一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法

1.本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法。


背景技术：

2.增材制造技术即3d打印技术，是一种通过材料的叠加来完成打印的先进制造技术。选区激光熔化技术(selectivelasermelting，slm)作为其重要组成部分，是以金属粉末为原材料，激光按预设的扫描路线熔化金属粉末，快速冷却凝固后形成金属片层，成形精度高，极具发展前景，常被用来制造陶瓷-金属复合材料。
3.目前使用slm来制造陶瓷-金属复合材料时，都是先使用球磨混合的方法来将陶瓷粉末与金属合金粉末进行混合，然后再进行slm打印。通常，这种方法所添加的陶瓷粉末体积分数较低，且加入陶瓷粉末后也易引起熔化后的熔体不能够均匀铺展，使得陶瓷颗粒与金属基体之间的润湿性不足而产生大量孔隙，致密度差；这严重地限制了陶瓷-金属复合材料在slm增材制造领域的发展。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，将纯陶瓷粉末或陶瓷-金属复合粉末置于粉料缸1，金属合金粉末置于粉料缸2，采用分层铺粉的方式进行slm打印，打印过程中所产生的熔体具有更好的流动性，可制造出陶瓷含量高且致密度高的陶瓷-金属复合材料。具体采用的技术方案如下：
5.本发明提供了一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
6.s1.将陶瓷或陶瓷-金属复合粉末置于粉料缸1，金属粉末置于粉料缸2；
7.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层；
8.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层；
9.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印；
10.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
11.优选的，步骤s1中，所述陶瓷-金属复合粉末由陶瓷粉末和金属粉末制备，所述陶瓷包括金刚石、铸造wc、wc、sic、tic、tib2、ticn、si3n4中的至少一种；所述金属包括铁基、铝基、钛基、镍基、钴基、铜基、镁基、锆基、钨基、钼基、钽基金属或合金中至少一种；所述陶瓷粉末的尺寸为0.1-120μm，所述金属粉末的平均粒径范围为0.1-120μm。
12.这里的陶瓷包括陶瓷-金属复合粉末中的陶瓷，也包括直接用于分层打印的粉料缸1中纯陶瓷；这里的金属包括陶瓷-金属复合粉末中的金属，也包括直接用于分层打印的粉料缸2中的金属粉末。
13.当粉料缸1中为纯陶瓷时，所述陶瓷粉末的尺寸即为直接用于分层打印的粉料缸1中纯陶瓷粉末的尺寸；当粉料缸1中为陶瓷-金属复合粉末时，所述陶瓷粉末的尺寸为用于制备陶瓷-金属复合材料的陶瓷粉末的尺寸。
14.当粉料缸1中为纯陶瓷时，所述金属粉末的平均粒径为直接用于分层打印的粉料
缸2中的金属粉末的平均粒径；当粉料缸1中为陶瓷-金属复合粉末时，所述金属粉末的平均粒径既为用于制备陶瓷-金属复合材料的金属粉末的平均粒径，也为粉料缸2中的金属粉末的平均粒径。
15.进一步优选的，所述陶瓷粉末的尺寸为10-50μm，所述金属粉末的平均粒径范围为20-50μm。
16.优选的，所述粉料缸1中陶瓷-金属复合粉末中的金属与所述粉料缸2中的金属粉末为同一材质。
17.优选的，步骤s1所述的陶瓷-金属复合材料中，陶瓷粉末所占体积比例为1-99％。进一步优选的，步骤s1所述的陶瓷-金属复合材料中，陶瓷粉末所占体积比例为20-60％。
18.优选的，步骤s2所述当前层的层厚范围为10-40μm。
19.优选的，步骤s3所述当前层的层厚范围为10-40μm。
20.优选的，步骤s4所述的保护气包括氩气或氮气。
21.优选的，步骤s4所述的slm工艺包括激光功率、扫描速度、扫描间距；其中，激光光斑20-80μm，激光功率为10-1000w，扫描速度为100-2500mm/s，扫描间距为0.01-0.08mm。
22.本发明的有益效果：将纯陶瓷或陶瓷-金属复合粉末置于粉料缸1，金属粉末置于粉料缸2，采用分层铺粉的方式进行，先铺一层陶瓷或陶瓷-金属复合粉末，然后再铺一层金属粉末，或者先铺一层金属粉末，然后再铺一层陶瓷或陶瓷-金属复合粉末，铺两层粉体后再进行增材制造打印，然后循环往复进行铺粉及打印动作，直至整个增材制造过程完成；与陶瓷-金属复合粉末直接置于粉料缸相比，在slm打印过程中，前者所产生的熔体具有更好的流动性，可制造出陶瓷含量高且致密度高的陶瓷-金属复合材料。
23.采用本发明将金刚石-alsi10mg(体积比9:1)与alsi10mg分层打印，金刚石陶瓷体积含量为45％时，制备得到的陶瓷-金属复合材料的致密度可达99.2％；而将金刚石-alsi10mg(体积比9:11)混合粉末采用slm打印工艺打印时，打印失败。
24.采用本发明将铸造wc-co(体积比4:1)与co分层打印，铸造wc陶瓷体积含量为40％，制备得到的陶瓷-金属复合材料的致密度可达99.1％；而将铸造wc-co(体积比4:6)混合粉末采用slm打印工艺打印时，打印失败。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
26.本发明所述的所述金属粉末包括纯金属、金属基复合材料、合金。
27.本发明通过阿基米德排水法测量致密度。
28.本发明所述的陶瓷-金属复合粉末可通过陶瓷粉末与金属粉末直接球磨混合制备。
29.实施例1
30.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
31.s1.将体积比为1：1的金刚石-alsi10mg复合粉末置于粉料缸1，alsi10mg粉末置于粉料缸2，其中金刚石尺寸为45μm，alsi10mg粉末平均粒径为35μm；
32.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚10μm；
33.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚10μm；
34.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印，激光光斑80μm，激光功率为300w，扫描速度为1600mm/s，扫描间距为0.05mm；
35.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
36.通过本发明的成型方法，测得打印样品的致密度为98.7％，打印得到的样品中陶瓷所占的体积比为25％。
37.所述惰性气体为氩气。
