、增强体与基体之间的反应小、增强体体积分数易控、并可以获得高体积分数及大型薄壁复杂构件的颗粒增强金属基复合材料等优点。本发明还具有显著的低成本及大尺寸优势，完善了材料的制备技术和工艺的稳定性。特别适合于碳化硅、氮化硅、氧化铝等陶瓷颗粒增强铝基或镁基复合材料的制造，也可用于其他复合材料的制造。

附图说明：

图1是本发明的基于选区激光烧结的颗粒增强金属基复合材料的近净成形制备的SiCp/Al复合材料的组织结构特征的示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进行进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例是碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备。

(1)选区激光烧结用粉末材料的制备：将20μm碳化硅颗粒和25％纯铝粉均匀混合配比，得到混合粉末；然后在混合粉末中添加下述填料：润滑剂：石墨，分散剂：白炭黑，光吸收剂：炭黑；

(2)预制件的制备：采用选区激光烧结法，将混合粉末采用低熔点金属粉末：纯铝粉作为预制件粘接剂激光选区烧结在氮气气氛下直接一次成形制备增强体预制件，制备成Φ35mm×40mm预制件，工艺条件是：激光功率200W，扫描速度500mm/s、铺粉层厚0.2mm、扫描间距0.2mm；

(3)复合材料的制备：采用真空变压铸渗法，即将预制件固定在高压容器中的加热器内，然后在预制件周围放置铸铝合金，对预制件和铝合金进行加热并保持真空状态，真空度小于100Pa，当铝温度达到为580℃后，停止抽真空，继续加热至850℃后，充入压缩空气，然后调节渗透压力，气氛压力分别为300Kpa 5min，400Kpa 10min，500Kpa 15min，就可以得到增强体均匀分布、组织致密和重复性好的复合材料。

实施例2：

本实施例是氮化硅颗粒增强铝基复合材料的制备。

(1)选区激光烧结用粉末材料的制备：将15μm氮化硅颗粒、10Vol％磷酸二氢铵、10％聚丙烯(PP)粉、10％纯铝粉、均匀混合配比，得到混合粉末，然后在混合粉末中添加下述填料：润滑剂：石墨，分散剂：滑石粉，光吸收剂：炭黑；

(2)预制件的制备：采用选区激光烧结法，将添加了填料的混合粉末烧结预成形，再通过二次焙烧制备增强体预制件制备成Φ35mm×40mm预制件，工艺条件是：激光功率22W，扫描速度1800mm/s、铺粉层厚0.15mm、扫描间距0.2mm；预制体放置烧结炉中缓慢加热至750℃，后随炉冷却；

(3)复合材料的制备：采用真空变压铸渗法，即将预制件固定在高压容器中的加热器内，然后在预制件周围放置铸铝合金，对预制件和铝合金进行加热并保持真空状态，真空度小于100Pa，当铝温度达到为580℃后，停止抽真空，继续加热至850℃后，充入氩气，然后调节渗透压力，气氛压力分别为300Kpa5min，400Kpa10min，500Kpa15min，就可以得到增强体均匀分布、组织致密和重复性好的复合材料。

实施例3：

本实施例是硼化硅颗粒增强镁基复合材料的制备。

(1)选区激光烧结用粉末材料的制备：将11μm硼化硅颗粒、10Vol％磷酸二氢铵和5％纯镁粉均匀混合配比，得到混合粉末；

(2)预制件的制备：采用选区激光烧结法，将混合粉末采用低熔点金属粉末：纯镁粉作为预制件粘接剂激光选区烧结在氩气气氛下直接一次成形制备增强体预制件，制备成Φ20mm×25mm预制件，工艺条件是：激光功率150W，扫描速度800mm/s、铺粉层厚0.16mm、扫描间距0.2mm；

(3)复合材料的制备：采用真空变压铸渗法，即将预制件固定在高压容器中的加热器内，然后在预制件周围放置镁合金，对预制件和镁合金进行加热并保持真空状态，真空度小于50Pa，当镁合金温度达到为550℃后，停止抽真空，继续加热至750℃后，充入氮气，然后调节渗透压力，气氛压力分别为400Kpa5min，500Kpa10min，就可以得到增强体均匀分布、组织致密和重复性好的复合材料。

