磁力搅拌器辅助陶瓷颗粒增强铝基复合材料成型

 

　　近年来，陶瓷颗粒增强铝基复合材料由于具有优异的物理、化学性能，在工业应用中逐渐替代金属合金，现已被广泛用作功能材料以及工程材料，应用于能源、汽车、通讯以及航空航天等很多领域。陶瓷颗粒增强铝基复合材料可以通过粉末冶金、搅拌铸造法、熔体渗透法以及喷射沉积法等很多方法进行制备。陶瓷颗粒既可以作为增强相，也可以作为合金的异质形核核心，促进α-Al的异质形核，通过提高形核率的方式细化合金的凝固组织。可作为增强相的陶瓷颗粒有很多种，包括过渡金属碳化物、氮化物、硼化物，可根据所需复合材料的性质对增强相进行选择。TiC和TiB2具有低密度、熔点高、热稳定性好、化学稳定性好、硬度高以及耐磨性好等特点，可以作为增强相来强化合金，同时TiC-TiB2复合材料在适当的反应物比例下可通过反应热压、瞬态塑性相处理、自蔓延高温合成(SHS)(也称为燃烧合成)和火花等离子烧结等技术制备，然而，由于反应物的高熔点以及缺乏预活化反应，体系中的反应有些难以引发，并且一旦反应发生将会非常剧烈，使得最终产物出现裂纹，解决这些问题的一个方案是将熔点低的金属加入到体系中，将Al加入到其中可以很好地解决这个问题。结合铝基体所带有的塑性和高强韧性，形成具有优异性能的复合体系。传统的制造方法可以成功地制备出(TiC-TiB2)/Al复合材料，同时又存在一些局限性，若想制造出具有复杂结构的样件，需要制作出很复杂的模具，过程繁琐且不容易实现，同时传统的制造方法也需要将材料进行切削加工，导致浪费原料，提高成本。

 

　　3D打印又被称为增材制造，是一种快速且低成本的新型制造技术，可在一定程度上替代传统制造技术。自从20世纪80年代初发明以来，3D打印已经应用于包括环境科学、生物科学、医疗器械制造等很多的领域。这项技术具有快速制造几乎任何复杂三维结构的实物的能力，并且不需要对材料进行切削加工，大大节省了原材料，提高了原材料的利用率。3D打印技术可以根据产品设计的需要，通过CAD软件画出所需要制造的产品的三维模型，然后将三维模型进行切片处理成逐层的的截面，然后在3D打印机上读取切片的文件，通过逐层打印的方式一层一层地连接成所需的产品。3D打印分为很多种，如熔融沉积成型，选择性激光烧结，立体光刻技术等，可根据材料性质的不同选择合适的工艺。传统工艺如铸造、模锻等需要许多工装模具，会导致成本的提高。传统制造的设计思路是先生成三维构想，再通过平面思维进行二维图纸绘制，然后进行三维制造。与传统工艺相比，3D打印技术成型速度快，可以减少加工时间，并且可以通过计算机对零件三维结构的设计实现三维构想，突破二维制造思维对设计师的束缚，克服零件制造上的困难，使设计师将主要精力放在产品结构与功能的优化上，直接面向三维属性产品的生产。

 

　　综上，可通过3D打印技术结合烧结的方法制备出(TiC-TiB2)/Al复合材料，这种方法可以减少原料的浪费，没有繁琐的加工过程，可根据需要制造出任何形状的产品，快速高效，具有重要的应用价值。

 

　　发明内容

 

　　本发明针对传统陶瓷颗粒增强铝基复合材料制备工艺的一些局限，提供一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的3D打印成型方法。

 

　　为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

 

　　一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的3D打印成型方法,包括以下步骤：

 

　　(1)粉体混合，具体如下：

 

　　(1a)称取Al粉、Ti粉以及B4C粉共100g。其中Al粉的粒度为10～48μm,纯度≥99.7wt.％；Ti粉的粒度为5～25μm,纯度≥99.5wt.％；B4C粉的粒度为1～13μm，纯度≥98.0wt.％。Ti和B4C的摩尔比为3：1。各组分反应物粉体质量分数范围如下：30wt.％≤Al≤50wt.％；36wt.％≤Ti≤50.4wt.％；14wt.％≤B4C≤19.6wt.％。

 

　　(1b)将以上称量好的粉料放入球磨罐内，罐中预先盛有直径为2mm～40mm的研磨球，球磨罐安装于行星式混料机中，混料机的转速设置为50～80r/min，均匀混合的时间为10～16h。

 

　　(2)Al-Ti-B4C体系的3D打印成型，具体如下：

 