38.实施例2
39.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
40.s1.将体积比为9：1的金刚石-alsi10mg复合粉末置于粉料缸1，alsi10mg粉末置于粉料缸2，其中金刚石尺寸为45μm，alsi10mg粉末平均粒径为35μm；
41.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
42.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
43.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印，激光光斑80μm，激光功率为200w，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.05mm；
44.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
45.通过本发明的成型方法，测得打印样品的致密度为99.2％，打印得到的样品中陶瓷所占的体积比为45％。
46.所述惰性气体为氩气。
47.实施例3
48.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
49.s1.将体积比为4：1的铸造wc-co复合粉末置于粉料缸1，co粉置于粉料缸2，其中铸造wc粒度为42μm，co粉平均粒径为20μm；
50.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
51.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
52.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印，激光光斑60μm，激光功率为200w，扫描速度为800mm/s，扫描间距为0.04mm；
53.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
54.通过本发明的成型方法，测得打印样品的致密度为99.1％，打印得到的样品中陶瓷所占的体积比为40％。
55.进一步的，所述惰性气体为氮气。
56.实施例4
57.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
58.s1.将纯sic粉末置于粉料缸1，316不锈钢粉末置于粉料缸2，其中sic粒度为20μm，316不锈钢粉末平均粒径为41μm；
59.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
60.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
61.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印，激光光斑40μm，激光功率为260w，扫描速
度为2100mm/s，扫描间距为0.05mm；
62.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
63.通过本发明的成型方法，测得打印样品的致密度为98.7％，打印得到的样品中陶瓷所占的体积比为50％。
64.所述惰性气体为氩气。
65.实施例5
66.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
67.s1.将纯tic粉末置于粉料缸1，ni粉置于粉料缸2，其中tic粒度为30μm，ni粉平均粒径为32μm；
68.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚30μm；
69.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚30μm；
70.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印，激光光斑70μm，激光功率为250w，扫描速度为1100mm/s，扫描间距为0.05mm；
71.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
72.通过本发明的成型方法，测得打印样品的致密度为98.9％，打印得到的样品中陶瓷所占的体积比为50％。
73.进一步的，所述惰性气体为氮气。
74.实施例6
75.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
76.s1.将体积比为9：1的tib
2-cu-sn复合粉末置于粉料缸1，cu-sn粉末置于粉料缸2，其中tib2粒度尺寸为35μm，cu-sn粉末平均粒径为45μm；
77.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
78.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
79.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印，激光光斑60μm，激光功率为230w，扫描速度为900mm/s，扫描间距为0.05mm；
80.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
81.通过本发明的成型方法，测得打印样品的致密度为98.5％，打印得到的样品中陶瓷所占的体积比为45％。
82.进一步的，所述惰性气体为氮气。
83.实施例7
84.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
85.s1.纯ticn粉末置于粉料缸1，alsi7mg粉末置于粉料缸2，其中ticn尺寸为32μm，alsi7mg粉末平均粒径为35μm；
86.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
87.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
88.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印，激光光斑50μm，激光功率为360w，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.05mm；
89.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
90.通过本发明的成型方法，测得打印样品的致密度为98.6％，打印得到的样品中陶
瓷所占的体积比为50％。
