一種複雜結構陶瓷顆粒預製體製備方法與流程
2023-04-30 06:07:21 1
本發明涉及一種複雜結構陶瓷顆粒預製體製備方法，屬於複合材料技術領域。
背景技術：
隨著工業化進程的不斷推進，在水泥、礦山、冶金等各種行業中，材料的磨損越來越嚴重，傳統的鋼鐵耐磨材料已經無法滿足實際生產的需求。陶瓷金屬基複合材料兼具陶瓷顆粒高模量、高比強度、高耐磨性和高熱穩定性的特點，以及金屬材料良好的韌性、抗衝擊能力，生產工藝簡單、成本低廉而成為製備耐磨件的理想材料。目前最經濟有效的方式是通過無壓鑄滲製備複合材料耐磨件，然而此工藝所製備的金屬基陶瓷複合材料仍存在一定的缺陷，其主要問題是陶瓷顆粒預製體製備工藝複雜、難以製備出空間結構複雜的預製體、顆粒結合強度低、顆粒與基體結合效果差。
中國發明專利cn103302268a公開了一種製備金屬基複合材料陶瓷顆粒預製體方法。其步驟是首先用陶瓷粉末製備帶空隙的陶瓷預製件，再通過鍍鎳的方式在預製件上鍍鎳，鍍鎳層厚度在10μm-200μm，將鍍鎳後的陶瓷預製體固定在型腔中，通過負壓鑄滲得到金屬陶瓷耐磨複合材料。本發明製作簡單，適合大型板件塊件的生產。但是由於此方法只是在預製件外層鍍鎳，當預製件厚度達到一定程度時內部複合效果差。同時負壓鑄滲工藝複雜、成本高，此方法難以製備結構發雜的預製體。中國發明專利cn103641487a公開了一種製備陶瓷顆粒預製體的製備方法：將粘結劑與陶瓷顆粒混合，再加入碳化矽、碳化硼等碳化物粉末及氧化物粉末充分混合，將混合好的物料填充到模具中，得到蜂窩狀多孔陶瓷預製體。此製備方法，成本低廉、適用性廣，所製備的預製體與顆粒與金屬液潤溼性好，但此方法製備的預製體強度及空間結構受到限制，無法製備空間結構複雜的顆粒預製體。
本發明將三維數字建模、雷射選區熔覆技術與微粉活化相結合，製備出了強度高、孔隙率高、空間結構複雜的陶瓷顆粒預製體，包覆在顆粒表面的活性微粉提高了金屬液與陶瓷顆粒的潤溼性和複合效果，同時複合材料中增強顆粒體積分數容易控制。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種複雜結構複合材料陶瓷顆粒預製體的製備方法，該工藝可以快速製備出強度合理、空間結構複雜、孔隙率高、顆粒與金屬潤溼性好、顆粒在金屬中分布均勻的陶瓷顆粒預製體。
為了實現上述目的，本發明的技術方案如下。
一種複雜結構陶瓷顆粒預製體製備方法，該方法具體步驟如下：
(1)採用cad、ug三維建模軟體對預製體進行數位化建模，並對預製體的數字模型沿z軸離散化處理得到預製體截面的二維平面數據；
(2)將二維平面數據導入數控系統後，數控系統根據二維平面數據信息自動生成雷射掃描路徑；
(3)將陶瓷粉、金屬粉的中的一種或幾種與無水乙醇溼混，充分攪拌並球磨得到混合粉；
(4)將混合粉與陶瓷顆粒按照特定比例充分混合得到混料，將混料進行乾燥處理後放入料鬥；
(5)鋪料刮刀在料床上鋪設混料，隨後進行選區雷射熔覆；
(6)每完成一層熔覆後料床下降一個層厚高度，重複步驟(5)直至獲得整個陶瓷顆粒預製體。
優選地，步驟(3)中，金屬粉為ni、cr、ti、fe、cu、si、w、mo，陶瓷粉為b4c、wc、sic、al2o3、zro2、y2o3、b4n、si3n4，其粒度為200-600目。
優選地，步驟(3)中，混合粉為一種或幾種金屬粉按特定比例的混合，或者一種或幾種金屬粉與一種或幾種陶瓷粉的混合。
優選地，步驟(4)中，陶瓷顆粒為氧化物顆粒、碳化物顆粒及氮化物顆粒一種或幾種的混合，其粒度在60-400目，顆粒形狀為球形。
優選地，步驟(4)中，混料中陶瓷顆粒的體積分數為10-80％。
優選地，步驟(5)中，混料是通過刮刀平鋪在料床上，隨後雷射按照設定路徑進行熔覆，逐層堆積得到陶瓷顆粒預製體。