　　(2a)将聚乙烯醇与水一起加入到烧杯中，其中聚乙烯醇与水的质量比为9:1，然后将烧杯中加入转子后放入到集热式恒温加热磁力搅拌器中在90℃时搅拌1-2小时，再将烧杯拿出，制得聚乙烯醇溶液；

 

　　(2b)将步骤(1)中混合好的粉料与粘结剂聚乙烯醇溶液混合制成浆料，其中聚乙烯醇溶液所占浆料比例为42～45wt.％，先机械搅拌3-5min,再超声处理2-4min,制备成混合均匀的浆料；

 

　　(2c)用CAD软件绘制所需产品的模型，再将所制成的三维模型进行切片处理“分区”成逐层的的截面，制成切片文件。

 

　　(2d)将所制备的浆料放入塑料针筒中，将针头与针筒连接，针头直径为1～1.2mm，再将塑料塞塞入针筒，压实后排出气泡，然后将针筒放入挤出式3D打印机的推杆下，将制成的切片文件导入到3D打印机中，之后3D打印机开始打印，打印速度为5-12mm/min，打印完成后将所打印出的样件在室温下进行固化，固化时间为12-20小时。

 

　　(3)Al-Ti-B4C体系成型样件的烧结，具体如下：

 

　　(3a)将步骤(2)中得到的Al-Ti-B4C体系的3D打印成型样件放入中间带有通孔的圆柱形石墨模具中。在样件顶部放置一石墨压杆，固定样件在模具中的位置。最后将石墨模具及石墨压杆整体放入真空烧结炉中；关闭炉门，随后抽真空至炉内压力低于0.001Pa。

 

　　(3b)开始加热，加热速度设置为20-60K/min；温度升高至553K-573K时，保温20-40min，进行聚乙烯醇的蒸发去除。

 

　　(3c)温度升高至773K-783K时，保温15～25min，使石墨模具温度与样件温度保持一致。

 

　　(3d)温度继续以30-60K/min升高至1073K～1173K时，保温10-30min，随后停止加热。

 

　　(3e)将反应生成的陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al随炉在真空中冷却至室温。

 

　　优选的，步骤(3)中，所述的圆柱形石墨模具内腔直径为Φ45mm。

 

　　该发明的有益效果在于：本发明中，通过3D打印技术成型制备出陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al，简单高效、节约原料、节省成本、精确度高，不需要使用模具就能成型出很多复杂结构，具有重要的实际应用价值。

 

　　附图说明

 

　　图1为铝含量为30wt.％的Al-Ti-B4C体系，经过3D打印后烧结后形成陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al的X射线衍射分析图。

 

　　图2为3D打印成型出的铝含量为30wt.％的Al-Ti-B4C体系断面扫描电镜图。

 

　　图3为3D打印成型出的铝含量为30wt.％的Al-Ti-B4C体系烧结后陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al中陶瓷萃颗粒取扫描电镜图。

 

　　图4为铝含量为40wt.％的Al-Ti-B4C体系，经过3D打印后烧结后形成陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al的X射线衍射分析图。

 

　　图5为3D打印成型出的铝含量为40wt.％的Al-Ti-B4C体系断面扫描电镜图。

 

　　图6为图3为3D打印成型出的铝含量为40wt.％的Al-Ti-B4C体系烧结后陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al中陶瓷萃颗粒取扫描电镜图。

 

　　图7为铝含量为50wt.％的Al-Ti-B4C体系，经过3D打印后烧结后形成陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al的X射线衍射分析图。

 

　　图8为3D打印成型出的铝含量为50wt.％的Al-Ti-B4C体系断面扫描电镜图。

 

　　图9为3D打印成型出的铝含量为50wt.％的Al-Ti-B4C体系烧结后陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al中陶瓷萃颗粒取扫描电镜图。

 

　　具体实施方式

 

　　下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

 

　　实施例1：

 

　　本实例一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的成型方法，包括以下步骤：

 

　　(1)粉体混合，具体如下：

 

　　(1a)称取Al粉、Ti粉以及B4C粉共100g。其中Al粉的粒度为10μm,纯度≥99.7wt.％；Ti粉的粒度为25μm,纯度≥99.5wt.％；B4C粉的粒度为1μm，纯度≥98.0wt.％。Ti和B4C的摩尔比为3：1。各组分反应物粉体质量如下：Al粉：30g、Ti粉：50.4g、B4C粉：19.6g。

 

　　(1b)将以上称量好的粉料放入球磨罐内，罐中预先盛有直径为2m的研磨球，球磨罐安装于行星式混料机中，混料机的转速设置为50r/min，均匀混合的时间为10h。

 

　　(2)Al-Ti-B4C体系的3D打印成型，具体如下：

 

　　(2a)将聚乙烯醇与水一起加入到烧杯中，其中聚乙烯醇与水的质量比为9:1，然后将烧杯中加入转子后放入到集热式恒温加热磁力搅拌器中在90℃时搅拌1小时，再将烧杯拿出，制得聚乙烯醇溶液。