91.进一步的，所述惰性气体为氮气。
92.实施例8
93.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
94.s1.将体积比为9：1的si3n
4-alsi7mg复合粉末置于粉料缸1，alsi7mg粉末置于粉料缸2，其中si3n4尺寸为30μm，alsi7mg粉末平均粒径为45μm；
95.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚30μm；
96.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚30μm；
97.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印，激光光斑60μm，激光功率为355w，扫描速度为1600mm/s，扫描间距为0.05mm；
98.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
99.通过本发明的成型方法，测得打印样品的致密度为98.6％，打印得到的样品中陶瓷所占的体积比为45％。
100.进一步的，所述惰性气体为氩气。
101.实施例9
102.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
103.s1.将体积比为5：5：1的金刚石-铸造wc-tc4复合粉末置于粉料缸1，tc4粉末置于粉料缸2，其中金刚石尺寸为10μm，铸造wc尺寸为40μm，tc4粉末平均粒径为50μm；
104.s2.将粉料缸1或2中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
105.s3.将粉料缸2或1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚20μm；
106.s4.在保护气的气氛下进行slm工艺打印，激光光斑80μm，激光功率为310w，扫描速度为1700mm/s，扫描间距为0.06mm；
107.s5.重复步骤s2-s4，直至打印完毕。
108.通过本发明的成型方法，测得打印样品的致密度为98.4％，打印得到的样品中陶瓷所占的体积比为45.45％。
109.进一步的，所述惰性气体为氩气。
110.对比例1
111.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
112.s1.将体积比为9:11的金刚石-alsi10mg复合粉末置于粉料缸，其中金刚石尺寸为45μm，alsi10mg粉末平均粒径为35μm；
113.s2.将粉料缸中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚40μm；
114.s3.在氩气保护下进行slm工艺打印，激光光斑80μm，激光功率为200w，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.05mm；。
115.发现无法成形，打印失败。
116.对比例2
117.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
118.s1.将体积比为4：6的铸造wc-co复合粉末置于粉料缸，其中铸造wc尺寸为42μm，co粉平均粒径为20μm；
119.s2.将粉料缸中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚40μm；
120.s3.在氮气保护下进行slm工艺打印，激光光斑60μm，激光功率为200w，扫描速度为800mm/s，扫描间距为0.04mm；
121.发现无法成形，打印失败。
122.对比例3
123.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
124.s1.将体积比为3：7的tic-ni复合粉末置于粉料缸，其中tic尺寸为30μm，ni粉平均粒径为34μm；
125.s2.将粉料缸中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚30μm；
126.s3.在氮气保护下进行slm工艺打印，激光光斑50μm，激光功率为320w，扫描速度为1400mm/s，扫描间距为0.05mm；
127.发现无法成形，打印失败。
128.对比例4
129.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
130.s1.将体积比为3：7的tib
2-cu-sn复合粉末置于粉料缸，其中tib2尺寸为35μm，cu-sn粉末平均粒径为45μm；
131.s2.将粉料缸中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚30μm；
132.s3.在氮气保护下进行slm工艺打印，激光光斑60μm，激光功率为230w，扫描速度为900mm/s，扫描间距为0.05mm；
133.发现无法成形，打印失败。
134.对比例5
135.一种陶瓷-金属复合材料增材制造方法，包括以下具体步骤：
136.s1.将体积比为2：3的ticn-alsi7mg复合粉末置于粉料缸，其中ticn尺寸为32μm，alsi7mg粉末平均粒径为35μm；
137.s2.将粉料缸1中粉末平铺到成型缸，得到当前层，层厚40μm；
138.s3.在氮气保护下进行slm工艺打印，激光光斑50μm，激光功率为360w，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.05mm；
139.发现无法成形，打印失败。
140.表1实施例制备样品性能参数及对比参数
[0141][0142]
由表可知，本发明所述的分料、分层铺粉的slm打印方法广泛适用于陶瓷-金属复合材料的打印且致密度好；而采用现有技术的混合粉末进行打印，打印失败。
[0143]
尤其，采用本发明将金刚石-alsi10mg(9:1)与alsi10mg分层打印，金刚石陶瓷体积含量为45％时，制备得到的陶瓷-金属复合材料的致密度可达99.2％；而将金刚石-alsi10mg(9:11)混合粉末采用slm打印工艺打印时，打印失败。
[0144]
采用本发明将铸造wc-co(4:1)与co分层打印，铸造wc陶瓷体积含量为40％，制备得到的陶瓷-金属复合材料的致密度可达99.1％；而将铸造wc-co(4:6)混合粉末采用slm打印工艺打印时，打印失败。
[0145]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0146]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过本领域任一现有技术实现。