一种利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法

摘要

本发明涉及一种利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，属于金属基复合材料技术领域。首先利用绘图软件建立空间结构立体模型，并利用3D打印机将上述立体模型打印成空间结构塑料模板；然后将陶瓷颗粒和粘结剂配成浆料，灌注入塑料模板的空间结构间隙中；经过干燥、逐步升温，将塑料去除并烧结后获得具有一定强度和复杂空间结构的陶瓷颗粒预制坯；最后利用真空吸铸、挤压铸造等压力浸渍技术制备出金属基复合材料。该方法可以制备出精确控制和大范围变化的复杂空间结构的复合材料，而且工艺简单、便于机械化和自动化批量生产。

权利要求

1.一种利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1、首先利用绘图软件绘制所需空间结构的立体模型，利用3D打印机将绘制出的空间结构打印成空间结构塑料模板；

步骤2、将陶瓷颗粒和粘结剂配成浆料，然后将浆料灌注到步骤1中空间结构塑料模板的空隙部分，然后将灌注浆料的空间结构塑料模板高温烧结将塑料烧除得到陶瓷颗粒预制体，高温烧结的温度由粘结剂种类和压力浸渍方法决定；

步骤3、将步骤2的陶瓷颗粒预制体放置于铸型中，向铸型中加入金属基体熔体，利用压力浸渍方法制备得到金属基复合材料；

所述空间结构为球体堆砌、正六面体堆砌或螺旋结构。

2.根据权利要求1所述的利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤2中陶瓷颗粒为60~250目的ZTA、氧化铝、氧化锆、碳化钨、碳化硅、碳化钛中的一种或几种任意比例混合物。

3.根据权利要求1或2所述的利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤2中粘结剂为硅溶胶、水玻璃或偏磷酸铝，粘结剂加入量为陶瓷颗粒质量的3~10%。

4.根据权利要求1或2所述的利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤2中将灌注浆料的空间结构塑料模板从80℃~700℃缓慢升温烘干，烧除模板中的塑料，并在700℃~900℃下焙烧0.5~1.5h得到陶瓷颗粒预制体。

5.根据权利要求1或2所述的利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤3中金属基体为铝合金、镁合金、铜合金或钢铁。

6.根据权利要求1或2所述的利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤3中压力浸渍方法包括挤压铸造、压铸、低压铸造、消失模铸造。

说明书

一种利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

[0002] 在矿山、建材、电力等领域，物料的破碎是一个重要生产流程，需要消耗大量耐磨件。传统耐磨材料如高锰钢、高铬铸铁等的性能提升空间已不大，研发新型高性能耐磨材料对我国意义重大。近年来，陶瓷颗粒（p）增强钢铁基复合材料（MMCs）作为新型高性能耐磨材料正逐渐应用于工业领域，对MMCs进行空间结构韧化被证明是一种有效提高其塑性、韧性的措施。

[0003] 中国发明专利CN101585081A将WC颗粒与粘结剂制成膏状，填充于模具中形成蜂窝状预制体，然后浇注钢液。该发明只能制备柱状陶瓷预制体增强的金属基复合材料，无法制备具有复杂空间结构的陶瓷颗粒预制体增强金属基复合材料。

[0004] 中国发明专利CN101899585A将预制体制成特定形状，如：柱状、条状、块状、蜂窝状，然后将预制体规则排列在铸型端面，最后浇注液态金属制备复合材料。该发明的制备方法过程复杂，预制体在铸型中的分布不能够精确控制，复合材料的空间结构重复性差。

[0005] 中国发明专利CN103878346A将陶瓷颗粒压制成球状预制坯，大量球状预制坯再二次粘接成预制体，并利用铸造方法制备出复合材料。该方法可以有效提高复合材料的浸渍深度，但是球状预制坯的空间分布不易控制，易造成复合材料的空间结构不均匀。

[0006] 3D打印技术经过多年的发展，技术上已基本上已形成了一套体系，3D打印技术制造复杂物品不增加成本，空间设计无限，无需组装，精确的实体复制等，这些优势使得3D打印应用的行业逐渐扩大。

发明内容

[0007] 本发明目的在于解决空间结构韧化金属基复合材料中陶瓷预制体空间结构不易制备，以及控制困难的问题，利用3D打印技术和金属液相浸渍技术相结合，制备出空间结构精确、形态、尺寸变化灵活、组织致密的金属基基复合材料

[0008] 一种利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其具体步骤如下：

[0009] 步骤1、首先利用绘图软件绘制所需空间结构的立体模型，所需空间结构的立体模型如图1中球体堆砌空间结构、图2中正六面体堆砌单元结构、图3和图4中螺旋结构等，利用3D打印机将绘制出的空间结构打印成空间结构塑料模板；

