一種基於選區雷射燒結的顆粒增強金屬基複合材料的近淨成形製備方法
2023-05-08 05:28:21
專利名稱：一種基於選區雷射燒結的顆粒增強金屬基複合材料的近淨成形製備方法
技術領域：
本發明涉及複合材料，尤其是涉及一種用於陶瓷顆粒的基於選區雷射燒結(Selective laser sintering，SLS)的顆粒增強金屬基複合材料的近淨成形製備方法。
背景技術：
顆粒增強金屬基複合材料具有高比強度和比剛度、耐磨、低密度、良好的尺寸穩定性和導熱性等優異的力學性能和物理性能。可廣泛應用於航空航天、軍事、汽車、電子、體育運動等領域。因此，從上世紀80年代初開始，世界各國競相研究開發這類材料，從材料的製備工藝、微觀組織、力學性能與斷裂特性等角度進行了許多基礎性研究工作，取得了顯著成績。目前，在美國和歐洲發達國家，尤其重視這類複合材料的研製，被列為21世紀新材料應用開發的重要方向。
顆粒增強金屬基複合材料的製備方法對材料的性能和價格影響大，其成本也取決於複合材料的製造技術，因此研究和發展有效的製造技術一直是顆粒增強金屬基複合材料的主要研究內容。顆粒增強金屬基複合材料的製備方法有很多，不同的製備工藝具有不同的特點，對增強體有不同的要求和限制，製得的材料性能增強潛力也不同，所使用的設備條件和製備成本也有很大差異。目前的現有顆粒增強金屬基複合材料的製備方法主要有粉末冶金法、鑄造法、原位複合和霧化噴射共沉積工藝。但其中比較成熟、應用比較廣的是粉末冶金和鑄造法。粉末冶金法可以任意改變增強顆粒金屬基體的體積分數，能根據不同要求製得各不同體積分數的複合材料，而且顆粒分布均勻、性能穩定。但是，粉末冶金法製造工序多、工藝比較複雜，故生產成本較高，而且零件的結構、尺寸也受限制，因此目前僅用於航空航天和軍工部門，民用較少。
而鑄造法由於製備工藝簡單，成本低，容易形成一定的規模，是目前最成熟、最具競爭力、也是工業化規模生產增強鋁基複合材料的最主要方法，在金屬基複合材料生產中有其獨特的優勢。在鑄造法中，液態攪拌法存在的缺點是高速攪拌的液態金屬會裹入氣體和夾雜物，存在偏析現象，攪拌複合過程也有相當的難度，且加入量也有限；半固態攪拌法的缺點是熔體密度大，不利雜質和氣體排出，溫度控制較困難；普通壓滲法存在內部組織不夠密實的問題，且為了保證複合後熔體具有一定的流動性。顆粒尺寸一般要大於10μm，增強效果受到一定的限制；攪拌熔鑄法由於陶瓷增強體顆粒與金屬熔液潤溼性差，實現增強體顆粒均勻分布較為困難，同時，增強體顆粒極易與金屬熔液發生嚴重化學反應，界面結合也較差，此外，增強體顆粒的尺寸通常需大於10μm，體積含量一般為20％左右。這些製備方法都存在難以同時滿足複合材料中細粒度增強體均勻分散、與基體實現良好的界面結合，增強體體積分數容易控制，獲得高體分、以及獲得大型複雜薄壁複合材料等要求，即現有鑄造法存在增強相在基體的分散不均勻而導致性能低、難以獲得高體積分數及大型複雜薄壁複合材料構件的缺點。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於選區雷射燒結的顆粒增強金屬基複合材料的近淨成形製備方法，這種製備方法能很容易控制細粒度增強體體積分數、從而獲得高體積比、細粒度增強體在金屬基體中的分布均勻以及獲得大型薄壁複雜淨成形構件，製得的複合材料具有分散均勻、組織緻密、增強體體積分數易控等優點。
