一种复杂形状陶瓷基复合材料零件及其制备方法技术

本发明专利技术属于先进复合材料制备研究领域，特别提供一种复杂形状陶瓷基复合材料零件及其制备方法。该方法首先将陶瓷粉末和硬质合金粉末按照比例均匀混合，在混合粉末表面包覆均匀的乙烯

【技术实现步骤摘要】
一种复杂形状陶瓷基复合材料零件及其制备方法


[0001]本专利技术属于先进复合材料制备研究领域，特别提供了一种复杂形状陶瓷基复合材料零件及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳化硅陶瓷具有低密度、高强度、耐高温、热膨胀系数小和抗热震性等特点，被认为是理想的结构材料之一，目前已经被广泛应用于现代国防、核能等领域。但由于C和Si原子键之间的共价性强，导致碳化硅陶瓷材料脆性大、韧性低和抗冲击性能差等，严重的限制了它的应用范围。在碳化硅陶瓷中引入第二相颗粒可以达到增强韧性的目的，引入的第二相颗粒通常是已经制备完成的增强相。第二相增韧陶瓷可以有效改善陶瓷基体的机械性能，并且制备成本较低、工艺较为简单，因此，对碳化硅陶瓷材料的补强增韧刻不容缓。
[0003]增材制造(3D打印)技术作为新兴技术，结合计算机数字化模拟和控制，对材料进行逐层累加，从而实现三维复杂结构零件的制造。相比传统的减材制造技术，增材制造技术实现了零件的快速制造，具有制造周期短、近净成形、材料利用率高、自动化程度高等优点，非常适合制造单件或小批量的较大尺寸零件。相对于其他增材制造技术，选择性激光烧结技术具有成形材料选择多、制造工艺简单、无需设计和构建支撑、材料利用率高等优势，因此被广泛地应用在制备不同用途的烧结件上，包括功能零件、模具等。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在开发一种复杂形状陶瓷基复合材料零件及其制备方法，制备得到的合金零件具有高精度、高致密度、烧结变形小、机械性能优异等优点。
[0005]本专利技术首先将陶瓷粉末和合金粉末按照一定的比例均匀混合，在混合粉末表面包覆一层均匀的乙烯
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醋酸乙烯酯共聚物得到改性粉末，在改性粉末表面再包覆一层聚苯乙烯得到PS/EVA双覆膜粉末，进一步整形得到高球形度的双覆膜粉末。随后以得到的球形PS/EVA双覆膜粉末作为粉末床，采用低功率热源进行选择性扫描，将粉末表面的粘结剂熔融，达到粘结粉末的目的，逐层打印得到打印坯体。最后进行脱脂、烧结处理，制备得到具有复杂形状的最终零件。
[0006]因此，本专利技术提供一种制备复杂形状陶瓷基复合材料零件的方法，所述方法包括如下步骤：a、原料粉末混合：陶瓷粉末和硬质合金粉末按照一定的比例均匀混合后获得原料粉末；b、改性粉末的制备：将步骤a得到的混合粉末与乙烯
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醋酸乙烯酯共聚物的有机溶剂混合均匀，搅拌加热反应，反应完成后烘干研磨过筛获得改性粉末；c、PS/EVA双覆膜粉末制备：将步骤b得到的改性粉末均匀地分散在乙醇溶液中，加入苯乙烯、引发剂、石蜡，搅拌加热反应，反应完成后烘干研磨筛分获得PS/EVA双覆膜粉末；d、PS/EVA双覆膜粉末整形：将步骤c得到的形状不规则的双覆膜粉末进行悬浮式整形处理，获得具有高球形度的粉末；e、PS/EVA双覆膜粉末的低温打印：将步骤d得到的球形双覆膜粉末作为粉末床，进行低温打印，获得具有复杂形状的打印坯体；f、复杂形状打印坯体的脱脂和烧结：将步骤d得到的打
印坯体通过进行和烧结处理，获得具有高致密度、复杂形状的陶瓷基复合材料零件。
[0007]在一种具体的实施方式中，步骤a中，陶瓷粉末的平均粒径为10
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100μm，优选40
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60μm。
[0008]在一种具体的实施方式中，步骤a中，硬质合金粉末的平均粒径为5
‑
48μm。
[0009]在一种具体的实施方式中，步骤a中，陶瓷粉末与硬质合金粉末的质量比为(2
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10):1，优选(2.86
‑
6.67):1。
[0010]在一种具体的实施方式中，步骤a中，使用的陶瓷粉末可以为碳化硅、氮化硅、碳化钛、氮化硼。
[0011]在一种具体的实施方式中，步骤b中，有机溶剂为甲苯，乙烯
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醋酸乙烯酯共聚物与混合粉末的质量比为(0.58
‑
1):31。由于甲苯有毒性，应该将混合粉末、EVA加入到盛有甲苯的密闭容器中，通入保护气体氦气，将甲苯收集装置与密闭容器相连，甲苯挥发后通过收集装置收集。
[0012]在一种具体的实施方式中，步骤b中，混合粉末加入EVA的有机溶剂中，搅拌升温至45
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55℃保温1
‑
5h。
[0013]在一种具体的实施方式中，步骤c中，苯乙烯与改性粉末的质量比为(0.83
‑
1):18，石蜡与混合粉末的质量比为(0.33
‑
1):37，引发剂与苯乙烯的质量比为1:190
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210。
