[发明专利]一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法

摘要

本发明涉及一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法。其步骤包括Bi‑Sn颗粒增强陶瓷基复合材料设计，陶瓷基材的确定及颗粒的准备，Bi‑Sn合金颗粒的制备与保存，成形件数模切片分层处理，成形件的激光增材制造，成形件的无损检测，以及后处理获得最终成形件。其具有成形零件内应力极小、综合性能强，综合成本低、成形件重量轻，表面光滑，能够满足使用要求、提高其使用寿命等优点。

主权项

一种金属增韧陶瓷基复合材料零件增材制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：1）首先进行Bi‑Sn合金颗粒增韧陶瓷基复合材料的材料设计，确定陶瓷基材，其中陶瓷基材包括SiO2、Al2O3、Si3N4、TiC、TiN、TiC+TiN、h‑NB、WC、长石、石英中任一种或其组合；2）确定陶瓷基材的种类及其颗粒的准备，根据成形件的性能要求，确定采用何种陶瓷材料作为主料，其中陶瓷材料颗粒的粒径为30‑300μm，将其颗粒放置于设置在增材制造机床的送粉器中，并进行烘干保温处理，保温时的温度为800‑1000℃，留作备用；3）采用雾化法制备Bi‑Sn合金，该合金颗粒的粒径为30‑300μm，将其加热熔化至液态，熔化温度为139‑232℃，将液态的Bi‑Sn合金放置于设置在增材制造机床的激光器喷头附近的液态合金喷头中保温，留作备用，保温时的温度为80‑100℃；4）在计算机上利用CAD三维制图软件对金属件的STL三维模型进行切片分层处理，增材制造工艺参数输入至计算机中，层厚为0.3‑3mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；5）计算机控制系统控制3D打印机送粉器送粉，启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，逐层对步骤4） 中的切片分层进行成形，获得成形件，材料输送包括工控机控制陶瓷材料粉末的送粉量以及液态Bi‑Sn合金的送液量，两者匹配以达到材料设计的成分要求，启动激光器进行陶瓷材料的选区熔化或者熔覆，过程中采用惰性气体保护，进行逐层加工，将液态Bi‑Sn合金喷射到激光器的焦点附近，使其与熔融的陶瓷材料混合；其中，激光器的具体参数为：功率P=400‑10000W，光斑直径D=2‑8mm，扫描速度V=2‑3m/min，搭接率为30‑40%，液态Bi‑Sn合金的加压喷射速率为50‑200m/s，喷射的液滴直径范围为10‑30μm，液态Bi‑Sn合金与陶瓷材料粉末的质量百分比为10‑30%；6）对上述步骤5）中的成形件进行无损检测，其中该无损检测的方法包括：扫描路径下成形材料熔化与凝固时的物理性状观察；扫描过程中温度场和残余应力场的三维分析与显示；陶瓷材料粉末熔化与凝固过程仿真，以及预测成形件的机械性能；进行成形件机械性能综合检测，同时与仿真结果进行对比；7）完成上述步骤6）后，对金属成形件进行后处理得到最终金属成形件，后处理包括喷砂处理和/或抛光处理，使成形件的精度和表面粗糙度达到设计要求。