專利名稱：金屬/高分子復(fù)合材料零件的快速制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體涉及金屬/高分子復(fù)合材料零件的快速成形方法。
背景技術(shù)：
目前，金屬/高分子復(fù)合零件的傳統(tǒng)制造方法主要有擠壓鑄造法、真空—?dú)鈮簼茶T法、粉末冶金法、擴(kuò)散粘接法、擠壓法、扎制法等。其中，擠壓鑄造法是先將增強(qiáng)劑制成預(yù)成型體，放入固定模型內(nèi)預(yù)熱至一定的溫度，澆入金屬熔體，將陽模壓下并加壓，迅速冷卻后脫模即得到零件，這種方法優(yōu)點(diǎn)是改善了金屬熔體的浸潤性，同時也消除了氣孔等缺陷，但對設(shè)備的要求比較高，而且工藝復(fù)雜。真空—?dú)鈮簼茶T法是比較新而且被認(rèn)為是較好的方法，該方法是將增強(qiáng)劑制成預(yù)成型體放入模腔后，加熱并抽真空，然后用氣壓把金屬熔體壓入模腔，迅速冷卻后脫模，這種方法由于是先抽真空再加較低的壓力，故對纖維損傷小，其力學(xué)性能比擠壓好，但其工藝也很復(fù)雜，對設(shè)備要求也高。粉末冶金法是在排列的長聚合物上撒一層金屬粉末，將纖維與金屬粉末相互交替重疊后冷壓，然后燒結(jié)成型，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是制造溫度低，適用多種金屬基體與高分子的結(jié)合，缺點(diǎn)是高分子聚合物鏈段損傷大，分布不均，含量不高，工藝復(fù)雜。擴(kuò)散粘接法是將增強(qiáng)劑經(jīng)表面處理后浸滲金屬制成先驅(qū)絲，再與金屬箔(或粉末)疊層在真空條件(或保護(hù)氣氛)和略低于金屬熔點(diǎn)的溫度下熱壓擴(kuò)散粘結(jié)成型，這種方法對纖維損失小，制得的復(fù)合材料密度高，但生產(chǎn)效率低，設(shè)備要求高。擠壓或者軋制法使聚合物與層狀基體結(jié)合，這種方法的優(yōu)點(diǎn)使界面反應(yīng)小，取向規(guī)律，缺點(diǎn)使容易損傷聚合物的鏈段，對金屬基體的種類也有限制，成本要求高。綜上所述，目前金屬/高分子復(fù)合材料零件的制造方法不僅制造工藝復(fù)雜、制造條件高、生產(chǎn)效率低、成本要求高，而且很難控制零件的精度和強(qiáng)度。因此傳統(tǒng)金屬/高分子復(fù)合材料零件的制造方法大大地阻礙了它的大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。
目前，采用間接選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)快速制造技術(shù)，首先制造出具有多空隙的金屬零件形坯，經(jīng)脫脂和高溫?zé)Y(jié)后形成多孔金屬零件毛坯，得到的是金屬零件，在溫度和強(qiáng)度要求高的條件下使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種金屬/高分子復(fù)合材料零件的快速制造方法，該方法所制造的零件具有強(qiáng)度高和耐熱性好的特點(diǎn)。
本發(fā)明提供的一種金屬/高分子復(fù)合材料零件的快速成形方法，其步驟包括(1)、采用選擇性激光燒結(jié)成型方法制備金屬/高分子復(fù)合材料零件形坯；(2)、形坯經(jīng)脫脂和高溫?zé)Y(jié)后得到多孔金屬零件毛坯；(3)、對上述多孔金屬零件進(jìn)行浸滲處理(3.1)將環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂或者改性有機(jī)硅按重量比為1∶2~2∶1混合，在60℃~80℃時，在其中加入甲基四氫鄰苯二甲酸酐，甲基四氫鄰苯二甲酸酐與環(huán)氧樹脂的重量比為(0.4~0.8)∶1，攪拌均勻，升溫至100℃，作為滲透液備用；同時將上述零件也預(yù)熱至100℃；(3.2)將上述零件浸入滲透液中進(jìn)行浸滲，待氣泡基本消失時，將零件取出；(4)將滲透后的零件放入140℃～180℃的恒溫箱中保溫固化，然后冷卻即可。
本發(fā)明在已經(jīng)商品化的SLS技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用間接SLS成形技術(shù)來制造金屬/高分子復(fù)合材料零件的方法。間接SLS成形——通過選取高熔點(diǎn)金屬粉末材料和低熔點(diǎn)高分子粉末材料來制造金屬零件，即在金屬粉末中添加某種粘結(jié)劑，用較小的激光功率(一般在100W以下)熔化低熔點(diǎn)的粘結(jié)劑，熔化的粉末粘結(jié)周圍未熔化的高熔點(diǎn)金屬粉末形成粗坯，燒結(jié)后的粗坯孔隙率較大，強(qiáng)度也不是很高，必須經(jīng)后處理才能成為密實(shí)的金屬功能件。本發(fā)明采用滲樹脂工藝過程簡單，成本低，零件制造周期短，得到的是金屬/高分子復(fù)合材料零件，在溫度和強(qiáng)度要求低的條件下可以直接作為功能件使用。