 

　　(2b)将步骤(1)中混合好的粉料与粘结剂聚乙烯醇溶液混合制成浆料，其中聚乙烯醇溶液所占浆料比例为42wt.％，先机械搅拌3min,再超声处理2min,制备成混合均匀的浆料；

 

　　(2c)用CAD软件绘制所需产品的模型，再将所制成的三维模型进行切片处理“分区”成逐层的的截面，制成切片文件。

 

　　(2d)将所制备的浆料放入塑料针筒中，将针头与针筒连接，针头直径为1mm，再将塑料塞塞入针筒，压实后排出气泡，然后将针筒放入挤出式3D打印机的推杆下，将制成的切片文件导入到3D打印机中，之后3D打印机开始打印，打印完成后将所打印出的样件在室温下进行固化，固化时间为12小时。

 

　　(3)Al-Ti-B4C体系成型样件的烧结，具体如下：

 

　　(3a)将步骤(2)中得到的Al-Ti-B4C体系的3D打印成型样件放入中间带有通孔的圆柱形石墨模具中。在样件顶部放置一石墨压杆，固定样件在模具中的位置。最后将石墨模具及石墨压杆整体放入真空烧结炉中；关闭炉门，随后抽真空至炉内压力低于0.001Pa。

 

　　(3b)开始加热，加热速度设置为60K/min；温度升高至573K时，保温40min，进行聚乙烯醇的蒸发去除。

 

　　(3c)温度升高至773K时，保温15min，使石墨模具温度与样件温度保持一致。

 

　　(3d)温度继续以60K/min升高至1073K时，观察到真空热压烧结炉中的温度表有显著变化后，保温10min，随后停止加热。

 

　　(3e)将反应生成的陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al随炉在真空中冷却至室温。

 

　　其中，步骤(3)中，所述的圆柱形石墨模具内腔直径为Φ45mm。

 

　　通过在3D打印成型出铝含量为30wt.％的Al-Ti-B4C体系，经过烧结后形成陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al，图1为实例1所制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的X射线衍射分析，通过图1可知，所制得的复合材料由TiB2、TiC陶瓷相以及Al相组成。图2为3D打印成型出的Al-Ti-B4C体系断面扫描电镜图。图3为烧结后陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al中陶瓷萃颗粒取扫描电镜图。

 

　　实施例2：

 

　　本实例一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的成型方法，包括以下步骤：

 

　　(1)粉体混合，具体如下：

 

　　(1a)称取Al粉、Ti粉以及B4C粉共100g。其中Al粉的粒度为48μm,纯度≥99.7wt.％；Ti粉的粒度为5μm,纯度≥99.5wt.％；B4C粉的粒度为13μm，纯度≥98.0wt.％。Ti和B4C的摩尔比为3：1。各组分反应物粉体质量分数如下：Al粉：40g、Ti粉：43.2g、B4C粉：16.8g。

 

　　(1b)将以上称量好的粉料放入球磨罐内，罐中预先盛有直径为40mm的研磨球，球磨罐安装于行星式混料机中，混料机的转速设置为80r/min，均匀混合的时间为16h。

 

　　(2)Al-Ti-B4C体系的3D打印成型，具体如下：

 

　　(2a)将聚乙烯醇与水一起加入到烧杯中，其中聚乙烯醇与水的质量比为9:1，然后将烧杯中加入转子后放入到集热式恒温加热磁力搅拌器中在90℃时搅拌2个小时，再将烧杯拿出，制得聚乙烯醇溶液。

 

　　(2b)将步骤(1)中混合好的粉料与粘结剂聚乙烯醇溶液混合制成浆料，其中聚乙烯醇溶液所占浆料比例为45wt.％，先机械搅拌5min,再超声处理4min,制备成混合均匀的浆料；

 

　　(2c)用CAD软件绘制所需产品的模型，再将所制成的三维模型进行切片处理“分区”成逐层的的截面，制成切片文件。

 

　　(2d)将所制备的浆料放入塑料针筒中，将针头与针筒连接，针头直径为1.2mm，再将塑料塞塞入针筒，压实后排出气泡，然后将针筒放入挤出式3D打印机的推杆下，将制成的切片文件导入到3D打印机中，之后3D打印机开始打印，打印完成后将所打印出的样件在室温下进行固化，固化时间为20小时。

 

　　(3)Al-Ti-B4C体系成型样件的烧结，具体如下：

 

　　(3a)将步骤(2)中得到的Al-Ti-B4C体系的3D打印成型样件放入中间带有通孔的圆柱形石墨模具中。在样件顶部放置一石墨压杆，固定样件在模具中的位置。最后将石墨模具及石墨压杆整体放入真空烧结炉中；关闭炉门，随后抽真空至炉内压力低于0.001Pa。

