一種快速製造功能梯度材料的製備方法
2023-10-26 04:07:12
專利名稱：一種快速製造功能梯度材料的製備方法
技術領域：
本發明屬於先進快速製造領域，具體涉及一種快速製造功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，簡稱FGMs)的製備方法。
背景技術：
FGMs是一種新型功能梯度材料，它要求材料的組元或內部結構沿某一特定方向呈規律性分布，從而使材料某種性能沿此方向產生連續或梯度變化。FGMs應用領域由單一的航空航天到核能源、電子材料、光學工程、化學工程和生物醫學等領域，並且不斷延伸。FGMs的傳統製造方法有粉末冶金法、電鍍法、自蔓延燃燒高溫合成法、等離子噴塗法、電沉積法、離心鑄造法等。例如，粉末冶金法是將10μm～100μm粒徑的粉末(金屬、陶瓷)充分混合，按組分梯度分層填充或連續成分控制填充，壓實後燒結製備FGMs，該方法應控制原料的粉末尺寸和粉末填充排列的精度，但是生產率低和難於精確控制材料成分及內部結構是其最大不足。採用電鍍法製造FGMs即通常所說的直流電鍍，通過電解的方法在固體表面獲得金屬(合金)沉積層的一種電化學過程，電鍍的目的在於改變固體材料表面特性，電鍍可以使材料改善外觀，提高耐腐蝕性能，抗耐磨性，還可使材料表面具有磁、電、光、熱等表面特性，但是這種方法只能製備FGMs塗層，生產率也較低。自蔓延燃燒高溫合成法是利用參與合成反應的粉末混合物燒結時放出的大量熱量，使反應持續進行，反應後的產物便是新材料，但是這種方法僅僅適用於發生高放熱反應的體系。等離子噴塗法是將原材料粉末送入等離子射流中，在熔融狀態下噴塗在襯底上形成覆膜，通過連續調整原料粉末的噴塗比例和輸送條件來控制覆膜的成分和組織來製備FGMs，但是這種方法製造工藝複雜，而且難於精確控制材料成分及內部結構。由上可知一般能夠直接製造出FGMs零件的方法僅限於粉末冶金法，其他方法大都停留在製備FGMs塗層上，塗層的厚度都比較小，而且，這些傳統製備方法不僅工藝複雜、製備條件高、生產效率低和難於精確控制材料成分及內部結構，因而導致材料容易產生缺陷，並且，一種製備方法往往只適用於某一特定的材料體系，應用範圍比較狹窄，如自蔓延燃燒高溫合成法只適用於發生高放熱反應的體系，而離心鑄造法只能夠生產軸對稱的FGMs等。
由上可知採用上述傳統製造方法製造FGMs大大地阻礙了FGMs的大規模生產和應用，為此，出現了幾種基於快速成形技術的FGMs製造技術，克服了傳統製造方法所存在的一些缺陷，但是更多的是通過間接方法得到。例如製造FGMs的常用快速成形技術主要有三維列印(Three Dimensionalprinting，3DP)、熔融沉積製造(Fusing Deposition Manufacturing，FDM)、選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering，SLS)。採用3DP方法製造FGMs是在噴料中加入梯度成分顆粒料漿，逐層噴射到CAD選區成形並且控制其達到區域梯度成分要求，從而製造三維FGMs。FDM是採用絲狀熱塑性材料熔融後逐層沉積在選區成形的方法，目前由於採用了向熱塑性材料中添加金屬或陶瓷顆粒的新技術，該方法可以直接成形金屬和陶瓷功能梯度原型件。在國外，Sandia國家實驗室的LENS(Laser Engineered NetShaping)系統、美國密西根大學的DMD系統和史丹福大學的SDM(ShapingDeposition Manufacturing)系統等均採用三維雷射熔覆(ThreeDimensional Laser Cladding，3DLC)技術直接製造FGMs。美國的奧斯汀大學採用SLS方法，利用液相燒結的方法製造FGMs，由於其可以控制結構和孔隙率，比較適合製造生物相容材料和化學催化劑等FGMs。SLS的製造優勢在於不需支撐，不受結構和形狀複雜的限制，但其緻密度低和強度不足是一大缺陷。在國內，哈爾濱工業大學利用疊層成型系統(LOM)和自蔓延(SHS)相結合的方法製造TiC/Ni的FGMs，其中LOM用作材料成形，SHS用於材料形坯燒結緻密化，但是製作工藝繁瑣而難於控制。
實踐證明，採用現有的快速成形技術製造FGMs是可行的，但是存在諸多缺點，例如需要脫粘和高溫後處理燒結，同時要考慮材料中不同相的燒結速率，很難避免收縮和變形，緻密度低和機械性能差等等。
發明內容
