基于脉冲电流制备具有优异界面性能3D打印异质材料的方法技术

本发明专利技术提供一种基于脉冲电流制备具有优异界面性能3D打印异质材料的方法，其包括以下步骤：S1、确定3D打印材料与基板的物理化学性能差异及零件尺寸；S2、确定脉冲电流参数及施加方式；S3、施加脉冲电流；S4、得到界面性能优异的异质材料。通过施加脉冲电流，本发明专利技术能够对零件的异质金属界面直接进行精准靶向处理，促进界面两侧的原子交换，降低界面处化学成分突变程度，降低热影响区所占比例，最大程度地提升零件的综合质量。同时，本发明专利技术不需额外设置热源辅助，所需时间短，可大大降低能源消耗，符合当前工业绿色发展规划的要求。符合当前工业绿色发展规划的要求。符合当前工业绿色发展规划的要求。

【技术实现步骤摘要】
基于脉冲电流制备具有优异界面性能3D打印异质材料的方法


[0001]本专利技术涉及3D打印领域，具体地涉及一种基于脉冲电流制备具有优异界面性能3D打印异质材料的方法。

技术介绍

[0002]当代社会对产品的功能及性能的要求越来越高，尤其是在航空航天、电力、汽车工业、生物医学等领域中，极端复杂工况条件对材料的功能性提出了新的挑战。采用单种材料成形的传统零件已不能满足应用需求，迫切需要具有特殊功能的机械零件，而这些具有特殊功能的机械零件通常包含多种不同性能的材料。由于不同材料具有不同的性能和功能，因此将多种材料结合在一起的异质材料零件可以拥有单一材料零件不具备的优秀的力学、电、热、声、光等性能，具有极大的发展前景以及广阔的应用场合。传统制造手段，如压力加工、粉末冶金、铸造、焊接等方法在异质材料零件制造上存在困难，不仅难以获得复杂的造型和灵活细微的材料布局，而且制造过程繁琐。近年来，金属异质材料增材制造技术的出现为解决这一难题提供了契机。在增材制造领域中，异质材料强调在预设位置精准成型不同种类的材料，而非将多种粉末混合打印而具有均匀分布的复合材料。异质材料增材制造技术相比传统制造技术在异质材料零件的制造上具备更大的优势，可以满足这些领域对部件的高性能、多功能化需求。
[0003]针对增材制造异质材料零件中的双金属界面，在制备过程中会产生多尺度缺陷，而控制缺陷的形成是提升零件质量的关键。异质材料零件存在一个固有的问题——不同材料的相容性。由于不同材料具有不同的冶金和热学等性质，当它们的这些性质不相容时，所形成的界面结合强度较弱，容易发生开裂、分层等缺陷。异质材料零件的界面往往是其力学性能最薄弱之处，将会对整体性能造成不利影响，限制了异质材料零件在诸多领域中的应用。
[0004]由于异质金属间存在显著的物理化学性质差异，如密度、晶体结构、导电性、导热性、可塑性、热膨胀系数等，传统制造手段需要通过多角度、多尺寸、多层次的耦合技术手段精确控制加工工艺。同时，传统制备工艺需要配备后续的热加工手段调控材料组织结构，进而获得性能合格的零件。因此，探寻一种能够简单、快速、节能、高效对3D打印异质材料零件进行质量提升的绿色手段就显得尤为重要。
[0005]专利(CN113215508A)公开了一种改善激光选区熔化增材制造钛合金缺陷或组织状态的脉冲处理方法，采用脉冲电流处理调节打印钛合金内的微孔缺陷、晶粒尺寸、板条形貌和取向。专利(CN113249668A)公开了一种利用脉冲电流改善增材制造钛合金各向异性的方法，通过脉冲电流加速构件的相变过程，重构微观组织，进而达到改善各向异性的目的。专利(CN114603158A)公开了一种改善激光熔丝增材制造合金钢沉积层组织和性能的方法，利用脉冲电流处理导致的热压应力和焦耳热效应使裂纹快速愈合，同时提高形核率，细化晶粒。专利(CN111575619A)公开了一种脉冲电流快速消除变形高温合金铸锭中枝晶偏析的方法，所述的是变形高温合金GH4169D铸态组织的均匀化问题，材料内存在大量粗大的枝晶
组织，通过脉冲电流处理后可将枝晶组织消除，为后续变形加工创造有利条件。
[0006]上述专利(CN113215508A、CN113249668A、CN114603158A、CN111575619A、)关注重点皆为单金属增材制造/铸造构件(钛合金、合金钢、镍基变形高温合金等)基体内微孔缺陷、晶粒尺寸、组织各向异性及元素偏析等，而并未涉及异质金属材料，不能大幅度改善异质金属界面的性能，因此如何提升异质金属界面性能是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于脉冲电流制备具有优异界面性能3D打印异质材料的方法，其能够借助于脉冲电流的施加大幅度提高3D打印异质材料零件的界面性能，其将脉冲电流作为一种瞬时高能的特殊处理手段可以快速增加成分过渡区域宽度，降低成分突变程度，消除或大幅降低热影响区所占比例，从而提升异质材料零件的综合机械性能。并且能通过精确控制脉冲电流处理参数实现快速调控3D打印异质材料零件内双金属界面处的化学成分梯度，提升产品质量。