 

　　(3b)开始加热，加热速度设置为20K/min；温度升高至553K时，保温20min，进行聚乙烯醇的蒸发去除。

 

　　(3c)温度升高至783K时，保温25min，使石墨模具温度与样件温度保持一致。

 

　　(3d)温度继续以30K/min升高至1123K时，观察到真空热压烧结炉中的温度表有显著变化后，保温30min，随后停止加热。

 

　　(3e)将反应生成的陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al随炉在真空中冷却至室温。

 

　　其中，步骤(3)中，所述的圆柱形石墨模具内腔直径为Φ45mm。

 

　　通过在3D打印成型出铝含量为40wt.％的Al-Ti-B4C体系，经过烧结后形成陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al，图4为实例2所制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的X射线衍射分析，通过图4可知，所制得的复合材料由TiB2、TiC陶瓷相以及Al相组成。图5为3D打印成型出的Al-Ti-B4C体系断面扫描电镜图。图6为烧结后陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al中陶瓷萃颗粒取扫描电镜图。

 

　　实施例3：

 

　　本实例一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的成型方法，包括以下步骤：

 

　　(1)粉体混合，具体如下：

 

　　(1a)称取Al粉、Ti粉以及B4C粉共100g。其中Al粉的粒度为25μm,纯度≥99.7wt.％；Ti粉的粒度为15μm,纯度≥99.5wt.％；B4C粉的粒度为3μm，纯度≥98.0wt.％。Ti和B4C的摩尔比为3：1。各组分反应物粉体质量分数如下：Al粉：50g、Ti粉：36g、B4C粉：14g。

 

　　(1b)将以上称量好的粉料放入球磨罐内，罐中预先盛有直径为20mm的研磨球，球磨罐安装于行星式混料机中，混料机的转速设置为60r/min，均匀混合的时间为12h。

 

　　(2)Al-Ti-B4C体系的3D打印成型，具体如下：

 

　　(2a)将聚乙烯醇与水一起加入到烧杯中，其中聚乙烯醇与水的质量比为9:1，然后将烧杯中加入转子后放入到集热式恒温加热磁力搅拌器中在90℃时搅拌1.5小时，再将烧杯拿出，制得聚乙烯醇溶液。

 

　　(2b)将步骤(1)中混合好的粉料与粘结剂聚乙烯醇溶液混合制成浆料，其中聚乙烯醇溶液所占浆料比例为43wt.％，先机械搅拌4min,再超声处理3min,制备成混合均匀的浆料；

 

　　(2c)用CAD软件绘制所需产品的模型，再将所制成的三维模型进行切片处理“分区”成逐层的的截面，制成切片文件。

 

　　(2d)将所制备的浆料放入塑料针筒中，将针头与针筒连接，针头直径为1.1mm，再将塑料塞塞入针筒，压实后排出气泡，然后将针筒放入挤出式3D打印机的推杆下，将制成的切片文件导入到3D打印机中，之后3D打印机开始打印，打印完成后将所打印出的样件在室温下进行固化，固化时间为15小时。

 

　　(3)Al-Ti-B4C体系成型样件的烧结，具体如下：

 

　　(3a)将步骤(2)中得到的Al-Ti-B4C体系的3D打印成型样件放入中间带有通孔的圆柱形石墨模具中。在样件顶部放置一石墨压杆，固定样件在模具中的位置。最后将石墨模具及石墨压杆整体放入真空烧结炉中；关闭炉门，随后抽真空至炉内压力低于0.001Pa。

 

　　(3b)开始加热，加热速度设置为40K/min；温度升高至563K时，保温30min，进行聚乙烯醇的蒸发去除。

 

　　(3c)温度升高至778K时，保温20min，使石墨模具温度与样件温度保持一致。

 

　　(3d)温度继续以40K/min升高至1123K时，观察到真空热压烧结炉中的温度表有显著变化后，保温20min，随后停止加热。

 

　　(3e)将反应生成的陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al随炉在真空中冷却至室温。

 

　　其中，步骤(3)中，所述的圆柱形石墨模具内腔直径为Φ45mm。

 

　　通过在3D打印成型出铝含量为50wt.％的Al-Ti-B4C体系，经过烧结后形成陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al，图7为实例3所制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的X射线衍射分析，通过图7可知，所制得的复合材料由TiB2、TiC陶瓷相以及Al相组成。图8为3D打印成型出的Al-Ti-B4C体系断面扫描电镜图。图9为烧结后陶瓷颗粒增强铝基复合材料(TiC-TiB2)/Al中陶瓷萃颗粒取扫描电镜图。

 

　　表1

 

　　以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。