本發明的目的在於克服上述諸多不足，提供一種快速製造功能梯度材料的製備方法，採用本發明直接製造的FGMs具有收縮和變形小、緻密度高、生產周期短和機械性能好的特點。
本發明提供的一種快速製造功能梯度材料的製備方法，其步驟為(1)採用三維造型軟體設計出FGMs的CAD模型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到選擇性雷射熔化快速成形設備；(2)按照所制FGMs對性能的要求，根據上述CAD模型進行級分配料，確定各層的組分比例，並確定每一層粉末的雷射加工工藝參數；(3)將上述配製好的各層粉末進行預熱保溫處理，以降低熔化的每層以及成形件的殘餘應力；(4)送粉機構將第一層級分配料平鋪在工作平臺上，層厚為0.1mm～0.3mm；(5)在保護氣體環境下，雷射器按照步驟(2)確定的該層的雷射加工工藝參數對粉末掃描，熔化雷射作用區的粉末材料，使粉末熔化區域溫度控制在液相線以上30-100℃內，其掃描間距為0.1-0.3mm；(6)送粉機構按照相同的層厚將下一層級分配料平鋪在工作平臺上；(7)重複上述步驟(5)-(6)，對粉末進行層層掃描，直至任務完成。
因為FGMs的成分一般由兩種組元構成，而且在成形時要隨CAD模型中厚度的變化及時改變成分以滿足梯度性能要求，根據緩和熱應力的設計原則，通過具有FGMs信息的有限元軟體分析確定每層的組分比例，由計算機控制混粉機構進行每層粉末材料成分的配製，由計算機控制送粉機構來輸送與CAD模型中不同位置對應的成分粉末，然後通過光纖雷射器熔化每層粉末，層層疊加，從而完成FGMs的製造。在加工過程中不需要脫粘、高溫後處理和燒結等工藝。採用本發明直接製造FGMs具有生產率高、工藝簡單、製造成本低、取材廣泛、緻密度高和機械性能好等優點。例如用SLM快速成形技術製造含有TiC/Ni3Al/Ni成分的FGMs時，不需要脫粘、高溫後處理和燒結等工藝，生產周期相當於採用SLS方法的1/3-1/5，緻密度可以達到99％，製造的FGMs具有抗高溫氧化和腐蝕性能。
具體實施例方式
(1)用Pro/Engineer、Unigraphic等三維造型軟體設計出FGMs的CAD模型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到選擇性雷射熔化快速成形設備(即SLM設備)；(2)按照所制FGMs對性能的要求，根據上述CAD模型進行級分配料，確定各層的組分比例；並確定每一層粉末的雷射加工工藝參數，包括雷射功率、掃描速度、層厚和掃描間距。雷射加工工藝參數的確定原則為根據該層成分的熔點，來確定雷射功率、掃描速度、層厚和掃描間距，使雷射作用區的粉末熔化，為減少液面的表面張力，雷射作用區的溫度應在混合粉末的液相線以上30-100℃區域內。
例如以TiCN、WC、Co和Ni為原料製得表面為硬質高耐磨TiCN-Ni相，內部為高強韌性WC-Co相的梯度金屬陶瓷切削刀具，其Co成分在芯部沿斷面呈梯度5％體積變化，可使材料表面產生大於0.45Gpa的殘餘壓縮應力，從而表面得以強化而內部得以韌化，避免了切削時由於熱應力而造成表面層熱裂。
(3)將上述配製好的各層粉末進行預熱保溫處理，以降低熔化的每層以及成形件的殘餘應力。
(4)送粉機構將第一層級分配料平鋪在工作平臺上，層厚為0.1mm～0.3mm；(5)在氬氣或者氫氣保護氣體環境下，雷射器按照步驟(2)確定的該層的雷射加工工藝參數對粉末掃描，熔化雷射作用區的粉末材料，使粉末熔化區域溫度控制在液相線以上30-100℃內，其掃描間距為0.1-0.3mm。
(6)送粉機構按照相同的層厚將下一層級分配料平鋪在工作平臺上；(7)重複上述步驟(5)-(6)，對粉末進行層層掃描，直至任務完成。這樣最終實現FGMs的製造，工件製造完成後緩慢冷卻即可。
上述採取的材料主要為TiC/Ni3Al/Ni和Ti/ZrO2等。
實施例1通過SLM方法製造20mm厚含有TiC粉末(5μm)、Ni3Al粉末和Ni粉末(5～6μm)組分的FGMs，目的是製造耐高溫和能夠經受大幅度溫差反覆熱衝擊的FGMs。根據上面性能要求，FGMs的組成設計規則為一側表面為厚1mm的Ni，另一側表面為厚1mm的TiC，中間層Ni3Al粉末含量按照(x/d)p體積函數關係逐層遞增，TiC粉末逐層遞減。其中x是梯度層的位置坐標，d是各梯度層的總厚度，在此為20mm，p是組成分布指數，在此取值範圍為1.5～1.8。
