[發(fā)明專利]一種金屬基碳納米復(fù)合材料的激光制備裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410363212.6
• 申請日: 2014-07-28
• 公開（公告）號: CN104084583A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈俊;魏文猴;段宣明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105
• 代理公司: 北京同恒源知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬基碳納米復(fù)合材料成型技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種金屬基碳納米復(fù)合材料的激光制備裝置及方法。

背景技術(shù)

金屬基碳納米復(fù)合材料是由碳納米管、碳納米纖維、碳納米球等至少有一維尺度在100nm以內(nèi)的碳納米材料均勻地分布在金屬及合金基體中而成。金屬基碳納米復(fù)合材料兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)金屬/合金和碳納米材料兩者的優(yōu)良性能，具有密度低、強(qiáng)度高、韌性好、傳熱導(dǎo)電性能好、疏水性強(qiáng)、耐磨損等特點(diǎn)，在汽車、電子、機(jī)械、航空航天等高科技領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，是新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，金屬基碳納米復(fù)合材料的制備工藝主要有：化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)沉積法、放電等離子體燒結(jié)法、粉末冶金法、機(jī)械合金化-熱壓法、熔融固化法等。其中常用的金屬基體主要有：鋁基、銅基、鐵基、鎳基等。目前的制備工藝在制備金屬基碳納米復(fù)合材料方面周期長、效率低，質(zhì)量較差；且很難滿足產(chǎn)品外形個(gè)性化、復(fù)雜化、多樣化的要求；此外，金屬基體與碳納米材料之間的界面相互作用直接影響金屬基碳納米復(fù)合材料的性能，大多數(shù)金屬基體與碳納米材料之間主要是物理接觸，極少有化學(xué)結(jié)合，很難形成牢固的結(jié)合界面，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的電、熱、力學(xué)等性能較差；碳納米材料具有納米量級的尺度，比表面積大，比表面能高，極易發(fā)生纏繞團(tuán)聚，不易均勻、彌散地分散在金屬基體中，影響碳納米管的增強(qiáng)效果。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于此，本發(fā)明提供一種金屬基碳納米復(fù)合材料的激光制備裝置，該裝置通過數(shù)控系統(tǒng)對鋪粉器、激光器、調(diào)溫器等進(jìn)行集中控制，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明制備金屬基碳納米復(fù)合材料周期短、效率高，精度高、性能好，同時(shí)本發(fā)明還提供一種

為達(dá)到上述目的之一，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種金屬基碳納米復(fù)合材料的激光制備裝置，其特征在于：包括數(shù)控系統(tǒng)1、真空成型室7和升降系統(tǒng)13，所述真空成型室7內(nèi)設(shè)置有工作頭3和基板14；所述真空成型室7外設(shè)置有送粉器2、碳源氣體發(fā)生器11、激光器4和激光傳輸裝置5；所述送粉器2控制工作頭3將金屬粉末鋪設(shè)于基板14上；所述激光器4發(fā)出激光束經(jīng)激光傳輸裝置5對金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)；所述碳源氣體生發(fā)器11在用在激光束對金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)時(shí)通入碳源氣體；所述升降系統(tǒng)13用于控制基板14的上升或下降；所述數(shù)控系統(tǒng)1分別與激光器4、送粉器2和碳源氣體發(fā)生器11連接。

本發(fā)明的裝置中，其數(shù)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制激光開關(guān)、激光種類、激光功率、金屬基體種類(銅、鎳、鐵等)、活性元素源、鋪粉層厚、碳源種類、碳納米材料含量、預(yù)熱溫度、掃描振境的聚焦位置、掃描速度、掃描間距、掃描策略等重要工藝參數(shù)。

進(jìn)一步，還包括調(diào)溫器12和與調(diào)溫器連接的溫度補(bǔ)償裝置15，所述調(diào)溫器12與數(shù)控系統(tǒng)1連接，所述調(diào)溫器12用于控制溫度補(bǔ)償裝置15對激光燒結(jié)區(qū)進(jìn)行工作溫度補(bǔ)償和有效控制；所述溫度補(bǔ)償裝置圍繞著激光燒結(jié)區(qū)鋪設(shè)在基板14上。

進(jìn)一步，還包括有設(shè)置在真空成型室7上的進(jìn)氣口8和出氣口9。

進(jìn)一步，所述出氣口9與尾氣處理裝置10連接。

為達(dá)到上述目的之二，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種金屬基碳納米復(fù)合材料的激光制備方法，具體包括以下步驟：

步驟(1).建立零部件的三維模型，并進(jìn)行分層離散，生成掃描路徑數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)控系統(tǒng)中；

步驟(2).先對真空成型室抽真空，然后向真空成型室內(nèi)注入惰性氣體，控制成型室內(nèi)的氧濃度在一定濃度范圍內(nèi)；

步驟(3).送粉器向真空成型室內(nèi)送入金屬粉末，鋪設(shè)一層金屬粉末到基板上，同時(shí)將多余的金屬粉末回收；

步驟(4).按照預(yù)設(shè)的圖形數(shù)據(jù)，激光束掃描金屬粉末，在金屬粉末的加工平面上形成聚焦光斑，熔化金屬粉末形成零件單層截面；同時(shí)碳源氣體發(fā)生器通入碳源氣體，其通過高溫區(qū)域時(shí)，被熱解并催化生成各類碳納米結(jié)構(gòu)材料，所述碳納米結(jié)構(gòu)材料與融化凝固過程中的金屬基體進(jìn)行復(fù)合，以形成金屬基碳納米復(fù)合材料；

步驟(5).根據(jù)步驟(1)生成的掃描路徑，重復(fù)步驟(3)～(5)，通過逐層燒結(jié)的方法實(shí)現(xiàn)金屬基碳納米復(fù)合材料的三維加工，獲得成型的金屬基碳納米復(fù)合零部件。

進(jìn)一步，金屬粉末在預(yù)置到基板前先使用加熱器預(yù)熱。

進(jìn)一步，步驟(4)與步驟(5)之間還包括步驟(41)；所述步驟(41)具體為：利用紅外測溫儀測試激光燒結(jié)區(qū)工作溫度，并通過調(diào)溫器控制溫度補(bǔ)償裝置對激光燒結(jié)區(qū)進(jìn)行工作溫度補(bǔ)償和有效控制。

進(jìn)一步，所述金屬粉末中包含有Ti、Ni等活性元素。

由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：