[0014]在一种具体的实施方式中，步骤c中，引发剂为过氧化二苯甲酰，石蜡为粘结剂辅助脱除剂，改性粉末乙醇溶液中加入苯乙烯、引发剂、石蜡，搅拌升温至70
‑
80℃保温6
‑
10h。
[0015]在一种具体的实施方式中，步骤d中，悬浮式整形处理温度为60
‑
120℃，处理时间为12
‑
48小时。
[0016]在一种具体的实施方式中，步骤e中，激光器功率为10
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50W，铺粉厚度为150
‑
250μm，扫描速度为400
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1200mm/s。
[0017]在一种具体的实施方式中，步骤f中，烧结分不同阶段进行，先在1000
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1200℃下进行低温预烧结处理，保温时间为5
‑
10小时，然后在1300
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1500℃进行烧结致密化，保温时间为1
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5小时，烧结气氛为氢气。
[0018]本专利技术的优点：
[0019]1、本专利技术不需要使用球形陶瓷粉末，制备的球形PS/EVA双覆膜粉末可直接应用于低温打印。双覆膜粉末具有良好的流动性以及堆积密度，可以满足3D打印的要求，最终零件机械性能优异、成形精度高；
[0020]石蜡为粘结剂辅助脱除剂。
[0021]2、通过“低温预烧结+高温致密化”分阶段烧结工艺的设计，有效地控制了烧结过程中打印坯体的孔隙分布，可以获得具有均匀细晶组织的高致密度零件，致密度可以达到90％
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95％；抗拉强度大于等于600MPa，屈服强度大于等于300MPa。
[0022]3、本专利技术可设计强，是一种低成本的近净成形技术，可以用来制备复杂形状的高精度零件。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的一种制备复杂形状陶瓷基复合材料零件的方法工艺流程图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明。
[0025]如图1所示，本专利技术一种制备复杂形状陶瓷基复合材料零件的方法，所述方法将陶瓷粉末和硬质合金粉末均匀混合后包覆一层乙烯
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醋酸乙烯酯共聚物，再包覆一层均匀的聚苯乙烯；然后通过悬浮式整形得到高球形度的PS/EVA双覆膜粉末，以球形双覆膜粉末作为粉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备复杂形状陶瓷基复合材料零件的方法，其特征在于，该方法将陶瓷粉末和硬质合金粉末均匀混合后，在混合粉末表面包覆共聚物获得改性粉末，在改性粉末表面再包覆聚苯乙烯获得PS/EVA双覆膜粉末，整形处理获得高球形度双覆膜粉末，以高球形度PS/EVA双覆膜粉末作为粉末床进行低温打印，将得到的打印坯体脱脂和烧结处理后得到具有复杂形状的陶瓷基复合材料零件。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：S1)将陶瓷粉末和硬质合金粉末按照一定的比例均匀混合后得到混合粉末；S2)将步骤S1)得到的混合粉末加入乙烯
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醋酸乙烯酯共聚物的有机溶液中，搅拌加热反应完成后烘干、研磨筛分获得改性粉末；S3)将步骤S2)得到的改性粉末均匀地分散在乙醇溶液中，加入苯乙烯、引发剂和石蜡，搅拌加热反应完成后烘干、研磨筛分获得PS/EVA双覆膜粉末；S4)将步骤S3)得到的形状不规则的PS/EVA双覆膜粉末进行悬浮式整形处理，获得高球形度的双覆膜粉末；S5)将步骤S4)得到的高球形度PS/EVA双覆膜粉末作为粉末床，进行低温打印，获得形状复杂的打印坯体；S6)将步骤S5)得到的打印坯体进行脱脂和烧结处理，获得具有高致密度、复杂形状的陶瓷基复合材料零件。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1)中陶瓷粉末的平均粒径为10
‑
100μm，硬质合金粉末的平均粒径为5
‑
48μm，陶瓷粉末与硬质合金粉末的质量比为2
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10:1。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1)中陶瓷粉末的平均粒径为40
‑
60μm，硬质合金粉末的平均粒径为8
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40μm，陶瓷粉末与硬质合金粉末的质量比为(2.86
‑
6.67):1。5.根据权利要求2所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张百成，赵琛，蔡嘉伟，章林，曲选辉，张茂航，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：