[發明專利]一種鋁基碳化硅顆粒增強復合材料及其構件的成型裝置及方法

有效

• 申請號: 201310694934.5
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN103695681A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 周朝輝;舒陽會
• 申請（專利權）人: 湖南航天工業總公司
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C21/00;C22C29/06;C22C32/00;B22F3/105
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 郭立中

技術領域

本發明屬于金屬基復合材料的成型技術，具體涉及一種鋁基碳化硅顆粒增強復合材料及其構件的成型裝置及方法。

背景技術

在金屬基復合材料中，鋁基碳化硅顆粒增強復合材料具有高導熱性、低密度、與芯片相匹配的熱膨脹系數，以及高硬度和高抗彎強度等特點，被廣泛應用于電子封裝和精密儀器關鍵部件的制造。目前鋁基碳化硅顆粒增強復合材料的成型方法主要包括粉末冶金、攪拌鑄造、壓力鑄造及噴射沉積四種方法。粉末冶金法存在工藝繁瑣、成本高、產品形狀受限、內部組織不均勻等缺點；攪拌鑄造存在碳化硅顆粒易團聚、分布不均勻、攪拌過程易造成氣體進入而形成孔洞等缺點；壓力鑄造存在預制件易崩潰、金屬熔體不易充分滲入顆粒、成型工藝困難等缺點；噴射沉積存在碳化硅顆粒利用率低、工藝控制較復雜、沉積速度較慢、成本高等缺點。同時這四種方法制備的鋁基碳化硅顆粒增強復合材料需要進行二次加工，由于碳化硅顆粒硬度高，導致材料加工困難，成本高。

3D打印技術是近年發展起來的一種新的成型技術。中國專利申請CN201310044604.1公開了一種金屬增韌陶瓷基復合材料渦輪葉片的制備方法，將金屬3D打印技術、光固化快速成型技術、化學氣相沉積技術、凝膠注模成型技術相結合，制備金屬增韌陶瓷基復合材料渦輪葉片。中國專利申請CN201310132690.1公開了一種基于金屬3D打印的新型異種材料復合鑄造方法，異種材料均為金屬材料。上述二件專利均不適合用于陶瓷增韌金屬基復合材料及其構件的成型。中國專利申請CN201310288137.7公開了一種金屬零件的3D打印制造裝置及方法，該裝置包括加熱系統，且送粉缸位于成型缸上方。針對鋁基碳化硅顆粒增強復合材料的3D打印成型而言，所使用的粉末為碳化硅和鋁合金的混合粉末，采用上送粉方式容易導致鋪設于成型缸表面的混合粉末成分不均勻。同時由于鋁基碳化硅顆粒增強復合材料比鋁合金具有更高的彈性模量，抗變形能力強，在3D打印成型過程中可以承受更大的熱應力，所以可以不要對混合后的粉末進行加熱預熱。因此，針對鋁基碳化硅顆粒增強復合材料及其構件的成型技術，提出本發明。

發明內容

針對現有成型技術中存在的成型工藝復雜、內部組織疏松且不均勻、成本高、加工困難等問題，本發明提供一種鋁基碳化硅顆粒增強復合材料及其構件的成型裝置及方法。

為了達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

所述鋁基碳化硅顆粒增強復合材料及其構件的成型裝置包括激光系統、鋪粉系統、惰性氣氛系統和控制系統；所述成型裝置還包括封閉的工作腔，工作腔內設有成形缸，成形缸的上方設有向成形缸發射激光的激光系統，所述激光系統包括激光器、掃描振鏡和振鏡控制卡；所述成形缸一側設有送粉缸，另一側設有粉末回收缸，所述成形缸、送粉缸和粉末回收缸的上表面位于同一水平面；所述送粉缸上表面設有鋪粉系統，所述鋪粉系統包括鋪粉輥筒和驅動鋪粉輥筒在送粉缸、成型缸及粉末回收缸上表面往復運動的輥筒驅動裝置；所述成形缸和送粉缸下側均設有驅動缸體底板相對于缸體上下往復運動的缸體驅動裝置；所述工作腔一側與惰性氣氛系統連通，工作腔另一側與真空泵連通；所述控制系統包括計算機，該計算機分別通過數據線與振鏡控制卡、輥筒驅動裝置和缸體驅動裝置連接。當然，所述控制系統還包括對三維數字模型進行等厚度切片分層的軟件以及控制激光系統、鋪粉系統和工作腔內送粉缸和成型缸缸體底板運動的軟件。這些軟件的實現均為本領域常規技術手段。

其中，所述激光器為光纖激光器，激光器的激光輸出功率為200W～400W。所述掃描振鏡的掃描角度范圍為±20°。所述成形缸下側的缸體驅動裝置通過絲桿與成形缸底板連接；所述送粉缸下側的缸體驅動裝置通過絲桿與送粉缸底板連接。所述惰性氣氛系統為氬氣瓶。

上述成型裝置成型步驟為：首先把粉末材料裝入工作腔中的送粉缸內，然后關閉工作腔，啟動真空泵對工作腔抽真空，接著打開惰性氣體罐往工作腔通入惰性氣體。把所需成型零件的三維模型輸入控制系統，控制軟件生成指令通過數據線發送給激光系統及鋪粉系統和驅動缸體底板運動的驅動裝置。首先缸體底板驅動裝置根據指令降低成型缸底板高度并升高送粉缸底板高度，接著鋪粉系統驅動裝置根據指令驅動鋪粉輥筒在送粉缸、成型缸和粉末回收缸上表面滾動以推動送粉缸粉末均勻鋪設于成型缸表面，然后激光系統根據指令在成型缸表面快速掃描，使粉末發生燒結。按上述步驟逐層鋪粉，逐層激光燒結疊加方式完成零件的成型制造。

據此，本發明還提供了基于上述成型裝置的制造鋁基碳化硅顆粒增強復合材料及其構件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

（1）將鋁合金粉末和碳化硅粉末混合均勻；