優選地，步驟(6)中，陶瓷顆粒預製體具有任意複雜空間結構。
優選地，步驟(5)中，雷射熔覆時，雷射功率為100-1200w，掃描速度為200-1200mm/s，光斑直徑為30-80μm，成形速度在2-30mm3/s。
優選地，步驟(5)中，雷射熔覆時，熔覆過程是在高真空或充滿氬氣的工作室內完成的。
為克服傳統複合材料預製體製備工藝複雜、空間結構複雜預製體製備困難、預製體強度低以及金屬液陶瓷顆粒之間潤溼性差的問題，本發明採用三維數字建模、雷射選區熔覆結合微粉活化的方法製備出強度高、空間結構複雜、孔隙率高的陶瓷顆粒預製體，並使用本發明獲得的預製體製備出了空間結構複雜、性能優異的複合材料零部件。該方法將陶瓷和金屬微粉的一種或多種按某種比例混合、球磨後與陶瓷顆粒混合，將預製體數字模型垂直z向分層，在料床上逐層平鋪活性微粉與陶瓷顆粒的混料，然後進行選區雷射熔覆，每完成一層熔覆後工作檯下降一個層厚，逐層熔覆最後獲得整個預製體。
該發明的有益效果在於：本發明將三維數字建模與選區雷射熔覆技術相結合，可以製備出具有任意複雜空間結構的陶瓷顆粒預製體，簡化了複雜結構複合材料零部件生產工藝；本發明獲得的陶瓷顆粒預製體所製備的複合材料增強體具有較高強度，體積分數容易控制、顆粒與金屬結合性能好，增強顆粒在基體中分布均勻；鋪料與熔覆同時進行，成形速度快，便於控制，有利於實現大件預製體的快速成形；本發明獲得的陶瓷預製體與基體金屬液具有良好的潤溼性，能提供性能優異的複合材料。
附圖說明
圖1是實例1預製體所製備的mn13/鋯剛玉陶瓷顆粒複合材料組織圖。
圖2是實例1產品結構示意圖。
圖3是實例4產品立體結構示意圖。
圖4是實例4產品俯視結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式進行描述，以便更好的理解本發明。
實施例1
利用本發明方法製造一個內徑40mm、外徑50mm、長20mm、具有蜂窩結構的管狀鋯剛玉陶瓷顆粒預製體；具體步驟如下：
(1)利用cad軟體繪製一個內徑40mm、外徑50mm、長20mm的三維管狀模型，並將該模型沿z向分層處理，將立方體模型分成40個厚度為0.5mm、內徑40mm、外徑50mm的圓盤；
(2)將層狀模型數據導入數控系統生成雷射掃描路徑；
(3)將500目fe粉按照2:3比例與100目鋯剛玉陶瓷顆粒充分混合併乾燥後放入料鬥；
(4)在充滿氬氣的工作室內,鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.5mm，隨後按照設定路徑進行選區雷射熔覆；
(5)每完成一層熔覆後工作檯下降0.5mm，並重複步驟(4)，直至獲得完整預製體。圖1是實例1預製體所製備的mn13/鋯剛玉陶瓷顆粒複合材料組織圖。圖2是實例1產品結構示意圖。
實施例2
利用本發明方法製造一個內徑40mm、外徑50mm、長20mm、具有蜂窩結構的管狀陶瓷顆粒預製體；具體步驟如下：
(1)利用cad軟體繪製一個內徑40mm、外徑50mm、長20mm的三維管狀模型，並將該模型沿z向分層處理，將立方體模型分成40個厚度為0.5mm、內徑40mm、外徑50mm的圓盤；
(2)將層狀模型數據導入數控系統生成雷射掃描路徑；
(3)將500目ti、ni、fe粉按照5:3:2(質量比)充分混合併真空球磨2h，然後按照2:3比例與100目混合陶瓷顆粒(al2o3與zro2體積比為1:1)充分混合併乾燥後放入料鬥；
(4)在充滿氬氣的工作室內,鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.5mm，隨後按照設定路徑進行選區雷射熔覆；
(5)每完成一層熔覆後工作檯下降0.5mm，並重複步驟(4)，直至獲得完整預製體。
