一種鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型裝置及方法

2023-06-10 16:02:46 8

一種鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型裝置及方法。該裝置包括雷射系統、鋪粉系統、惰性氣氛系統和控制系統。利用該裝置，可實現鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的快速成型。本發明成型方法簡單，數位化製造，成型產品組織緻密均勻，並能直接製造出任意複雜構件，無需二次加工。
【專利說明】一種鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於金屬基複合材料的成型技術，具體涉及一種鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在金屬基複合材料中，鋁基碳化矽顆粒增強複合材料具有高導熱性、低密度、與晶片相匹配的熱膨脹係數，以及高硬度和高抗彎強度等特點，被廣泛應用於電子封裝和精密儀器關鍵部件的製造。目前鋁基碳化矽顆粒增強複合材料的成型方法主要包括粉末冶金、攪拌鑄造、壓力鑄造及噴射沉積四種方法。粉末冶金法存在工藝繁瑣、成本高、產品形狀受限、內部組織不均勻等缺點；攪拌鑄造存在碳化矽顆粒易團聚、分布不均勻、攪拌過程易造成氣體進入而形成孔洞等缺點；壓力鑄造存在預製件易崩潰、金屬熔體不易充分滲入顆粒、成型工藝困難等缺點；噴射沉積存在碳化矽顆粒利用率低、工藝控制較複雜、沉積速度較慢、成本高等缺點。同時這四種方法製備的鋁基碳化娃顆粒增強複合材料需要進行二次加工，由於碳化矽顆粒硬度高，導致材料加工困難，成本高。
[0003]3D列印技術是近年發展起來的一種新的成型技術。中國專利申請CN201310044604.1公開了一種金屬增韌陶瓷基複合材料渦輪葉片的製備方法，將金屬3D列印技術、光固化快速成型技術、化學氣相沉積技術、凝膠注模成型技術相結合，製備金屬增韌陶瓷基複合材料渦輪葉片。中國專利申請CN201310132690.1公開了一種基於金屬3D列印的新型異種材料複合鑄造方法，異種材料均為金屬材料。上述二件專利均不適合用於陶瓷增韌金屬基複合材料 及其構件的成型。中國專利申請CN201310288137.7公開了一種金屬零件的3D列印製造裝置及方法，該裝置包括加熱系統，且送粉缸位於成型缸上方。針對鋁基碳化矽顆粒增強複合材料的3D列印成型而言，所使用的粉末為碳化矽和鋁合金的混合粉末，採用上送粉方式容易導致鋪設於成型缸表面的混合粉末成分不均勻。同時由於鋁基碳化矽顆粒增強複合材料比鋁合金具有更高的彈性模量，抗變形能力強，在3D列印成型過程中可以承受更大的熱應力，所以可以不要對混合後的粉末進行加熱預熱。因此，針對鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型技術，提出本發明。

【發明內容】

[0004]針對現有成型技術中存在的成型工藝複雜、內部組織疏鬆且不均勻、成本高、加工困難等問題，本發明提供一種鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型裝置及方法。
[0005]為了達到上述目的，本發明提供的技術方案為:
所述鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型裝置包括雷射系統、鋪粉系統、惰性氣氛系統和控制系統；所述成型裝置還包括封閉的工作腔，工作腔內設有成形缸，成形缸的上方設有向成形缸發射雷射的雷射系統，所述雷射系統包括雷射器、掃描振鏡和振鏡控制卡；所述成形缸一側設有送粉缸，另一側設有粉末回收缸，所述成形缸、送粉缸和粉末回收缸的上表面位於同一水平面；所述送粉缸上表面設有鋪粉系統，所述鋪粉系統包括鋪粉輥筒和驅動鋪粉輥筒在送粉缸、成型缸及粉末回收缸上表面往復運動的輥筒驅動裝置；所述成形缸和送粉缸下側均設有驅動缸體底板相對於缸體上下往復運動的缸體驅動裝置；所述工作腔一側與惰性氣氛系統連通，工作腔另一側與真空泵連通；所述控制系統包括計算機，該計算機分別通過數據線與振鏡控制卡、輥筒驅動裝置和缸體驅動裝置連接。當然，所述控制系統還包括對三維數字模型進行等厚度切片分層的軟體以及控制雷射系統、鋪粉系統和工作腔內送粉缸和成型缸缸體底板運動的軟體。這些軟體的實現均為本領域常規技術手段。
[0006]其中，所述雷射器為光纖雷射器，雷射器的雷射輸出功率為200W~400W。所述掃描振鏡的掃描角度範圍為±20°。所述成形缸下側的缸體驅動裝置通過絲杆與成形缸底板連接；所述送粉缸下側的缸體驅動裝置通過絲杆與送粉缸底板連接。所述惰性氣氛系統為IS氣瓶。