[0010] 步骤2、将陶瓷颗粒和粘结剂配成浆料，然后将浆料灌注到步骤1中空间结构塑料模板的空隙部分，然后将灌注浆料的空间结构塑料模板高温烧结将塑料烧出得到陶瓷颗粒预制体，高温烧结的温度由粘结剂种类和压力浸渍方法决定；

[0011] 步骤3、将步骤2的陶瓷颗粒预制体放置于铸型中，向铸型中加入金属基体熔体，利用压力浸渍方法制备得到金属基复合材料。

[0012] 上述绘图软件绘为Solid Edge、Proe等绘图软件。

[0013] 所述步骤2中陶瓷颗粒为60~250目的ZTA（氧化锆增韧氧化铝）、氧化铝、氧化锆、碳化钨、碳化硅、碳化钛中的一种或几种任意比例混合物。

[0014] 所述步骤2中粘结剂为硅溶胶、水玻璃或偏磷酸铝，粘结剂加入量为陶瓷颗粒质量的3~10%。

[0015] 所述步骤2中将灌注浆料的空间结构塑料模板从80℃~700℃缓慢升温烘干，烧除模板中的塑料，并在700℃~900℃下焙烧0.5~1.5h得到陶瓷颗粒预制体。

[0016] 所述步骤3中金属基体为铝合金、镁合金、铜合金或钢铁。

[0017] 所述步骤3中压力浸渍方法包括挤压铸造、压铸、低压铸造、消失模铸造。

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] 1.本发明利用3D打印技术制备出具有复杂空间结构的陶瓷颗粒预制体，可以精确控制和大范围变化陶瓷空间结构参数（如单元的形状、厚度、尺寸、空间排布等）；同时借助铸渗压力，使金属液浸渗到陶瓷预制体结构间隙和陶瓷颗粒间隙中，可以获得组织致密，界面结合良好，浸渗深度大的复合材料。

[0020] 2.本发明提供的方法便于进行机械化自动化批量生产。

附图说明

[0021] 图1是本发明球体堆砌空间结构的立体模型图A；

[0022] 图2是本发明实施例2使用的正六面体空间结构的单元立体模型图B；

[0023] 图3是本发明双螺旋空间结构的立体模型图C；

[0024] 图4是本发明三角螺旋空间结构的立体模型图D；

[0025] 图5是本发明实施例2正六面体堆砌空间结构ZTA颗粒/高锰钢复合材料三维软件建模图；

[0026] 图6是本发明实施例2正六面体堆砌空间结构ZTA颗粒/高锰钢复合材料照片图；

[0027] 图7是本发明实施例2制备得到的ZTA颗粒/高锰钢复合材料微观铸态组织图；

[0028] 图8是本发明实施例2制备得到的ZTA颗粒/高锰钢复合材料微观热处理组图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

[0030] 实施例1

[0031] 制备球体堆砌空间结构韧化钢基复合材料

[0032] 该利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其具体步骤如下：

[0033] 步骤1、首先利用Solid Edge绘图软件绘制所需空间结构的立体模型，所需空间结构的立体模型如图1中球体堆砌空间结构，球体直径为2.5mm，体心立方堆垛；链接杆部分长度为1mm，直径为1mm，利用3D打印机将绘制出的空间结构打印成空间结构塑料模板；

[0034] 步骤2、将陶瓷颗粒和粘结剂配成浆料，然后将浆料灌注到步骤1中空间结构塑料模板的实体部分，然后将灌注浆料的空间结构塑料模板高温烧结将塑料烧出得到陶瓷颗粒预制体，高温烧结的温度由粘结剂种类和压力浸渍方法决定；其中陶瓷颗粒为80目~120目的SiC，粘结剂为偏磷酸铝，粘结剂加入量为陶瓷颗粒质量的3%，向陶瓷颗粒和粘结剂中加入陶瓷颗粒质量6%的水混合制成浆料，灌注浆料的空间结构塑料模板从80℃~700℃缓慢升温烘干，烧除模板中的塑料，并在800℃下焙烧1h得到陶瓷颗粒预制体；

[0035] 步骤3、将步骤2的陶瓷颗粒预制体放置于铸型中，向铸型中加入金属基体熔体，利用压力浸渍方法制备得到金属基复合材料，其中将高锰钢（ZGMn13）在1450℃温度下形成熔体浇注到陶瓷颗粒预制体上，并施加50MPa的压力制备得到球体堆砌空间结构韧化钢基复合材料。

[0036] 实施例2

[0037] 制备正六面体堆砌空间结构韧化钢基复合材料

[0038] 该利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其具体步骤如下：

[0039] 步骤1、首先利用Proe绘图软件绘制所需空间结构的立体模型，所需空间结构的立体模型如图5中正六面体堆砌空间结构，横截面空隙边长为2.5mm，实体部分厚度为1.8mm，利用3D打印机将绘制出的空间结构打印成空间结构塑料模板；

