一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法技术

一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法，本发明专利技术涉及3D打印焊接制造方法。本发明专利技术要解决陶瓷金属异质结构复杂形状成型困难，且金属与陶瓷材料钎焊形成的焊接结构件接头存在较大应力的问题。方法：一、三维模型建立；二、Si

Ceramic metal heterogeneous structure 3D printing welding manufacturing method

The invention relates to a method for manufacturing a ceramic metal heterogeneous structure 3D printing welding, which relates to a 3D printing welding manufacturing method. The invention solves the difficult problem of complicated forming of the ceramic and metal hetero structure, and the stress of the welded structure joint formed by brazing the metal and the ceramic material. Methods: 1. Establishment of 3D model; two, Si

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法
本专利技术涉及3D打印焊接制造方法。
技术介绍
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。3D冷打印技术用低粘度、高固含量的金属粉末料浆来代替3D打印的原材料，把这种料浆当做打印的“墨水”，在室温或低温条件下实现金属零件坯体的逐层打印。熔焊3D打印技术是将焊接方法与计算机辅助设计结合起来的一种加工技术，即用计算机提供的三维数据来控制焊接设备，然后通过分层扫描和堆焊的方法来制造金属元件。3D打印技术可以实现结构优化，适合于复杂形状零件的制造，也适合于难加工材料的制造，由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形。模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。
技术实现思路
本专利技术要解决陶瓷金属异质结构复杂形状成型困难，且金属与陶瓷材料钎焊形成的焊接结构件接头存在较大应力的问题，并且提高接头界面结合强度的问题，而提供一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法是按以下步骤进行：一、三维模型建立：通过AutoCAD软件建立零件结构的三维模型，模型经分层切片处理，设定打印层厚度为0.5mm～1mm，打印时，浆料喷头与引发剂喷头的移动速度为20mm/s～50mm/s，将数据传输到3D冷打印设备中；二、Si3N4陶瓷料浆的制备：将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液A，向预混液A中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Si3N4陶瓷粉末混合搅拌，再加入Al2O3，在N2气氛下球磨20h，得到Si3N4陶瓷料浆；所述的Si3N4陶瓷料浆中Si3N4陶瓷粉末的固相体积分数为40％～50％；所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量分数为25％～28％的氨水与预混液A的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液A的质量比为(0.1～0.3):100；所述的Al2O3与Si3N4陶瓷粉末的质量比为(2～5):100；三、Ti金属料浆的制备：将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液B，向预混液B中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Ti金属粉末混合搅拌，在N2气氛下球磨20h，得到Ti金属料浆；所述的Ti金属料浆中Ti金属粉末的固相体积分数为40％～60％；所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量分数为25％～28％的氨水与预混液B的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液B的质量比为(0.1～0.3):100；四、引发剂的制备：将偶氮二异丁基脒盐酸盐与水混合，得到质量百分数为20％～30％的引发剂水溶液；五、输送浆料及打印：保持Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆的温度为50℃～60℃，采用两套送料系统分别输送Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆至同一浆料喷头中，采用另一套送料系统输送引发剂水溶液至引发剂喷头，且浆料喷头与引发剂喷头同时输送，设输送Si3N4陶瓷料浆系统的流速V1及输送Ti金属料浆系统的流速V2，且V1＝V2，V1及V2恒定，设浆料喷头的挤出体积流量为Q，设Si3N4陶瓷料浆输送体积流量为Q1，设输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，设Ti金属料浆输送体积流量为Q2，设输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，Q＝Q1+Q2，保持Q恒定，设引发剂喷头的挤出体积流量为Q3，Q:Q3＝1:(0.05～0.3)；室温下，由陶瓷打印开始，保持Q1＝Q，Q2＝0，直至打印至陶瓷与金属的过渡区域，在V1恒定的条件下，通过改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，通过改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1＝Q2时，在Q1＝Q2的条件下，保持200s～300s，保持后，在V1恒定的条件下，继续以改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1降低至0，Q2增大至Q时，然后以Q2＝Q的速度打印Ti金属，直至一层打印完成；六、逐层打印：在室温条件下，按步骤五逐层打印成零件坯体，得到3D冷打印坯体；七、烧结：将3D冷打印坯体干燥，然后在温度为600℃下脱脂，再在温度为1550℃～1650℃下进行烧结2h，最后以冷却速度为8℃/min冷却至室温，得到陶瓷金属异质结构件；八、GMAW3D打印焊接：将陶瓷金属异质结构件待焊接部位预热至温度为200℃，在预热后的待焊接部位利用GMAW3D打印焊接技术确定预定轨迹，并进行3D打印焊接，采用直径为1mm的铝焊丝，采用脉动送丝的方式，焊接电流范围为80A～120A，保护气体为Ar与CO2的混合气体，通过运动控制，将铝焊丝熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，得到完整的陶瓷金属异质结构；保护气体中Ar占混合气体体积分数的85％，保护气体中CO2占混合气体体积分数的15％；九、去应力处理：将完整的陶瓷金属异质结构加热至温度为300℃～400℃，并在温度为300℃～400℃的条件下，保温2h，随后随炉缓慢冷却至室温，即完成陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造技术，可以实现任意复杂结构零件的制造，可以解决陶瓷材料硬而脆使其加工成型困难的问题。2、本专利技术中采用的3D冷打印技术，直接在常温或低温下成形，成形后坯体再经干燥、脱脂和烧结得到致密结构件，是一种新型的易实现、高效率、低成本的3D打印技术。3、通过接头界面附近陶瓷材料与金属材料的逐渐过渡，能够提高陶瓷与金属的结合强度。4、陶瓷及其金属过渡部分结构在冷打印过程和整体烧结过程中，释放部分结构应力，有效缓结构应力，以及整理去应力处理可更有效缓解结构应力。5、熔焊3D打印成形件具有很好的各向同性，在生产形状复杂单件或小批量零件时，具有经济、快速的优点，可及时发现设计和生产中的不足，并在极短的时间内改进，优化设计，提高产品质量。本专利技术用于一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法是按以下步骤进行：一、三维模型建立：通过AutoCAD软件建立零件结构的三维模型，模型经分层切片处理，设定打印层厚度为0.5mm～1mm，打印时，浆料喷头与引发剂喷头的移动速度为20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法，其特征在于一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法是按以下步骤进行：一、三维模型建立：通过Auto CAD软件建立零件结构的三维模型，模型经分层切片处理，设定打印层厚度为0.5mm～1mm，打印时，浆料喷头与引发剂喷头的移动速度为20mm/s～50mm/s，将数据传输到3D冷打印设备中；二、Si