[0007]上述成型裝置成型步驟為:首先把粉末材料裝入工作腔中的送粉缸內，然後關閉工作腔，啟動真空泵對工作腔抽真空，接著打開惰性氣體罐往工作腔通入惰性氣體。把所需成型零件的三維模型輸入控制系統，控制軟體生成指令通過數據線發送給雷射系統及鋪粉系統和驅動缸體底板運動的驅動裝置。首先缸體底板驅動裝置根據指令降低成型缸底板高度並升高送粉缸底板高度，接著鋪粉系統驅動裝置根據指令驅動鋪粉輥筒在送粉缸、成型缸和粉末回收缸上表面滾動以推動送粉缸粉末均勻鋪設於成型缸表面，然後雷射系統根據指令在成型缸表面快速掃描，使粉末發生燒結。按上述步驟逐層鋪粉，逐層雷射燒結疊加方式完成零件的成型製造。
[0008]據此，本發明還提供了基於上述成型裝置的製造鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟:
(1)將招合金粉末和碳化娃粉末混合均勻；` (2)將混合後的粉末裝入成型裝置送粉缸中；
(3)將鋁基碳化矽顆粒增強複合材料或其構件的三維數字模型輸入到成型裝置的控制系統；
(4)用成型裝置控制系統控制雷射系統、鋪粉系統、送粉缸和成型缸底板按照輸入的三維數字模型，採用逐層鋪粉，逐層雷射燒結疊加的方式完成鋁基碳化矽顆粒增強複合材料或其構件的成型製造；逐層鋪粉時單層厚度為0.02mm~0.1Omm,雷射燒結疊加式雷射掃描速度為 100mm/s ~10OOmm/s ；
(5)從成型裝置中取出成型產品，清除表面多餘粉末(可採用噴砂或高壓氣吹等方式清理產品表面多餘粉末)。
[0009]其中，步驟(1)所述招合金粉末為球狀粉末，粉末粒徑分布範圍為0.02mm~
0.1Omm ;所述碳化娃粉末的等效粒徑小於0.05mm ;所述混合粉末中，碳化娃粉末體積分數為10%~70%，其餘為鋁合金粉末。步驟(3)所述三維數字模型格式為STL格式。
[0010]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
(I)本發明只需將鋁合金粉末和碳化矽粉末混合後，裝入成型裝置，自動成型所需複合材料或其構件，材料成型和產品成型同步完成，具有成型工藝簡單的優點。
[0011](2)本發明成型的鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件，產品具有內部組織緻密均勻的優點。
[0012](3)本發明能直接製造出任意複雜構件而無需二次加工，具有效率高、成本低的優點。
[0013]總之，本發明成型裝置及方法具有成型工藝簡單，成型產品組織緻密均勻，並能直接製造出任意複雜構件而無需二次加工等特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發明所述成型裝置的結構示意圖。
[0015]圖中:1_成形缸；2-送粉缸；3-粉末回收缸；4-缸體驅動裝置；5-絲槓；6-雷射器；7_掃描振鏡；8_振鏡控制卡；9-鋪粉輥筒；10_輥筒驅動裝置；11_計算機；12_氬氣瓶；13-真空泵；14-工作腔。
【具體實施方式】
[0016]下面將結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述，但本發明的實施方式不限於此，對於未特別註明的工藝參數，可參照常規技術進行。
[0017]參見圖1，所述鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型裝置包括雷射系統、鋪粉系統、惰性氣氛系統和控制系統；所述成型裝置還包括封閉的工作腔14，工作腔14內設有成形缸1，成形缸I的上方設有向成形缸I發射雷射的雷射系統，所述雷射系統包括雷射器6、掃描振鏡7和振鏡控制卡8 ;所述成形缸I 一側設有送粉缸2,另一側設有粉末回收缸3，所述成形缸1、送粉缸2和粉末回收缸3的上表面位於同一水平面；所述送粉缸2上表面設有鋪粉系統，所述鋪粉系統 包括鋪粉輥筒9和驅動鋪粉輥筒9在送粉缸2、成型缸I及粉末回收缸3上表面往復運動的輥筒驅動裝置10 ;所述成形缸I和送粉缸2下側均設有驅動缸體底板相對於缸體上下往復運動的缸體驅動裝置4 ;所述工作腔14 一側與惰性氣氛系統連通，工作腔14另一側與真空泵13連通；所述控制系統包括計算機11，該計算機11分別通過數據線與振鏡控制卡8、輥筒驅動裝置10和缸體驅動裝置4連接。
[0018]其中，所述雷射器6為光纖雷射器，雷射器6的雷射輸出功率為200W~400W。所述掃描振鏡7的掃描角度範圍為±20°。所述成形缸I下側的缸體驅動裝置4通過絲杆5與成形缸I底板連接；所述送粉缸2下側的缸體驅動裝置4通過絲杆5與送粉缸2底板連接。所述惰性氣氛系統為氬氣瓶12。