[0040] 步骤2、将陶瓷颗粒和粘结剂配成浆料，然后将浆料灌注到步骤1中空间结构塑料模板的空隙部分，然后将灌注浆料的空间结构塑料模板高温烧结将塑料烧出得到陶瓷颗粒预制体，高温烧结的温度由粘结剂种类和压力浸渍方法决定；其中陶瓷颗粒为80目~120目的ZTA(氧化锆增韧氧化铝）颗粒，粘结剂为水玻璃，粘结剂加入量为陶瓷颗粒质量的4%，向陶瓷颗粒和粘结剂中加入陶瓷颗粒质量5%的水混合制成浆料，灌注浆料的空间结构塑料模板从80℃~700℃缓慢升温烘干，烧除模板中的塑料，并在900℃下焙烧0.5h得到陶瓷颗粒预制体；

[0041] 步骤3、将步骤2的陶瓷颗粒预制体放置于铸型中，向铸型中加入金属基体熔体，利用压力浸渍方法制备得到金属基复合材料，其中将高锰钢（ZGMn13）在1450℃温度下浇注到陶瓷颗粒预制体上，并施加70MPa的压力制备得到正六面体堆砌空间结构韧化钢基复合材料，该正六面体堆砌空间结构韧化钢基复合材料产品照片如图6所示，微观铸态组织图如图7所示，微观热处理组图如图8所示。

[0042] 实施例3

[0043] 制备双螺旋空间结构金属基基复合材料

[0044] 该利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其具体步骤如下：

[0045] 步骤1、首先利用Proe绘图软件绘制所需空间结构的立体模型，所需空间结构的立体模型双螺旋空间结构，如图3所示，螺旋半径为1.8mm，节距为2mm。利用3D打印机将绘制出的空间结构打印成空间结构塑料模板；

[0046] 步骤2、将陶瓷颗粒和粘结剂配成浆料，然后将浆料灌注到步骤1中空间结构塑料模板的实体内部中空部分，然后将灌注浆料的空间结构塑料模板高温烧结将塑料烧出得到陶瓷颗粒预制体，高温烧结的温度由粘结剂种类和压力浸渍方法决定；其中陶瓷颗粒为60目~120目的TiC，粘结剂为硅溶胶，粘结剂加入量为陶瓷颗粒质量的10%，向陶瓷颗粒和粘结剂中加入陶瓷颗粒质量7%的水混合制成浆料，灌注浆料的空间结构塑料模板从80℃~700℃缓慢升温烘干，烧除模板中的塑料，并在700℃下焙烧1.5h得到陶瓷颗粒预制体；

[0047] 步骤3、将步骤2的陶瓷颗粒预制体放置于铸型中，向铸型中加入金属基体熔体，利用压力浸渍方法制备得到金属基复合材料，其中将铸造铝合金（ZAlSi7Mg）在750℃温度下形成熔体浇注到陶瓷颗粒预制体上，并施加70MPa的压力制备得到双螺旋空间结构金属基复合材料。

[0048] 实施例4

[0049] 制备三角螺旋空间结构金属基复合材料

[0050] 该利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，其具体步骤如下：

[0051] 步骤1、首先利用Proe绘图软件绘制所需空间结构的立体模型，所需空间结构的立体模型三角螺旋空间结构，如图4所示，边长2mm，螺旋半径为1.8mm，节距为3mm。利用3D打印机将绘制出的空间结构打印成空间结构塑料模板；

[0052] 步骤2、将陶瓷颗粒和粘结剂配成浆料，然后将浆料灌注到步骤1中空间结构塑料模板的空隙部分，然后将灌注浆料的空间结构塑料模板高温烧结将塑料烧出得到陶瓷颗粒预制体，高温烧结的温度由粘结剂种类和压力浸渍方法决定；其中陶瓷颗粒为60目~120目的质量比为1:1的氧化锆和碳化硅混合物，粘结剂为硅溶胶，粘结剂加入量为陶瓷颗粒质量的8%，向陶瓷颗粒和粘结剂中加入陶瓷颗粒质量6.5%的水混合制成浆料，灌注浆料的空间结构塑料模板从80℃~700℃缓慢升温烘干，烧除模板中的塑料，并在750℃下焙烧1.2h得到陶瓷颗粒预制体；

[0053] 步骤3、将步骤2的陶瓷颗粒预制体放置于铸型中，向铸型中加入金属基体熔体，利用压力浸渍方法制备得到金属基复合材料，其中将铸造铜合金（ZCuZn38Mn2Pb2）在990℃温度下形成熔体浇注到陶瓷颗粒预制体上，并施加70MPa的压力制备得三角螺旋空间结构金属基复合材料。

[0054] 以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。