一種超級合金3D列印複合材料製備方法與流程
2024-04-01 19:01:05
本發明涉及3D列印材料技術領域，具體涉及一種超級合金3D列印複合材料製備方法。
背景技術：
3D列印(3DP)是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層列印的方式來構造物體的技術。
3D列印通常是採用數位技術材料印表機來實現的。常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型，後逐漸用於一些產品的直接製造，已經有使用這種技術列印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建築、工程和施工(AEC)、汽車，航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍枝以及其他領域都有所應用。
3DP已被證明可以製造各種由金屬、陶瓷和聚合物材料組成的複雜形狀部件。與聚合物基材料不同，採用三維列印工藝製造金屬和陶瓷部件仍然處於研發階段，需要找到材料和新方法克服現有工藝的不足，3DP的工藝特點為粉體顆粒堆垛並由粘結劑粘結在一起，3DP坯體的孔隙較多，這導致3DP部件的強度較低。為了提高3DP材料的強度，需要採用後處理工藝，其中常用的後處理工藝為燒結工藝，其燒結溫度需要一臨界值，既保證提高材料密度又不改變材料組織結構和部件外形結構，但是，燒結後的材料線收縮率很大。
技術實現要素：
針對以上問題，本發明提供了一種超級合金3D列印複合材料，製備的Ti3AlC2增韌Ti2O3-Al2O3複合材料具有密度低、硬度高、抗腐蝕、抗磨損以及良好的高溫抗氧化性能，該工藝解決了3DP配體孔隙率較多導致3DP部件的強度較低的問題，既能保證提高材料密度又不改變材料組織結構和部件外形結構，燒結後的材料線收縮率有所下降，可以有效解決背景技術中的問題。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：一種超級合金3D列印複合材料製備方法，採用如下配方與工藝：
配方：
四氯化鈦40-48份、乙腈12-14份、三級胺24-29份、偏二甲肼4-9份、氰化氫1-5份、氫氣1-3份、氮氣30-36份、TiO2粉30-40份、TiC粉10-15份、糊精粉20-24份。
加工工藝：
(1)採用中溫化學氣相沉積方法，以有機化合物乙腈、三級胺、偏二甲肼、氰化氫為主要反應氣體與四氯化鈦、氫氣和氮氣在700-900℃溫度下產生分解、化合反應,生成Ti(C.N)材料；
(2)將TiO2粉、TiC粉、糊精粉以及上述步驟(1)得到的Ti(C.N)材料與蒸餾水混合，球磨10-24h混合均勻，採用真空冷凍—乾燥儀去除水分，過篩得到混合粉體；
(3)所得混合粉體經三維列印成型製成預製體，在惰性氣氛中1400-1500℃燒結30-50min；
(4)將定量的鋁錠放置在燒結的預製體表面，並放入剛玉坩堝中，在1300-1500℃保溫70-100min，得到Ti3AlC2增韌Ti2O3-Al2O3複合材料。
本發明的有益效果：
本發明製備的Ti3AlC2增韌Ti2O3-Al2O3複合材料具有密度低、硬度高、抗腐蝕、抗磨損以及良好的高溫抗氧化性能，該工藝解決了3DP配體孔隙率較多導致3DP部件的強度較低的問題，既能保證提高材料密度又不改變材料組織結構和部件外形結構，燒結後的材料線收縮率有所下降。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
實施例1：
本發明提供了一種超級合金3D列印複合材料，其配方為：
四氯化鈦40份、乙腈12份、三級胺24份、偏二甲肼4份、氰化氫1份、氫氣1份、氮氣30份、TiO2粉30份、TiC粉10份、糊精粉20份。
其製備工藝包括如下步驟：
(1)採用中溫化學氣相沉積方法，以有機化合物乙腈、三級胺、偏二甲肼、氰化氫為主要反應氣體與四氯化鈦、氫氣和氮氣在700℃溫度下產生分解、化合反應,生成Ti(C.N)材料；