本發明的目的是這樣實現的(1)選區雷射燒結用粉末材料的製備將增強相顆粒粉末和粘接劑均勻混合配比，得到混合粉末；(2)預製件的製備採用選區雷射燒結法，將混合粉末製備成可控增強體體積分數及任意複雜形狀增強體的預製件；(3)複合材料的製備採用真空變壓鑄滲法，即將預製件固定在高壓容器中的加熱器內，然後在預製件周圍放置基體金屬，對預製件和基體金屬進行加熱並保持真空狀態，當基體金屬溫度達到為500--1000℃後，停止抽真空，繼續加熱至600--2000℃後，充入壓縮氣體，然後調節滲透壓力，就可以得到增強體均勻分布、組織緻密和重複性好的複合材料。
所述增強相顆粒粉末為碳化物、氮化物、硼化物或氧化物的一種；所述粘接劑為常規無機粘接劑、常規低熔點金屬粉末粘接劑中的一種或常規無機粘接劑與常規低熔點金屬粉末粘接劑的混合物或常規無機粘接劑與常規有機粘接劑的混合物或常規低熔點金屬粉末粘接劑與常規有機粘接劑的混合物或常規無機粘接劑、常規有機粘接劑、常規低熔點金屬粉末粘接劑的混合物。
所述碳化物為碳化矽、碳化硼或碳化鎢，氮化物為氮化矽、氮化鋁或氮化鈦，硼化物為硼化矽或硼化鋯，氧化物為氧化鋁或氧化鋯；所述常規低熔點金屬粉末粘接劑為純鋁粉或純鎂粉，所述常規無機粘接劑為磷酸二氫銨或磷酸鋁，所述常規有機粘接劑為聚苯乙烯粉或聚丙烯粉。
所述預製件的製備是採用低熔點金屬粉末作為預製件粘接劑雷射選區燒結直接一次成形或是採用雷射選區燒結預成形，再通過二次焙燒製備增強體預製件。
所述基體金屬為鋁、鎂、銅、鈦、鎳或其合金。所述壓縮氣體為壓縮空氣、氮氣或氬氣。
在選區雷射燒結用粉末材料的製備的混合粉末中還可添加下述填料潤滑劑、分散劑和光吸收劑，所述潤滑劑為石墨或二硫化鉬，所述分散劑為滑石粉或白炭黑，所述光吸收劑為炭黑。
預製件雷射燒結成形主要由雷射功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距、掃描路徑等工藝參數決定。採用SLS製備預製件具有尺寸精度高、體積分數易控、增強體分散均勻、容易操作、簡化了工藝、工藝流程短、生產成本低的優點，且可實現產品的近淨成形。
真空變壓鑄滲法的特點是金屬液在真空、等溫和壓力條件下滲流，在一定壓力條件下凝固；其具有良好的滲流和凝固條件，可避免氣體和夾雜物的裹入的問題，並改善金屬與增強體的界面結合情況，內部組織緻密；金屬液在真空壓力下滲流，大大提高了熔體的充型能力，滲透時間短，並消除了氣體的澆注過程中的有害作用，能獲得壁厚非常薄、形態複雜、表面光潔和尺寸精確的顆粒增強金屬基複合材料鑄件。這種方法製備的金屬基複合材料中增強體分布均勻，氣孔率很小，界面反應易於控制，避免了界面反應產物對複合材料性能不利影響，在性能和穩定性上大大優於其他工藝方法製備的材料。
本發明是將選區雷射燒結技術與真空變壓鑄滲技術有機地結合起來，這種製備方法能很容易控制細粒度增強體體積分數、從而獲得高體積比、細粒度增強體在金屬基體中的分布均勻以及獲得大型薄壁複雜淨成形構件，製得的複合材料具有分散均勻、組織緻密、尺寸精度高、性能好、可設計性強、沒有孔隙和縮孔等常規鑄造缺陷、增強體與基體之間的反應小、增強體體積分數易控、並可以獲得高體積分數及大型薄壁複雜構件的顆粒增強金屬基複合材料等優點。本發明還具有顯著的低成本及大尺寸優勢，完善了材料的製備技術和工藝的穩定性。特別適合於碳化矽、氮化矽、氧化鋁等陶瓷顆粒增強鋁基或鎂基複合材料的製造，也可用於其他複合材料的製造。
圖1是本發明的基於選區雷射燒結的顆粒增強金屬基複合材料的近淨成形製備的SiCp/Al複合材料的組織結構特徵的示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進行進一步的詳細說明。
實施例1本實施例是碳化矽顆粒增強鋁基複合材料的製備。
