[发明专利]一种金属基碳纳米复合材料的激光制备装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基碳纳米复合材料成型技术领域，特别涉及一种金属基碳纳米复合材料的激光制备装置及方法。

背景技术

金属基碳纳米复合材料是由碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米球等至少有一维尺度在100nm以内的碳纳米材料均匀地分布在金属及合金基体中而成。金属基碳纳米复合材料兼备传统金属/合金和碳纳米材料两者的优良性能，具有密度低、强度高、韧性好、传热导电性能好、疏水性强、耐磨损等特点，在汽车、电子、机械、航空航天等高科技领域呈现出广阔的应用前景，是新材料领域的研究热点。

目前，金属基碳纳米复合材料的制备工艺主要有：化学气相沉积法、电化学沉积法、放电等离子体烧结法、粉末冶金法、机械合金化-热压法、熔融固化法等。其中常用的金属基体主要有：铝基、铜基、铁基、镍基等。目前的制备工艺在制备金属基碳纳米复合材料方面周期长、效率低，质量较差；且很难满足产品外形个性化、复杂化、多样化的要求；此外，金属基体与碳纳米材料之间的界面相互作用直接影响金属基碳纳米复合材料的性能，大多数金属基体与碳纳米材料之间主要是物理接触，极少有化学结合，很难形成牢固的结合界面，从而导致复合材料的电、热、力学等性能较差；碳纳米材料具有纳米量级的尺度，比表面积大，比表面能高，极易发生缠绕团聚，不易均匀、弥散地分散在金属基体中，影响碳纳米管的增强效果。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种金属基碳纳米复合材料的激光制备装置，该装置通过数控系统对铺粉器、激光器、调温器等进行集中控制，具有实时性强、处理速度快等优点，本发明制备金属基碳纳米复合材料周期短、效率高，精度高、性能好，同时本发明还提供一种

为达到上述目的之一，本发明提供如下技术方案：一种金属基碳纳米复合材料的激光制备装置，其特征在于：包括数控系统1、真空成型室7和升降系统13，所述真空成型室7内设置有工作头3和基板14；所述真空成型室7外设置有送粉器2、碳源气体发生器11、激光器4和激光传输装置5；所述送粉器2控制工作头3将金属粉末铺设于基板14上；所述激光器4发出激光束经激光传输装置5对金属粉末进行烧结；所述碳源气体生发器11在用在激光束对金属粉末进行烧结时通入碳源气体；所述升降系统13用于控制基板14的上升或下降；所述数控系统1分别与激光器4、送粉器2和碳源气体发生器11连接。

本发明的装置中，其数控系统负责协调控制激光开关、激光种类、激光功率、金属基体种类(铜、镍、铁等)、活性元素源、铺粉层厚、碳源种类、碳纳米材料含量、预热温度、扫描振境的聚焦位置、扫描速度、扫描间距、扫描策略等重要工艺参数。

进一步，还包括调温器12和与调温器连接的温度补偿装置15，所述调温器12与数控系统1连接，所述调温器12用于控制温度补偿装置15对激光烧结区进行工作温度补偿和有效控制；所述温度补偿装置围绕着激光烧结区铺设在基板14上。

进一步，还包括有设置在真空成型室7上的进气口8和出气口9。

进一步，所述出气口9与尾气处理装置10连接。

为达到上述目的之二，本发明提供如下技术方案：一种金属基碳纳米复合材料的激光制备方法，具体包括以下步骤：

步骤(1).建立零部件的三维模型，并进行分层离散，生成扫描路径数据，并将数据导入到数控系统中；

步骤(2).先对真空成型室抽真空，然后向真空成型室内注入惰性气体，控制成型室内的氧浓度在一定浓度范围内；

步骤(3).送粉器向真空成型室内送入金属粉末，铺设一层金属粉末到基板上，同时将多余的金属粉末回收；

步骤(4).按照预设的图形数据，激光束扫描金属粉末，在金属粉末的加工平面上形成聚焦光斑，熔化金属粉末形成零件单层截面；同时碳源气体发生器通入碳源气体，其通过高温区域时，被热解并催化生成各类碳纳米结构材料，所述碳纳米结构材料与融化凝固过程中的金属基体进行复合，以形成金属基碳纳米复合材料；

步骤(5).根据步骤(1)生成的扫描路径，重复步骤(3)～(5)，通过逐层烧结的方法实现金属基碳纳米复合材料的三维加工，获得成型的金属基碳纳米复合零部件。

进一步，金属粉末在预置到基板前先使用加热器预热。

进一步，步骤(4)与步骤(5)之间还包括步骤(41)；所述步骤(41)具体为：利用红外测温仪测试激光烧结区工作温度，并通过调温器控制温度补偿装置对激光烧结区进行工作温度补偿和有效控制。

进一步，所述金属粉末中包含有Ti、Ni等活性元素。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：