本工藝首先用Pro/Engineer、Unigraphic等三維造型軟體設計出FGMs的實體造型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到SLM的快速成形系統中，根據所制FGMs對組分和性能的要求，通過粉末成分隨加工位置變化的函數(x/d)p進行系列配料，然後在氬氣氣氛保護下預熱到1250℃，保溫8h，由計算機控制送粉機構將配料平鋪在工作平臺上，每層的最小厚度為0.1mm，採用的TiC粉粒5μm左右，Ni3Al粉末和Ni粉末粒徑5μm～6μm左右；最後採用光纖雷射器、掃描速度(200mm/s-500mm/s)、掃描層厚(0.1mm-0.3mm)和掃描間距(0.1mm-0.2mm)，熔化掃描層粉末材料，層層疊加，實現TiC、Ni3Al和Ni的FGMs的製造，工件製造完成後緩慢冷卻至室溫。經過測試接近TiC側的殘餘應力變化範圍為-200Mpa-200Mpa，製造的FGMs耐高溫和能夠經受大幅度溫差熱衝擊。
實施例2通過SLM方法製造16mm厚Ti/ZrO2的FGMs，首先用Pro/Engineer、Unigraphic等三維造型軟體設計出FGMs的實體造型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到SLM的快速成形系統中，根據所制FGMs對組分和性能的要求，通過具有FGMs信息的CAD/CAM軟體分析粉末成分隨加工位置變化的函數關係，如按Ti/ZrO2體積之比10％的梯度增加進行系列配料，然後在氬氣氣氛保護下預熱到1100℃，保溫8h，由計算機控制送粉機構按照上述FGMs所需的加料量與加工位置之間的函數關係將配料平鋪在工作平臺上，每層的最小厚度為0.1mm，採用的W粉和Cu粉粒徑均為0.5μm左右；最後採用光纖雷射器、掃描速度(200mm/s-500mm/s)、掃描層厚(0.1mm-0.3mm)和掃描間距(0.1mm-0.2mm)，熔化掃描層粉末材料，層層疊加，實現Ti/ZrO2的FGMs的製造，工件製造完成後緩慢冷卻至室溫。經過試驗計算分析，純Ti和ZrO2兩側的均受壓應力，分別為-10Mpa和-60Mpa左右，中間大部分處在張應力狀態，這樣的應力狀態有利於提高材料的強度特性，具有較好的熱應力緩和特性。
權利要求
1.一種快速製造功能梯度材料的製備方法，其步驟為(1)採用三維造型軟體設計出FGMs的CAD模型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到選擇性雷射熔化快速成形設備；(2)按照所制FGMs對性能的要求，根據上述CAD模型進行級分配料，確定各層的組分比例，並確定每一層粉末的雷射加工工藝參數；(3)將上述配製好的各層粉末進行預熱保溫處理，以降低熔化的每層以及成形件的殘餘應力；(4)送粉機構將第一層級分配料平鋪在工作平臺上，層厚為0.1mm～0.3mm；(5)在保護氣體環境下，雷射器按照步驟(2)確定的該層的雷射加工工藝參數對粉末掃描，熔化雷射作用區的粉末材料，使粉末熔化區域溫度控制在液相線以上30-100℃內，其掃描間距為0.1-0.3mm；(6)送粉機構按照相同的層厚將下一層級分配料平鋪在工作平臺上；(7)重複上述步驟(5)-(6)，對粉末進行層層掃描，直至任務完成。
全文摘要
本發明公開了一種快速製造功能梯度材料的製備方法，該方法根據所制功能梯度材料性能的要求，將原料組分按梯度比例進行級分配料；根據各層級分配料中組分比例，確定每一層的雷射加工工藝參數；將上述配製好的各層粉末進行預熱並且保溫處理；然後通過送粉裝置平鋪在工作平臺上，層層掃描，實現功能梯度材料的製造。採用本發明直接製造FGMs具有生產率高、工藝簡單、製造成本低、取材廣泛、緻密度高和機械性能好等優點。例如用SLM快速成形技術製造含有TiC/Ni3Al/Ni成分的FGMs時，不需要脫粘、高溫後處理和燒結等工藝，生產周期相當於採用SLS方法的1/3－1/5，緻密度可以達到99％，製造的FGMs具有抗高溫氧化和腐蝕性能。
文檔編號G05B19/4097GK1803348SQ200610018290
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月24日 優先權日2006年1月24日
發明者史玉升, 黃樹槐, 魯中良, 陳國清 申請人:華中科技大學