(1)選區雷射燒結用粉末材料的製備將20μm碳化矽顆粒和25％純鋁粉均勻混合配比，得到混合粉末；然後在混合粉末中添加下述填料潤滑劑石墨，分散劑白炭黑，光吸收劑炭黑；(2)預製件的製備採用選區雷射燒結法，將混合粉末採用低熔點金屬粉末純鋁粉作為預製件粘接劑雷射選區燒結在氮氣氣氛下直接一次成形製備增強體預製件，製備成Φ35mm×40mm預製件，工藝條件是雷射功率200W，掃描速度500mm/s、鋪粉層厚0.2mm、掃描間距0.2mm；(3)複合材料的製備採用真空變壓鑄滲法，即將預製件固定在高壓容器中的加熱器內，然後在預製件周圍放置鑄鋁合金，對預製件和鋁合金進行加熱並保持真空狀態，真空度小於100Pa，當鋁溫度達到為580℃後，停止抽真空，繼續加熱至850℃後，充入壓縮空氣，然後調節滲透壓力，氣氛壓力分別為300Kpa 5min，400Kpa 10min，500Kpa 15min，就可以得到增強體均勻分布、組織緻密和重複性好的複合材料。
實施例2本實施例是氮化矽顆粒增強鋁基複合材料的製備。
(1)選區雷射燒結用粉末材料的製備將15μm氮化矽顆粒、10Vol％磷酸二氫銨、10％聚丙烯(PP)粉、10％純鋁粉、均勻混合配比，得到混合粉末，然後在混合粉末中添加下述填料潤滑劑石墨，分散劑滑石粉，光吸收劑炭黑；(2)預製件的製備採用選區雷射燒結法，將添加了填料的混合粉末燒結預成形，再通過二次焙燒製備增強體預製件製備成Φ35mm×40mm預製件，工藝條件是雷射功率22W，掃描速度1800mm/s、鋪粉層厚0.15mm、掃描間距0.2mm；預製體放置燒結爐中緩慢加熱至750℃，後隨爐冷卻；(3)複合材料的製備採用真空變壓鑄滲法，即將預製件固定在高壓容器中的加熱器內，然後在預製件周圍放置鑄鋁合金，對預製件和鋁合金進行加熱並保持真空狀態，真空度小於100Pa，當鋁溫度達到為580℃後，停止抽真空，繼續加熱至850℃後，充入氬氣，然後調節滲透壓力，氣氛壓力分別為300Kpa5min，400Kpa10min，500Kpa15min，就可以得到增強體均勻分布、組織緻密和重複性好的複合材料。
實施例3本實施例是硼化矽顆粒增強鎂基複合材料的製備。
(1)選區雷射燒結用粉末材料的製備將11μm硼化矽顆粒、10Vol％磷酸二氫銨和5％純鎂粉均勻混合配比，得到混合粉末；(2)預製件的製備採用選區雷射燒結法，將混合粉末採用低熔點金屬粉末純鎂粉作為預製件粘接劑雷射選區燒結在氬氣氣氛下直接一次成形製備增強體預製件，製備成Φ20mm×25mm預製件，工藝條件是雷射功率150W，掃描速度800mm/s、鋪粉層厚0.16mm、掃描間距0.2mm；(3)複合材料的製備採用真空變壓鑄滲法，即將預製件固定在高壓容器中的加熱器內，然後在預製件周圍放置鎂合金，對預製件和鎂合金進行加熱並保持真空狀態，真空度小於50Pa，當鎂合金溫度達到為550℃後，停止抽真空，繼續加熱至750℃後，充入氮氣，然後調節滲透壓力，氣氛壓力分別為400Kpa5min，500Kpa10min，就可以得到增強體均勻分布、組織緻密和重複性好的複合材料。
實施例4本實施例是氧化鋁顆粒增強鎂基複合材料的製備。
(1)選區雷射燒結用粉末材料的製備將10μm氧化鋁顆粒、10Vol％磷酸二氫銨、10％聚丙烯(PP)粉、20％聚苯乙烯(PS)粉、5％純鎂粉均勻混合配比，得到混合粉末，然後在混合粉末中添加下述填料潤滑劑二硫化鉬，分散劑白炭黑，光吸收劑炭黑；(2)預製件的製備採用選區雷射燒結法，將添加了填料的混合粉末燒結預成形，再通過二次焙燒製備增強制備成Φ20mm×25mm預製件，工藝條件是雷射功率25W，掃描速度1500mm/s、鋪粉層厚0.15mm、掃描間距0.2mm；預製體放置燒結爐中緩慢加熱至700℃，後隨爐冷卻；(3)複合材料的製備採用真空變壓鑄滲法，即將預製件固定在高壓容器中的加熱器內，然後在預製件周圍放置鎂合金，對預製件和鎂合金進行加熱並保持真空狀態，真空度小於50Pa，當鎂合金溫度達到為550℃後，停止抽真空，繼續加熱至750℃後，充入壓縮空氣，然後調節滲透壓力，氣氛壓力分別為200Kpa5min，300Kpa10min，就可以得到增強體均勻分布、組織緻密和重複性好的複合材料。
