[發(fā)明專利]一種金屬增韌陶瓷基復合材料零件增材制備方法

有效

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• 申請日: 2016-07-07
• 公開（公告）號: CN106216672B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發(fā)明（設計）人: 顧德陽
• 申請（專利權）人: 四川天塬增材制造材料有限公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00
• 代理公司: 北京東方昭陽知識產權代理事務所(普通合伙)11599
• 代理人: 陳世明

技術領域

本發(fā)明涉及復合材料增材制造成形技術領域，尤其涉及一種金屬增韌陶瓷基復合材料零件增材制備方法。

背景技術

陶瓷材料通常都具有很高的硬度，非常適合于制造成機械零件。但是，它們又都有著一個重大的缺陷，即它們都有著很高的脆性，這使得它們很少被制造成機械零件。如果利用加入金屬作為第二相來使得材料得到增韌，則問題可以獲得解決。同軸送粉激光熔覆(LCD)是一種可以制造較大機械零件的增材制造技術。進行激光同軸送粉熔覆時，激光束、粉末輸送、保護氣體供給同步進行，可有效地提高熔覆層的質量和粉末利用率。然而，對于陶瓷材料，由于其脆性較高，并且有關的研究尚不多，因此，提出一種能夠克服上述缺陷的制備方法具有重要的研究意義。

發(fā)明內容

針對現有技術中將金屬與陶瓷材料相結合的制備方法存在的不足，本發(fā)明的目的在于：提供一種金屬增韌陶瓷基復合材料零件增材制備方法，該方法具有成形零件內應力極小、綜合性能強，綜合成本低、成形件重量輕，表面光滑，能夠滿足使用要求、提高其使用壽命等優(yōu)點。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案實現：

一種金屬增韌陶瓷基復合材料零件增材制備方法，其特征在于，該制備方法包括如下步驟：

1)首先進行Bi-Sn顆粒增韌陶瓷基復合材料的材料設計，確定陶瓷主材，其中陶瓷主材包括SiO2、Al2O3、Si3N4、TiC、TiN、TiC+TiN、h-NB、WC、長石、石英中任一種或其組合；

2)確定陶瓷基材的種類以及顆粒的準備，根據成形件的性能要求，確定采用何種陶瓷材料作為主料，其中陶瓷顆粒的粒徑為30-300μm，將其顆粒放置于設置在增材制造機床的送粉器中，并進行烘干保溫處理，保溫時的溫度為800-1000℃，留作備用；

3)采用霧化法Bi-Sn合金制備的顆粒，該合金顆粒的粒徑為30-300μm，將其加熱熔化至液態(tài)，熔化溫度為139-232℃，將液態(tài)的Bi-Sn合金顆粒放置于設置在增材制造機床的激光器噴頭附近的液態(tài)合金噴頭中保溫，留作備用，保溫時的溫度為80-100℃；

4)在計算機上利用CAD三維制圖軟件對金屬件的STL三維模型進行切片分層處理，增材制造工藝參數輸入至計算機中，層厚為0.3-3mm；計算機控制系統(tǒng)控制3D打印機的噴頭在X、Y、Z三軸上運動，運動軌跡與每個切片分層圖形一致；

5)計算機控制系統(tǒng)控制3D打印機送粉器送粉，啟動激光器和惰性氣體保護氣體供氣裝置，對該步驟中的逐層切片分層進行成形，獲得成形件，材料輸送包括工控機控制陶瓷材料粉末的送粉量以及液態(tài)Bi-Sn合金的送液量，兩者匹配以達到材料設計的成分要求，啟動激光器進行陶瓷材料的選區(qū)熔化或者熔覆，過程中采用惰性氣體保護，進行逐層加工，將液態(tài)Bi-Sn合金噴射到激光器的焦點附近，使其與熔融的陶瓷材料混合；其中，激光器的具體參數為：功率P＝400-10000W，光斑直徑D＝2-8mm，掃描速度V＝2-3m/min，搭接率為30-40％，液態(tài)合金的加壓噴射速率為50-200m/s，噴射的液滴直徑范圍為10-30μm，液態(tài)合金與陶瓷粉末的質量百分比為10-30％；

6)對上述步驟5)中的成形件進行無損檢測，其中該無損檢測的方法包括：掃描路徑下成形材料熔化與凝固時的物理性狀觀察；掃描過程中溫度場和殘余應力場的三維分析與顯示；陶瓷粉末熔化與凝固過程仿真，以及預測成形件的機械性能；進行成形件機械性能綜合檢測，同時與仿真結果進行對比；

7)完成上述步驟6)后，對金屬成形件進行后處理得到最終金屬成形件，后處理包括噴砂處理和/或拋光處理，使成形件的精度和表面粗糙度達到設計要求。

作為上述方案的進一步優(yōu)化，上述步驟5)中所述陶瓷粉末的送粉方式采用同軸正向送粉方式或者采用非同軸側向送粉方式進行送粉。

作為上述方案的進一步優(yōu)化，上述步驟5)中的激光器為二氧化碳激光器或者光纖激光器；惰性氣體采用氮氣或者氬氣。

作為上述方案的進一步優(yōu)化，上述步驟1)中所述的采用增韌金屬材料還包括Co、Al、Mn、Zn或者Cr。