一种梯度铝-碳基陶瓷复合材料的3D打印制备方法与流程

本发明涉及3d打印，具体地，涉及一种梯度铝-碳基陶瓷复合材料的3d打印制备方法。

背景技术：

1、铝-碳基陶瓷（如al/sic）复合材料因具有高比强度、低热膨胀系数、良好的导热性等特点，在航空航天、电子封装、汽车轻量化等领域具有广泛应用前景。传统铝-碳基陶瓷复合材料通常采用颗粒或纤维均匀增强的设计，但这种均匀性质结构难以同时满足材料在耐磨性、抗热震性、界面结合强度等多方面的性能需求。近年来，梯度结构设计被引入铝-碳基陶瓷复合材料领域，通过调控增强相（碳基陶瓷）的分布梯度（如颗粒尺寸、体积分数、排列方向等），实现材料性能的空间差异化优化。例如：表面强化层需高体积分数碳基陶瓷颗粒增强，以提升表面硬度和耐磨性；过渡层需中颗粒碳基陶瓷与铝基体形成梯度界面，以缓解热应力集中；芯部韧性层需低体积分数粗颗粒碳基陶瓷或多孔结构，以提高整体抗冲击性能。

2、尽管梯度铝-碳基陶瓷复合材料展现出显著的优势，但其制备技术仍面临挑战。传统方法（如热压烧结、粉末冶金）难以实现连续、可控的梯度变化，易导致界面结合薄弱、性能突变等问题。碳基陶瓷与铝基体的润湿性差，传统工艺难以消除界面缺陷（如气孔、反应层）。例如，通过搅拌铸造法制备的梯度材料，其界面存在al4c3脆性相，导致材料在高温下失效。此外，气相沉积（cvd）、激光熔覆等技术虽能实现梯度结构，但设备投资大、生产效率低，难以满足工业化需求。

3、近年来，3d打印技术的兴起为复合材料的制备带来了新的转机，大大提高了设计自由度和制造效率，使得以往因形状复杂而难以制造的零部件成为可能。在完成碳基陶瓷生坯3d打印后，渗铝工艺也展现出独特的优势，可以使铝液充分填充碳基陶瓷生坯的孔隙，形成连续的铝相，从而提高复合材料的致密度和整体性。然而，如何实现3d打印碳基陶瓷生坯的梯度化，并解决复杂结构成型、熔渗不完全与界面结合的难题，仍是目前行业内的技术瓶颈。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种梯度铝-碳基陶瓷复合材料的3d打印制备方法，通过动态调控碳基陶瓷粉末与造孔剂的比例，实现三维连续梯度预制体的制备，并结合真空压力浸渗工艺，有效解决复杂结构成型、熔渗不完全与界面结合的难题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种梯度铝-碳基陶瓷复合材料的3d打印制备方法，包括如下步骤：

4、s1，前处理：对碳基陶瓷粉末进行预氧化处理；

5、s2，梯度比例粉末混合：按预设的梯度比例，将预氧化处理后的碳基陶瓷粉末与造孔剂进行混合，得到具有不同比例的混合粉末；

6、s3，铺粉打印：采用粘结剂喷射3d打印技术，根据产品z轴方向不同部位的要求，使用不同梯度比例的混合粉末进行分层铺粉和打印，制成具有梯度结构的3d打印产品生坯；

7、s4，后处理：对所述3d打印产品生坯依次进行固化、脱脂和烧结处理，得到具有梯度孔隙结构的碳基陶瓷预制体；

8、s5，渗铝：将所述碳基陶瓷预制体置于真空压力浸渗炉中进行渗铝处理，得到梯度铝-碳基陶瓷复合材料。

9、在一些实施方式中，所述步骤s2中，按照产品z轴方向不同部位的性能要求，将混合粉末分为第一梯度比例、第二梯度比例和第三梯度比例；所述步骤s3中，在第1～n层铺粉中使用所述第一梯度比例的混合粉末，在第n+1～m层铺粉中使用所述第二梯度比例的混合粉末，在第m+1～z层铺粉中使用所述第三梯度比例的混合粉末，其中n、m、z为正整数且n

