[發明專利]一種金屬基金剛石復合材料及其零部件的3D打印制造方法

在審

• 申請號: 201710059263.3
• 申請日: 2017-01-24
• 公開（公告）號: CN106825568A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 楊展;季憲泰;周燕;段隆臣;文世峰;譚松成
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F3/24;C22C26/00;B22F1/00;B33Y10/00;B33Y70/00
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司42238
• 代理人: 曹雄,郝明琴

技術領域

本發明涉及制造技術領域，尤其涉及一種金屬基金剛石復合材料及其零部件的3D打印制造方法。

背景技術

金屬基復合材料已有幾十年的發展歷史，由于其兼有金屬的塑性和韌性以及增強體陶瓷的高強度和高剛度，且比重小，因此，被廣泛應用于探礦、機械、航天航空等領域。金剛石由于其具有高熱導率、高楊氏模量以及低的線膨脹系數，突出的比模量，將其作為增強體加入金屬基材中，能顯著提高基材的硬度、耐磨性、熱導率、降低基材的熱膨脹系數，在金屬結構及功能材料方面有著廣泛的應用前景。

目前，制備金剛石/金屬基復合材料的主要方法可分為固態成形法和液態成形法兩大類。常用制備技術主要包括粉末冶金法、放電等離子燒結法(SPS)、液相浸滲法。但采用常規方法研制出的金屬基金剛石復合材料屬于“假合金”材料，其對金剛石的包鑲以機械包鑲為主，包鑲的牢固度低，影響復合材料的質量。其次，常規方法為了獲得高硬度、高耐磨性的金屬基金剛石復合材料，必須采用較高含量的碳化鎢等人造硬質材料，熱壓溫度較高(980～1020℃)、壓力較大(18～25MPa)，功率消耗大，對設備要求高。再之，采用常規方法制造金屬基金剛石復合材料，其結構比較單一，難以制作結構復雜的產品，且工作效率低；有些設計合理而科學的結構形式，卻往往由于裝料困難、效率低或質量不過關而不為生產單位接受，難以推廣應用。

發明內容

有鑒于此，本發明的實施例提供了一種硬度高，耐磨性強，避免使用碳化鎢等硬質材料的金屬基金剛石復合材料及其零部件的3D打印制造方法。

本發明的實施例提供一種金屬基金剛石復合材料，由以下體積比的原料制成：金剛石為2％～30％，其余為金屬粉末；

所述金屬粉末為球形或近球形，所述金屬粉末的粒徑為15μm～65μm，所述金剛石的品級在SMD₃₀型以上，所述金剛石的粒度為35目～180目。

進一步，所述金屬粉末為鐵-鎳-鈷預合金粉末、釬焊預合金粉末和銅-錫預合金粉末中的一種或多種。

一種金屬基金剛石復合材料及其零部件的3D打印制造方法，包括以下步驟：

(1)將金屬粉末與金剛石按上述體積比經球磨機混合均勻；

(2)在計算機上建立零部件的三維模型，并將零部件的三維模型導入到3D打印控制軟件中；

(3)步驟(1)得到的均勻混合料在由控制軟件控制的激光選區熔化設備中的基板上成形；

(4)將步驟(3)得到的成形零部件連同基板一并取出，并對成形零部件和基板進行去應力退火處理；

(5)將經過步驟(4)處理的成形零部件和基板進行切割分離，即得到金屬基金剛石復合材料零部件。

進一步，所述步驟(1)中，金屬粉末與金剛石在保護氣氛中通過球磨機進行機械混料。

進一步，所述步驟(2)中，建立的零部件三維模型轉化為STL格式后導入到3D打印控制軟件中。

進一步，所述步驟(3)中，混合料先送入激光選區熔化設備的送料裝置中，并對成型腔抽真空，通入保護氣體，然后將混合料輸送至成型腔的基板上，在基板上成形零部件。

進一步，激光選區熔化設備的成形參數為：激光功率150W～250W，掃描速度200mm/s～1000mm/s，掃描間距0.06mm～0.08mm，鋪粉厚度0.2mm～0.5mm。

進一步，所述保護氣體為氮氣或氬氣。

進一步，所述步驟(4)中，對成形的金屬基金剛石復合材料零部件進行去應力退火處理，以調控其性能，去應力退火處理參數為：退火溫度為200℃～400℃，退火時間為2h～6h。

進一步，所述步驟(4)中，成形零部件和基板通過線切割進行切割分離。

與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：

(1)本發明的金屬基金剛石復合材料硬度大，耐磨性強；

(2)本發明的金屬基金剛石復合材料有利于二次開發終端產品，例如：金剛石鉆頭、金剛石擴孔器與金剛石穩定器，廣泛用于地質勘探、石油鉆井和地質災害防治等領域；

(3)本發明基于3D打印技術，成形金屬基金剛石復合材料及其零部件的制造方法；成形金屬基金剛石復合材料及其零部件的方法是采用3D打印技術與方法，而非其它常規方法；