一种陶瓷增强金属基复合材料及其增材制造方法技术

本发明专利技术属于多材料增材制造相关技术领域，其公开了一种陶瓷增强金属基复合材料及其增材制造方法，所述方法包括以下步骤：(1)将无机盐溶液均匀地沉积到金属基半成品上，所述金属基半成品是对铺设的金属基粉末进行激光烧结得到的；(2)对步骤(1)得到的金属基半成品进行加热，使得无机盐溶液受热分解而原位形成陶瓷相颗粒，进而得到陶瓷增强金属基复合材料。其中无机盐溶液中溶质是均匀溶解的，因而在受热分解时产生的陶瓷增强颗粒在整个金属基体上的分布是极为均匀的，相比目前的粉末冶金、增材制造方式，无需人工混合金属基粉末和陶瓷颗粒，避免了陶瓷颗粒的沉积和团聚，强化作用显著。著。著。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷增强金属基复合材料及其增材制造方法


[0001]本专利技术属于多材料增材制造相关
，更具体地，涉及一种陶瓷增强金属基复合材料及其增材制造方法。

技术介绍

[0002]陶瓷增强金属基复合材料，是以陶瓷颗粒作为增强相，通过工艺使其连续均匀分散到金属基体中成形的复合材料。陶瓷增强金属基复合材料具备金属的延展性和韧性，同时又表现出高的强度和刚度。常见的陶瓷增强相包括Al2O3、B4C、BeO、NbC、SiC、TaC、TiB、TiC、WC等，这些增强相与Al、Co、Ti、Fe、Cu、Mg、Ni等金属形成了多种金属基复合材料，广泛适用于航空航天、汽车领域中高负载、高磨损、高温环境中，成为重要的产业材料。
[0003]目前，常见的陶瓷增强金属基复合材料加工方法包括搅拌铸造法、粉末冶金法、挤压铸造法、喷射成形法等。但上述方式都存在一定的缺点，如搅拌铸造法容易造成陶瓷颗粒沉积和团聚，引入气孔；粉末冶金法成本较高，不适合加工形状复杂的零件；挤压铸造法难加工大尺寸零件等。近年来，增材制造技术的兴起，使得陶瓷增强金属基复合材料有了一个新的加工途径。增材制造能够满足复杂几何零件的自由成形，满足陶瓷增强金属基复合材料的加工需求。目前，通过增材制造加工零件的主要过程为：通过预先混合金属基粉末和陶瓷增强相颗粒，然后激光烧结成形。但在粉末混合的过程中，增强颗粒和金属基体之间的相容性、颗粒表面污染、表面化学处理过程、以及两种粉末能否充分混合，是否会造成颗粒沉积和团聚的现象，都是需要考虑的因素，这使得增材制造难以充分发挥增强相的优势。
[0004]综上所述，现有的陶瓷增强金属基复合材料缺乏一种高效快速的加工方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种陶瓷增强金属基复合材料及其增材制造方法，其在传统的粉末熔融技术基础上，通过引入无机盐溶液，而无机盐溶液受热分解原位形成陶瓷相颗粒，得到了陶瓷增强金属基复合材料。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法，所述方法包括以下步骤：
[0007](1)将无机盐溶液均匀地沉积到金属基半成品上，所述金属基半成品是对铺设的金属基粉末进行激光烧结得到的；
[0008](2)对步骤(1)得到的金属基半成品进行加热，使得无机盐溶液受热分解而原位形成陶瓷相颗粒，进而得到陶瓷增强金属基复合材料。
[0009]进一步地，得到陶陶瓷相颗粒后进行整体烧结，使得陶瓷颗粒进一步弥散分布，以得到所述陶瓷增强金属基复合材料。
[0010]进一步地，整体烧结温度选择800℃
‑
1000℃。
[0011]进一步地，无机盐溶液为Al2(SO4)3溶液、饱和Mg(OH)2溶液、H2SiO3溶液中的任一种。
[0012]进一步地，步骤(2)中采用的加热温度为250℃
‑
350℃，该加热温度高于无机盐溶液的热解温度。
[0013]进一步地，激光烧结时，激光功率P为100W
‑
400W，激光扫描速度V为300mm/s
‑
1000mm/s，激光填充间距h为0.1mm
‑
0.12mm，层厚u为30
‑
50μm。
[0014]进一步地，所述金属基粉末为铝基粉末、镁基粉末、铜基粉末、铁基粉末、钛基粉末、镍基粉末、高温合金基粉末、以及难熔金属基粉末中的任一种或者多种。
[0015]进一步地，金属基粉末铺设时采用的铺粉层厚为30μm～50μm。
[0016]进一步地，采用螺杆挤出机将无机盐溶液沉积到金属基半成品上，螺杆挤出机挤出的溶液厚度在40μm。
[0017]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种陶瓷增强金属基复合材料，该陶瓷增强金属基复合材料是采用如上所述的陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法制造而成的。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的陶瓷增强金属基复合材料及其增材制造方法主要包括以下步骤：
[0019]1.无机盐溶液中溶质是均匀溶解的，因而在受热分解时产生的陶瓷增强颗粒在整个金属基体上的分布是极为均匀的，相比目前的粉末冶金、增材制造方式，无需人工混合金属基粉末和陶瓷颗粒，避免了陶瓷颗粒的沉积和团聚，强化作用显著。