10、在一些实施方式中，所述步骤s2中，将所述碳基陶瓷粉末与所述造孔剂分别置于供粉系统的不同下粉槽中，通过控制各下粉槽的下粉速度来控制碳基陶瓷粉末与造孔剂的混合比例；所述步骤s3中，各下粉槽落下的粉末在铺粉槽内混合，由铺粉槽进行铺粉打印。供粉系统优选为双振动给料仓配合螺杆精确送粉，精度可达±0.5vol%。

11、在一些实施方式中，所述造孔剂为聚苯乙烯，其平均粒径为5～20μm；所述碳基陶瓷粉末为碳基陶瓷粉末，其平均粒径为20～50μm，纯度大于99.5%。

12、在一些实施方式中，所述步骤s1中，预氧化处理在马弗炉中进行，处理温度为900～1400℃，保温时间为60～120min。通过对碳基陶瓷粉末进行预氧化处理，可有效避免后期渗铝过程中碳基陶瓷与铝液发生界面反应，同时改善碳基陶瓷颗粒与铝液的润湿性。

13、在一些实施方式中，所述步骤s4中，固化温度为120～180℃，固化时间为60～180min；脱脂工艺为：以1～5℃/min的升温速率升温至350～750℃，保温1～4h，脱脂气氛为氮气或氩气，使粘结剂和造孔剂完全分解排出；之后以5～10℃/min的升温速率升温至1000～1200℃，保温1～2h，使碳基陶瓷颗粒间形成颈部连接（颈部直径＞1μm），生坯抗压强度达20～50mpa。

14、在一些实施方式中，所述步骤s5中，将所述真空压力浸渗炉抽真空至1.5～4.0mpa，以5～10℃/min的升温速率升温至680～720℃，保温5～15min后，通入高纯氮气或氩气，加注气压为2～5mpa，继续保温30～90min，使铝液充分浸渗至预制体的梯度孔隙中。

15、在一些实施方式中，所述步骤s3中，打印层厚为40～100μm，粘结剂饱和度为40%～75%，碳基陶瓷的体积分数为20%～50%。

16、本发明提供的一种梯度铝-碳基陶瓷复合材料的3d打印制备方法，通过动态调控碳基陶瓷粉末与造孔剂的比例，实现了3d打印产品在z轴方向上的连续或阶梯式梯度结构，并通过控制孔隙率（20%～50%）结合真空压力浸渗工艺，有效解决了复杂结构成型、熔渗不完全与界面结合的难题。该方法具有工艺可控性强、适用于复杂结构、界面结合优良等优点，适于工业化推广应用。

1.一种梯度铝-碳基陶瓷复合材料的3d打印制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的3d打印制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，按照产品z轴方向不同部位的性能要求，将混合粉末分为第一梯度比例、第二梯度比例和第三梯度比例；

3.根据权利要求1所述的3d打印制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，将所述碳基陶瓷粉末与所述造孔剂分别置于供粉系统的不同下粉槽中，通过控制各下粉槽的下粉速度来控制碳基陶瓷粉末与造孔剂的混合比例；

4.根据权利要求1所述的3d打印制备方法，其特征在于，所述造孔剂为聚苯乙烯，所述聚苯乙烯的平均粒径为5～20μm。

5.根据权利要求1所述的3d打印制备方法，其特征在于，所述碳基陶瓷粉末为碳基陶瓷粉末，所述碳基陶瓷的平均粒径为20～50μm，纯度大于99.5%。

6.根据权利要求1所述的3d打印制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，将所述碳基陶瓷粉末置于马弗炉中进行预氧化处理，处理温度为900～1400℃，保温时间为60～120min。

7.根据权利要求1所述的3d打印制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述固化温度为120～180℃，固化时间为60～180min。

8.根据权利要求7所述的3d打印制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述脱脂工艺为：以1～5℃/min的升温速率升温至350～750℃，保温1～4h，脱脂气氛为氮气或氩气；之后以5～10℃/min的升温速率升温至1000～1200℃，保温1～2h。

9.根据权利要求1所述的3d打印制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，将所述真空压力浸渗炉抽真空至1.5～4.0mpa，以5～10℃/min的升温速率升温至680～720℃，保温5～15min后，通入高纯氮气或氩气，加注气压为2～5mpa，继续保温30～90min。

10.根据权利要求1所述的3d打印制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，打印层厚为40～100μm，粘结剂饱和度为40%～75%，碳基陶瓷的体积分数为20%～50%。