[發明專利]一種陶瓷金屬異質結構3D打印焊接制造方法

有效

• 申請號: 201710088219.5
• 申請日: 2017-02-17
• 公開（公告）號: CN106825545B
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發明（設計）人: 何鵬;林鐵松;陳倩倩
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;B22F3/22;B22F3/10;B22F3/24;C04B35/584;C04B37/02;B28B1/00;B33Y10/00;B33Y50/02;B33Y70/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 李紅媛

1.一種陶瓷金屬異質結構3D打印焊接制造方法，其特征在于一種陶瓷金屬異質結構3D打印焊接制造方法是按以下步驟進行：

一、三維模型建立：

通過Auto CAD軟件建立零件結構的三維模型，模型經分層切片處理，設定打印層厚度為0.5mm～1mm，打印時，漿料噴頭與引發劑噴頭的移動速度為20mm/s～50mm/s，將數據傳輸到3D冷打印設備中；

二、Si₃N₄陶瓷料漿的制備：

將丙烯酰胺、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺溶解于去離子水中，得到預混液A，向預混液A中加入質量百分數為25％～28％的氨水和異辛醇，然后加入Si₃N₄陶瓷粉末混合攪拌，再加入Al₂O₃，在N₂氣氛下球磨20h，得到Si₃N₄陶瓷料漿；

所述的Si₃N₄陶瓷料漿中Si₃N₄陶瓷粉末的固相體積分數為40％～50％；

所述的N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的質量比為(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺與去離子水的質量比為(20～30):100；所述的質量百分數為25％～28％的氨水與預混液A的質量比為(0.4～1.0):100；所述的異辛醇與預混液A的質量比為(0.1～0.3):100；所述的Al₂O₃與Si₃N₄陶瓷粉末的質量比為(2～5):100；

三、Ti金屬料漿的制備：

將丙烯酰胺、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺溶解于去離子水中，得到預混液B，向預混液B中加入質量百分數為25％～28％的氨水和異辛醇，然后加入Ti金屬粉末混合攪拌，在N₂氣氛下球磨20h，得到Ti金屬料漿；

所述的Ti金屬料漿中Ti金屬粉末的固相體積分數為40％～60％；

所述的N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的質量比為(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺與去離子水的質量比為(20～30):100；所述的質量百分數為25％～28％的氨水與預混液B的質量比為(0.4～1.0):100；所述的異辛醇與預混液B的質量比為(0.1～0.3):100；

四、引發劑的制備：

將偶氮二異丁基脒鹽酸鹽與水混合，得到質量百分數為20％～30％的引發劑水溶液；

五、輸送漿料及打印：

保持Si₃N₄陶瓷料漿及Ti金屬料漿的溫度為50℃～60℃，采用兩套送料系統分別輸送Si₃N₄陶瓷料漿及Ti金屬料漿至同一漿料噴頭中，采用另一套送料系統輸送引發劑水溶液至引發劑噴頭，且漿料噴頭與引發劑噴頭同時輸送，設輸送Si₃N₄陶瓷料漿系統的流速V₁及輸送Ti金屬料漿系統的流速V₂，且V₁＝V₂，V₁及V₂恒定，設漿料噴頭的擠出體積流量為Q，設Si₃N₄陶瓷料漿輸送體積流量為Q₁，設輸送Si₃N₄陶瓷料漿系統出口的截面積為S₁，設Ti金屬料漿輸送體積流量為Q₂，設輸送Ti金屬料漿系統出口的截面積S₂，Q＝Q₁+Q₂，保持Q恒定，設引發劑噴頭的擠出體積流量為Q₃，Q:Q₃＝1:(0.05～0.3)；室溫下，由陶瓷打印開始，保持Q₁＝Q，Q₂＝0，直至打印至陶瓷與金屬的過渡區域，在V₁恒定的條件下，通過改變輸送Si₃N₄陶瓷料漿系統出口的截面積S₁，使Q₁與時間的函數呈線性變化，S₁變化率為2mm²/s～5mm²/s，隨時間增加，Q₁降低，在V₂恒定的條件下，通過改變輸送Ti金屬料漿系統出口的截面積S₂，使Q₂與時間的函數呈線性變化，S₂變化率為2mm²/s～5mm²/s，隨時間增加，Q₂增大，當Q₁＝Q₂時，在Q₁＝Q₂的條件下，保持200s～300s，保持后，在V₁恒定的條件下，繼續以改變輸送Si₃N₄陶瓷料漿系統出口的截面積為S₁，使Q₁與時間的函數呈線性變化，S₁變化率為2mm²/s～5mm²/s，隨時間增加，Q₁降低，在V₂恒定的條件下，改變輸送Ti金屬料漿系統出口的截面積S₂，使Q₂與時間的函數呈線性變化，S₂變化率為2mm²/s～5mm²/s，隨時間增加，Q₂增大，當Q₁降低至0，Q₂增大至Q時，然后以Q₂＝Q的速度打印Ti金屬，直至一層打印完成；

六、逐層打印：

在室溫條件下，按步驟五逐層打印成零件坯體，得到3D冷打印坯體；

七、燒結：

將3D冷打印坯體干燥，然后在溫度為600℃下脫脂，再在溫度為1550℃～1650℃下進行燒結2h，最后以冷卻速度為8℃/min冷卻至室溫，得到陶瓷金屬異質結構件；

八、GMAW 3D打印焊接：

將陶瓷金屬異質結構件待焊接部位預熱至溫度為200℃，在預熱后的待焊接部位利用GMAW 3D打印焊接技術確定預定軌跡，并進行3D打印焊接，采用直徑為1mm的鋁焊絲，采用脈動送絲的方式，焊接電流范圍為80A～120A，保護氣體為Ar與CO₂的混合氣體，通過運動控制，將鋁焊絲熔化后的液態金屬按照預定的軌跡堆積凝固成形，得到完整的陶瓷金屬異質結構；

保護氣體中Ar占混合氣體體積分數的85％，保護氣體中CO₂占混合氣體體積分數的15％；

九、去應力處理：

將完整的陶瓷金屬異質結構加熱至溫度為300℃～400℃，并在溫度為300℃～400℃的條件下，保溫2h，隨后隨爐緩慢冷卻至室溫，即完成陶瓷金屬異質結構3D打印焊接制造方法。