實施例3
利用本發明技術製造一個內徑40mm、外徑50mm、長20mm、具有蜂窩結構的管狀陶瓷顆粒預製體；具體步驟如下：
(1)利用cad軟體繪製一個內徑40mm、外徑50mm、長20mm的三維管狀模型，並將該模型沿z向分層處理，將立方體模型分成40個厚度為0.5mm、內徑40mm、外徑50mm的圓盤；
(2)將層狀模型數據導入數控系統生成雷射掃描路徑；
(3)將600目fe粉、al2o3粉按照4:1(質量比)比例與100目鋯剛玉陶瓷顆粒充分混合併乾燥後放入料鬥；
(4)在充滿氬氣的工作室內,鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.5mm，隨後按照設定路徑進行選區雷射熔覆；
(5)每完成一層熔覆後工作檯下降0.5mm，並重複步驟(4)，直至獲得完整預製體。
實施例4
利用本發明技術製造一個中空長方體碳化鎢陶瓷顆粒預製體；具體步驟如下：
(1)利用cad軟體繪製一個長50mm、寬40mm、高30mm，壁厚10mm的三維中空長方體結構預製體模型，並將該模型沿z向分層處理，將中空長方體分成40個層狀模型；
(2)將層狀模型數據導入數控系統生成雷射掃描路徑；
(3)將500目cr粉、ti粉、zro2粉按照2:2:1(質量比)充分混合併真空球磨1.5h後與200目碳化鎢陶瓷顆粒按照2:5充分混合併乾燥後放入料鬥；
(4)在高真空或的工作室內，鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.75mm，隨後進行選區雷射熔覆；
(5)每完成一層熔覆後工作檯下降0.75mm，並重複步驟(4)，直至獲得完整預製體。圖3是實例4產品立體結構示意圖。圖4是實例4產品俯視結構示意圖。
實施例5
利用本發明技術製造一個中空長方體碳化鎢陶瓷顆粒預製體；具體步驟如下：
(1)利用cad軟體繪製一個長50mm、寬40mm、高30mm，壁厚10mm的三維中空長方體結構預製體模型，並將該模型沿z向分層處理，將中空長方體分成40個層狀模型；
(2)將層狀模型數據導入數控系統生成雷射掃描路徑；
(3)將500目cr粉、ti粉、b4c粉、sic粉按照5:2:2:1(質量比)充分混合併真空球磨1.5h後與200目混合顆粒(wc與zro2體積比為4:1)顆粒按照2:5充分混合併乾燥後放入料鬥；
(4)在高真空或的工作室內，鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.75mm，隨後進行選區雷射熔覆；
(5)每完成一層熔覆後工作檯下降0.75mm，並重複步驟(4)，直至獲得完整預製體。
實施例6
利用本發明技術製造一個中空長方體陶瓷顆粒預製體；具體步驟如下：
(1)利用cad軟體繪製一個長50mm、寬40mm、高30mm，壁厚10mm的三維中空長方體結構預製體模型，並將該模型沿z向分層處理，將中空長方體分成40個層狀模型；
(2)將層狀模型數據導入數控系統生成雷射掃描路徑；
(3)將500目cr粉、ti粉、b4c粉、sic粉按照5:2:2:1(質量比)充分混合併真空球磨1.5h後與300目混合顆粒(b4c、al2o3、wc、zro2體積比為1:4:3:2)顆粒按照2:3充分混合併乾燥後放入料鬥；
(4)在高真空或的工作室內，鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.75mm，隨後進行選區雷射熔覆；
(5)每完成一層熔覆後工作檯下降0.75mm，並重複步驟(4)，直至獲得完整預製體。
以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。