实施例4：

本实施例是氧化铝颗粒增强镁基复合材料的制备。

(1)选区激光烧结用粉末材料的制备：将10μm氧化铝颗粒、10Vol％磷酸二氢铵、10％聚丙烯(PP)粉、20％聚苯乙烯(PS)粉、5％纯镁粉均匀混合配比，得到混合粉末，然后在混合粉末中添加下述填料：润滑剂：二硫化钼，分散剂：白炭黑，光吸收剂：炭黑；

(2)预制件的制备：采用选区激光烧结法，将添加了填料的混合粉末烧结预成形，再通过二次焙烧制备增强制备成Φ20mm×25mm预制件，工艺条件是：激光功率25W，扫描速度1500mm/s、铺粉层厚0.15mm、扫描间距0.2mm；预制体放置烧结炉中缓慢加热至700℃，后随炉冷却；

(3)复合材料的制备：采用真空变压铸渗法，即将预制件固定在高压容器中的加热器内，然后在预制件周围放置镁合金，对预制件和镁合金进行加热并保持真空状态，真空度小于50Pa，当镁合金温度达到为550℃后，停止抽真空，继续加热至750℃后，充入压缩空气，然后调节渗透压力，气氛压力分别为200Kpa5min，300Kpa10min，就可以得到增强体均匀分布、组织致密和重复性好的复合材料。

Claims (8)

1、一种基于选区激光烧结的颗粒增强金属基复合材料的近净成形制备方法，其特征在于：

(1)选区激光烧结用粉末材料的制备：将增强相颗粒粉末和粘接剂均匀混合配比，得到混合粉末；

(2)预制件的制备：采用选区激光烧结法，将混合粉末制备成可控增强体体积分数及任意复杂形状增强体的预制件；

(3)复合材料的制备：采用真空变压铸渗法，即将预制件固定在高压容器中的加热器内，然后在预制件周围放置基体金属，对预制件和基体金属进行加热并保持真空状态，当基体金属温度达到为500--1000℃后，停止抽真空，继续加热至600--2000℃后，充入压缩气体，然后调节渗透压力，就可以得到增强体均匀分布、组织致密和重复性好的复合材料。

2、如权利要求1所述的近净成形制备方法，其特征在于：所述增强相颗粒粉末为碳化物、氮化物、硼化物或氧化物的一种。

3、如权利要求2所述的近净成形制备方法，其特征在于：所述碳化物为碳化硅、碳化硼或碳化钨，氮化物为氮化硅、氮化铝或氮化钛，硼化物为硼化硅或硼化锆，氧化物为氧化铝或氧化锆。

4、如权利要求1所述的近净成形制备方法，其特征在于：所述粘接剂为常规无机粘接剂、常规低熔点金属粉末粘接剂中的一种或常规无机粘接剂与常规低熔点金属粉末粘接剂的混合物或常规无机粘接剂与常规有机粘接剂的混合物或常规低熔点金属粉末粘接剂与常规有机粘接剂的混合物或常规无机粘接剂、常规有机粘接剂、常规低熔点金属粉末粘接剂的混合物。

5、如权利要求4所述的近净成形制备方法，其特征在于：所述常规低熔点金属粉末粘接剂为纯铝粉或纯镁粉，所述常规无机粘接剂为磷酸二氢铵或磷酸铝，所述常规有机粘接剂为聚苯乙烯粉或聚丙烯粉。

6、如权利要求1所述的近净成形制备方法，其特征在于：所述预制件的制备是采用低熔点金属粉末作为预制件粘接剂激光选区烧结直接一次成形或是采用激光选区烧结预成形，再通过二次焙烧制备增强体预制件。

7、如权利要求1所述的近净成形制备方法，其特征在于：所述基体金属为铝、镁、铜、钛、镍或其合金。

8、如权利要求1所述的近净成形制备方法，其特征在于：所述压缩气体为压缩空气、氮气或氩气。

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