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法，其特征在于一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法是按以下步骤进行：一、三维模型建立：通过AutoCAD软件建立零件结构的三维模型，模型经分层切片处理，设定打印层厚度为0.5mm～1mm，打印时，浆料喷头与引发剂喷头的移动速度为20mm/s～50mm/s，将数据传输到3D冷打印设备中；二、Si3N4陶瓷料浆的制备：将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液A，向预混液A中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Si3N4陶瓷粉末混合搅拌，再加入Al2O3，在N2气氛下球磨20h，得到Si3N4陶瓷料浆；所述的Si3N4陶瓷料浆中Si3N4陶瓷粉末的固相体积分数为40％～50％；所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量分数为25％～28％的氨水与预混液A的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液A的质量比为(0.1～0.3):100；所述的Al2O3与Si3N4陶瓷粉末的质量比为(2～5):100；三、Ti金属料浆的制备：将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液B，向预混液B中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Ti金属粉末混合搅拌，在N2气氛下球磨20h，得到Ti金属料浆；所述的Ti金属料浆中Ti金属粉末的固相体积分数为40％～60％；所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量分数为25％～28％的氨水与预混液B的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液B的质量比为(0.1～0.3):100；四、引发剂的制备：将偶氮二异丁基脒盐酸盐与水混合，得到质量百分数为20％～30％的引发剂水溶液；五、输送浆料及打印：保持Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆的温度为50℃～60℃，采用两套送料系统分别输送Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆至同一浆料喷头中，采用另一套送料系统输送引发剂水溶液至引发剂喷头，且浆料喷头与引发剂喷头同时输送，设输送Si3N4陶瓷料浆系统的流速V1及输送Ti金属料浆系统的流速V2，且V1＝V2，V1及V2恒定，设浆料喷头的挤出体积流量为Q，设Si3N4陶瓷料浆输送体积流量为Q1，设输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，设Ti金属料浆输送体积流量为Q2，设输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，Q＝Q1+Q2，保持Q恒定，设引发剂喷头的挤出体积流量为Q3，Q:Q3＝1:(0.05～0.3)；室温下，由陶瓷打印开始，保持Q1＝Q，Q2＝0，直至打印至陶瓷与金属的过渡区域，在V1恒定的条件下，通过改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，通过改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s...

【专利技术属性】
技术研发人员：何鹏，林铁松，陈倩倩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23