[0008]具体地，本专利技术提供一种基于脉冲电流制备具有优异界面性能3D打印异质材料的方法，其包括以下步骤：
[0009]S1、确定3D打印材料与基板的物理化学性能差异及零件尺寸；
[0010]S2、确定脉冲电流参数及施加方式：根据界面两侧材料物理化学性能差异及零件尺寸确定脉冲电流处理参数和电极施加方式；
[0011]S3、施加脉冲电流：利用夹具将3D打印异质材料零件固定后用导线连接脉冲电源，根据步骤S2确定的脉冲电流参数及施加方式对材料与基板施加脉冲电流；
[0012]S4、通过脉冲电流强烈的电迁移效应提升打印异质材料间的界面质量，得到界面性能优异的异质材料。
[0013]优选地，还包括步骤S5、通过热压缩实验获得双金属材料的应力
‑
应变曲线，根据材料的变形分析双金属界面的冶金结合质量。
[0014]优选地，步骤S2中确定脉冲电流参数及施加方式具体为：对3D打印625高温合金/304不锈钢基板进行脉冲电流处理，脉冲电流频率为500Hz，脉宽为130μs，电流为80A/mm2，作用时间为240min；
[0015]对3D打印625高温合金/304不锈钢基板进行脉冲电流处理，脉冲电流频率为1000Hz，脉宽为63μs，电流为18A/mm2，作用时间为20min；
[0016]对3D打印625高温合金/304不锈钢基板进行脉冲电流处理，脉冲电流频率为1255Hz，脉宽为64μs，电流为19A/mm2，作用时间为20min。
[0017]优选地，步骤S3施加脉冲电流在3D打印后室温下进行。
[0018]优选地，步骤S1中所述3D打印异质材料零件包括铁基、镍基、铜基、铝基或钛基导电金属合金及相关复合材料以及室温及高温条件下的导电陶瓷材料。
[0019]优选地，步骤S3中的导线为铜线。
[0020]优选地，所述3D打印异质材料零件的方法为所有异质材料均采用打印成型或在异质基板上打印成型的材料。
[0021]优选地，还包括对脉冲处理前后3D打印异质材料界面处进行电子探针成分检测，对比脉冲电流处理前后界面处特征元素成分分布。
[0022]优选地，还包括对脉冲处理前后3D打印异质材料界面处进行金相组织观察，对比脉冲电流处理前后界面处焊接热影响区所占比例。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024](1)本专利技术与现有的通过调整3D打印工艺及后续热处理提升零件质量的方法相比，可在打印过程中或打印后对零件直接进行处理，促进界面两侧的原子交换，降低界面处化学成分突变程度，最大程度地提升零件质量。本专利技术不需额外设置热源辅助，所需时间短，能够大大降低能源消耗，符合当前工业绿色发展规划的要求。
[0025](2)本专利技术将脉冲电流作为一种瞬时高能的特殊处理手段可以快速增加成分过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲电流制备具有优异界面性能3D打印异质材料的方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1、确定3D打印材料与基板的物理化学性能差异及零件尺寸；S2、确定脉冲电流参数及施加方式：根据界面两侧材料物理化学性能差异及零件尺寸确定脉冲电流处理参数和电极施加方式；S3、施加脉冲电流：利用夹具将3D打印异质材料零件固定后用导线连接脉冲电源，根据步骤S2确定的脉冲电流参数及施加方式对材料与基板施加脉冲电流；S4、通过脉冲电流强烈的电迁移效应提升打印异质材料间的界面质量，得到界面性能优异的异质材料。2.根据权利要求1所述的基于脉冲电流制备具有优异界面性能3D打印异质材料的方法，其特征在于：还包括步骤S5、通过热压缩实验获得双金属材料的应力
‑
应变曲线，根据材料的变形分析双金属界面的冶金结合质量。3.根据权利要求1所述的基于脉冲电流制备具有优异界面性能3D打印异质材料的方法，其特征在于：步骤S2中确定脉冲电流参数及施加方式具体为：对3D打印625高温合金/304不锈钢基板进行脉冲电流处理，脉冲电流频率为500Hz，脉宽为130μs，电流为80A/mm2，作用时间为240min；对3D打印625高温合金/304不锈钢基板进行脉冲电流处理，脉冲电流频率为1000Hz，脉宽为63μs，电流为18A/mm2，作用时间为20min；对3D打印625高温合金/3...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦书洋，孙静娜，王菂，黄华贵，陈雷，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：