[0019]實施例2
基於實施例1所述成型裝置的製造鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟:
(1)將平均粒徑為0.05_的鋁合金粉末和WlO牌號碳化矽粉末(等效粒徑小於0.05mm)按體積比例60%:40%混合均勻；
(2)將混合後的粉末裝入成型裝置送粉缸中；
(3)將鋁基碳化矽顆粒增強複合材料或其構件的三維數字模型輸入到成型裝置的控制系統；所述三維數字模型格式為STL格式；
(4)用成型裝置控制系統控制雷射系統、鋪粉系統、送粉缸和成型缸底板按照輸入的三維數字模型，採用逐層鋪粉，逐層雷射燒結疊加的方式完成鋁基碳化矽顆粒增強複合材料或其構件的成型製造；逐層鋪粉時單層厚度為0.02~0.1Omm,雷射燒結疊加式雷射掃描速度為100mm/S~1000mm/S ;雷射功率為200W，成型單層厚度為0.05mm，雷射掃描速度為800mm/s ；
(5)從成型裝置中取出成型產品，用噴砂機對產品進行噴砂處理，再用高壓氣槍吹產品表面，以清除表面多餘粉末。
[0020]本方法製得的鋁基碳化矽顆粒增強複合材料產品熱膨脹係數為12.34X 10_6/°C，熱導率為147.23W/ (m.k)，彈性模量為148.02Gpa。
【權利要求】
1.一種鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的成型裝置，包括雷射系統、鋪粉系統、惰性氣氛系統和控制系統；其特徵在於，所述成型裝置還包括封閉的工作腔(14)，工作腔(14)內設有成形缸(1)，成形缸(I)的上方設有向成形缸(I)發射雷射的雷射系統，所述雷射系統包括雷射器(6)、掃描振鏡(7)和振鏡控制卡(8);所述成形缸(I) 一側設有送粉缸(2 ),另一側設有粉末回收缸(3 ),所述成形缸(I)、送粉缸(2 )和粉末回收缸(3 )的上表面位於同一水平面；所述送粉缸(2)上表面設有鋪粉系統，所述鋪粉系統包括鋪粉輥筒(9)和驅動鋪粉輥筒(9 )在送粉缸(2 )、成型缸(I)及粉末回收缸(3 )上表面往復運動的輥筒驅動裝置(10);所述成形缸(I)和送粉缸(2)下側均設有驅動缸體底板相對於缸體上下往復運動的缸體驅動裝置(4);所述工作腔(14) 一側與惰性氣氛系統連通，工作腔(14)另一側與真空泵(13)連通；所述控制系統包括計算機(11)，該計算機(11)分別通過數據線與振鏡控制卡(8)、輥筒驅動裝置(10)和缸體驅動裝置(4)連接。
2.如權利要求1所述的成型裝置，其特徵在於，所述雷射器(6)為光纖雷射器，雷射器(6)的雷射輸出功率為200W~400W。
3.如權利要求1所述的成型裝置，其特徵在於，所述掃描振鏡(7)的掃描角度範圍為±20°。
4.如權利要求1所述的成型裝置，其特徵在於，所述成形缸(I)下側的缸體驅動裝置(4 )通過絲杆(5 )與成形缸(I)底板連接；所述送粉缸(2 )下側的缸體驅動裝置(4 )通過絲杆(5 )與送粉缸(2 )底板連接。
5.如權利要求1所述的成型裝置，其特徵在於，所述惰性氣氛系統為氬氣瓶(12)。
6.基於權利要求1至5任一項所述成型裝置的製造鋁基碳化矽顆粒增強複合材料及其構件的方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟: (1)將招合金粉末和碳化娃粉末混合均勻； (2)將混合後的粉末裝入成型裝置送粉缸中； (3)將鋁基碳化矽顆粒增強複合材料或其構件的三維數字模型輸入到成型裝置的控制系統； (4)用成型裝置控制系統控制雷射系統、鋪粉系統、送粉缸和成型缸底板按照輸入的三維數字模型，採用逐層鋪粉，逐層雷射燒結疊加的方式完成鋁基碳化矽顆粒增強複合材料或其構件的成型製造；逐層鋪粉時單層厚度為0.02mm~0.1Omm,雷射燒結疊加式雷射掃描速度為 100mm/s ~10OOmm/s ； (5)從成型裝置中取出成型產品，清除表面多餘粉末； 其中，步驟(1)所述鋁合金粉末為球狀粉末，粉末粒徑分布範圍為0.02mm~0.1Omm ；所述碳化矽粉末的等效粒徑小於0.05mm ;所述混合粉末中，碳化矽粉末體積分數為10%~70%，其餘為鋁合金粉末。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，步驟(3)所述三維數字模型格式為STL格式。
【文檔編號】C22C32/00GK103695681SQ201310694934
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】周朝輝, 舒陽會 申請人:湖南航天工業總公司