[0020]2.在整个激光加工过程中，加工工艺是针对金属基材料制定的，不需要考虑陶瓷颗粒的微观形状，因为非球形的颗粒会影响铺粉过程的均匀性，省去了陶瓷颗粒的制粉过程，降低了成本；同时也不需要考虑陶瓷颗粒和金属基体之间在高温下的化学反应及颗粒表面的污染问题。
[0021]3.本专利技术相对于传统的陶瓷增强金属基复合材料加工方法，工艺简单高效，且在复杂构件的成形方面具有很大的优势。
[0022]4、采用合适的加热温度，使得无机盐溶液能够热分解，继而顺利完成陶瓷相颗粒的原位生成；整体烧结温度选择800℃
‑
1000℃，该温度高于无机盐溶液的热分解温度，在该温度下保温可以保证残余无机盐的全部分解，并原位弥散分布于金属基体内部，起到弥散强化的作用。
附图说明
[0023]图1是本专利技术用到的增材制造设备的示意图；
[0024]图2是本专利技术提供的一种陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法的流程示意图。
[0025]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1
‑
激光器，2
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激光，3
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聚焦透镜，4
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振镜，5
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加热装置，6
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金属基粉末，7
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粉缸升降平台，8
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工作缸升降平台，9
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成形零件，10
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铺粉滚轮，11
‑
螺杆挤出机。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0027]请参阅图1及图2，本专利技术提供了一种陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法，所述方法在传统的粉末床熔融技术基础上，在每层金属基粉末烧结后，通过螺杆挤出机引入无机盐溶液，无机盐溶液受热分解原位形成陶瓷相颗粒，由于溶质在溶液中均匀分布，由此受热分解得到的陶瓷相颗粒均匀分布于金属基体上，起弥散强化的作用，因而得到陶瓷增强金属基复合材料。相比目前的粉末冶金、增材制造方式，无需人工混合金属基粉末和陶瓷颗粒，避免了陶瓷颗粒的沉积和团聚，强化作用显著。而且在加工时不需要考虑陶瓷颗粒的微观形状，因为非球形的颗粒会影响铺粉过程的均匀性，省去了陶瓷颗粒的制粉过程，降低了成本。同时也本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将无机盐溶液均匀地沉积到金属基半成品上，所述金属基半成品是对铺设的金属基粉末进行激光烧结得到的；(2)对步骤(1)得到的金属基半成品进行加热，使得无机盐溶液受热分解而原位形成陶瓷相颗粒，进而得到陶瓷增强金属基复合材料。2.如权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法，其特征在于：得到陶陶瓷相颗粒后进行整体烧结，使得陶瓷颗粒进一步弥散分布，以得到所述陶瓷增强金属基复合材料。3.如权利要求2所述的陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法，其特征在于：整体烧结温度选择800℃
‑
1000℃。4.如权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法，其特征在于：无机盐溶液为Al2(SO4)3溶液、饱和Mg(OH)2溶液、H2SiO3溶液中的任一种。5.如权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法，其特征在于：步骤(2)中采用的加热温度为250℃
‑
350℃，该加热温度高于无机盐溶液的热解温度。6.如权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料的增材制造方法，其特征在于：激光烧结时，激光功...

【专利技术属性】
技术研发人员：文世峰，王晓强，周燕，史玉升，陶亚坤，汪硕，陈志桥，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：