權利要求
1.一種基於選區雷射燒結的顆粒增強金屬基複合材料的近淨成形製備方法，其特徵在於(1)選區雷射燒結用粉末材料的製備將增強相顆粒粉末和粘接劑均勻混合配比，得到混合粉末；(2)預製件的製備採用選區雷射燒結法，將混合粉末製備成可控增強體體積分數及任意複雜形狀增強體的預製件；(3)複合材料的製備採用真空變壓鑄滲法，即將預製件固定在高壓容器中的加熱器內，然後在預製件周圍放置基體金屬，對預製件和基體金屬進行加熱並保持真空狀態，當基體金屬溫度達到為500--1000℃後，停止抽真空，繼續加熱至600--2000℃後，充入壓縮氣體，然後調節滲透壓力，就可以得到增強體均勻分布、組織緻密和重複性好的複合材料。
2.如權利要求1所述的近淨成形製備方法，其特徵在於所述增強相顆粒粉末為碳化物、氮化物、硼化物或氧化物的一種。
3.如權利要求2所述的近淨成形製備方法，其特徵在於所述碳化物為碳化矽、碳化硼或碳化鎢，氮化物為氮化矽、氮化鋁或氮化鈦，硼化物為硼化矽或硼化鋯，氧化物為氧化鋁或氧化鋯。
4.如權利要求1所述的近淨成形製備方法，其特徵在於所述粘接劑為常規無機粘接劑、常規低熔點金屬粉末粘接劑中的一種或常規無機粘接劑與常規低熔點金屬粉末粘接劑的混合物或常規無機粘接劑與常規有機粘接劑的混合物或常規低熔點金屬粉末粘接劑與常規有機粘接劑的混合物或常規無機粘接劑、常規有機粘接劑、常規低熔點金屬粉末粘接劑的混合物。
5.如權利要求4所述的近淨成形製備方法，其特徵在於所述常規低熔點金屬粉末粘接劑為純鋁粉或純鎂粉，所述常規無機粘接劑為磷酸二氫銨或磷酸鋁，所述常規有機粘接劑為聚苯乙烯粉或聚丙烯粉。
6.如權利要求1所述的近淨成形製備方法，其特徵在於所述預製件的製備是採用低熔點金屬粉末作為預製件粘接劑雷射選區燒結直接一次成形或是採用雷射選區燒結預成形，再通過二次焙燒製備增強體預製件。
7.如權利要求1所述的近淨成形製備方法，其特徵在於所述基體金屬為鋁、鎂、銅、鈦、鎳或其合金。
8.如權利要求1所述的近淨成形製備方法，其特徵在於所述壓縮氣體為壓縮空氣、氮氣或氬氣。
全文摘要
本發明公開了一種基於選區雷射燒結的顆粒增強金屬基複合材料的近淨成形製備方法，主要用於陶瓷顆粒增強金屬基複合材料的製備。為克服現有鑄造法製備技術中增強相在基體的分散不均勻而導致性能低，以及該製備方法難以獲得高體積分數、大型複雜薄壁複合材料構件的不足。本發明採用選區雷射燒結(Selective laser sintering，SLS)的方法製備增強相體積分數容易控制的任意複雜形狀預製件，通過真空變壓滲流方法製備顆粒增強金屬基複合材料。其中真空度、滲透壓力和滲透溫度等工藝參數能得到有效全程控制，製得的複合材料具有分散均勻、組織緻密、增強體體積分數易控及可獲得大型薄壁複雜淨成形構件等優點。
文檔編號B22D19/02GK1718325SQ20051002870
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月9日 優先權日2005年8月9日
發明者徐志鋒, 餘歡, 胡美忠, 蔡長春, 俞子榮, 嚴青松, 萬紅, 鄭玉惠 申請人:南昌航空工業學院