(2)將TiO2粉、TiC粉、糊精粉以及上述步驟(1)得到的Ti(C.N)材料與蒸餾水混合，球磨10h混合均勻，採用真空冷凍—乾燥儀去除水分，過篩得到混合粉體；
(3)所得混合粉體經三維列印成型製成預製體，在惰性氣氛中1400℃燒結30min；
(4)將定量的鋁錠放置在燒結的預製體表面，並放入剛玉坩堝中，在1300℃保溫70min，得到Ti3AlC2增韌Ti2O3-Al2O3複合材料。
實施例2：
本發明提供了一種超級合金3D列印複合材料，其配方為：
四氯化鈦46份、乙腈13份、三級胺26份、偏二甲肼6份、氰化氫4份、氫氣2份、氮氣35份、TiO2粉35份、TiC粉13份、糊精粉22份。
其製備工藝包括如下步驟：
(1)採用中溫化學氣相沉積方法，以有機化合物乙腈、三級胺、偏二甲肼、氰化氫為主要反應氣體與四氯化鈦、氫氣和氮氣在700-900℃溫度下產生分解、化合反應,生成Ti(C.N)材料；
(2)將TiO2粉、TiC粉、糊精粉以及上述步驟(1)得到的Ti(C.N)材料與蒸餾水混合，球磨18h混合均勻，採用真空冷凍—乾燥儀去除水分，過篩得到混合粉體；
(3)所得混合粉體經三維列印成型製成預製體，在惰性氣氛中1450℃燒結40min。
(4)將定量的鋁錠放置在燒結的預製體表面，並放入剛玉坩堝中，在1400℃保溫85min，得到Ti3AlC2增韌Ti2O3-Al2O3複合材料。
實施例3：
本發明提供了一種超級合金3D列印複合材料，其配方為：
四氯化鈦48份、乙腈14份、三級胺29份、偏二甲肼9份、氰化氫5份、氫氣3份、氮氣36份、TiO2粉40份、TiC粉15份、糊精粉24份。
其製備工藝包括如下步驟：
(1)採用中溫化學氣相沉積方法，以有機化合物乙腈、三級胺、偏二甲肼、氰化氫為主要反應氣體與四氯化鈦、氫氣和氮氣在900℃溫度下產生分解、化合反應,生成Ti(C.N)材料；
(2)將TiO2粉、TiC粉、糊精粉以及上述步驟(1)得到的Ti(C.N)材料與蒸餾水混合，球磨24h混合均勻，採用真空冷凍—乾燥儀去除水分，過篩得到混合粉體；
(3)所得混合粉體經三維列印成型製成預製體，在惰性氣氛中1500℃燒結50min。
(4)將定量的鋁錠放置在燒結的預製體表面，並放入剛玉坩堝中，在1500℃保溫100min，得到Ti3AlC2增韌Ti2O3-Al2O3複合材料。
在以上過程中，三維列印成型的預製體孔隙率為55％，預燒結後的預製體孔隙率為63％，孔隙率的增加是糊精分解導致的。在熱解過程中，預製體中的糊精在800℃分解成碳，而碳在燒結過程中於1400℃把TiO2還原成Ti2O3。
採用以上工藝可近尺寸製備複雜形狀的部件，三維列印預製體滲Al後得到了Ti3AlC2增韌TiAl3—Al2O3複合材料部件，CAD模型相比，三維列印複合材料的面內體積膨脹僅為1.5％，垂直於面內方向的體積收縮僅為3.2％。
採用Ti3AlC2增韌TiAl3—Al2O3複合材料單邊切口試樣進行了裂紋擴展行為研究，結果表明，該複合材料表現出顯著的R-曲線行為。Ti3AlC2的納米層狀結構減小了裂紋尖端應力，增加了裂紋表面，起到了裂紋橋接和釘扎的作用，這導致裂紋擴展阻力隨著裂紋的擴展而增加。
三維列印工藝具有成本低、周期短、易操作等優點。採用三維列印成型與反應熔體滲透工藝相結合，不但可實現複雜形狀部件的近尺寸製造，而且可實現新型陶瓷基複合材料的組分和微結構設計，從而可同步獲得性能優異的陶瓷基複合材料及其複雜形狀部件。
基於上述，本發明的優點在於，本發明製備的Ti3AlC2增韌Ti2O3-Al2O3複合材料具有密度低、硬度高、抗腐蝕、抗磨損以及良好的高溫抗氧化性能，該工藝解決了3DP配體孔隙率較多導致3DP部件的強度較低的問題，既能保證提高材料密度又不改變材料組織結構和部件外形結構，燒結後的材料線收縮率有所下降。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。