本發(fā)明可以制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各種金屬/高分子復(fù)合材料零件，該零件采用傳統(tǒng)方法難以或無法制造。


圖1為本發(fā)明的流程示意圖。
圖2為燒結(jié)件的浸滲方法圖。
圖3為增強(qiáng)機(jī)理示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如圖1所示，本發(fā)明方法的步驟為(1)、采用選擇性激光燒結(jié)成型方法制備金屬/高分子復(fù)合材料零件形坯；(2)、形坯經(jīng)脫脂和高溫?zé)Y(jié)后得到多孔金屬零件毛坯；(3)、用耐高溫的高分子材料對上述多孔金屬零件進(jìn)行浸滲處理，以此來增強(qiáng)零件的強(qiáng)度。這樣要比用金屬進(jìn)行熔滲節(jié)約成本，減少工藝過程，節(jié)約時間。具體方法如下(3.1)將環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂或者改性有機(jī)硅按重量比為1∶2～2∶1混合，在60℃～80℃時，再加入固化劑—甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MeTHPA)，固化劑與環(huán)氧樹脂的重量比為(0.4～0.8)∶1，攪拌均勻，再升溫至90℃～110℃，作為滲透液備用。升溫過程中溶液的粘度逐漸減小，流動性增強(qiáng)，容易滲入金屬形坯孔隙。并將上述零件也預(yù)熱至90℃～110℃。
(3.2)將零件浸入上述滲透液中進(jìn)行浸滲。在浸漬過程中，毛坯表面有大量的氣泡產(chǎn)生，并且是從上端開始先產(chǎn)生，并逐漸下移，待氣泡數(shù)逐漸減少至零時，將零件取出。此時零件表面的環(huán)氧樹脂浸滲到金屬件里面，表面液體逐漸消失。對于復(fù)雜形狀的零件，為獲得更好的浸滲的效果，可用毛刷在金屬件的表面刷環(huán)氧樹脂，反復(fù)多次，直至零件表面的環(huán)氧樹脂不再滲入，表面變得濕潤，可以認(rèn)為環(huán)氧樹脂基本滲滿零件。
(4)將滲透后的零件放入140℃～180℃的恒溫箱中保溫固化2～6個小時，然后冷卻取出即可。
實(shí)施例1本發(fā)明采用環(huán)氧樹脂粉末和300目316L不銹鋼粉末在一定配比(如1∶100)下混和均勻作為原料，通過華中科技大學(xué)HRPS-III型選擇性激光燒結(jié)(SLS)成型系統(tǒng)，參數(shù)設(shè)定為激光能量15W；掃描速度2000mm/s；燒結(jié)間距0.1mm；燒結(jié)層厚0.1mm。得到的原型件毛坯在還原性氣氛的條件下，經(jīng)400℃-600℃的溫度下對進(jìn)行脫脂，接著升溫到1180℃的溫度下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)處理，冷卻取出得到多孔金屬零件毛坯。
將環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂按1∶2混合，在60℃的溫度下加入50％的甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MeTHPA)作為固化劑，并將其攪拌均勻，然后逐漸升溫至90℃。同時將多孔金屬零件(1)也預(yù)熱至90℃，升溫過程中溶液的粘度逐漸減小，流動性增強(qiáng)，容易滲入形坯孔隙。如圖2所示，浸漬過程可以采用零件(1)逐漸放入浸漬液(2)中，讓浸漬液(2)逐步完成從形坯底端到頂端的滲透，在浸漬過程中，毛坯(1)表面有大量的氣泡產(chǎn)生，并且是從上端開始先產(chǎn)生，并逐漸下移，待氣泡數(shù)逐漸減少至零時，將毛坯(1)取出，此時表面的樹脂浸滲到金屬零件毛坯(1)里面，表面液體逐漸消失，此時再用毛刷在毛坯(1)的表面刷樹脂，反復(fù)多次，直至表面的樹脂不再滲入，表面變得濕潤，可以認(rèn)為樹脂基本滲滿形坯。最后將滲好的毛坯(1)放在160℃溫度下的恒溫箱中保溫固化6個小時，然后冷卻取出得到金屬/高分子復(fù)合材料零件。
如圖3所示，燒結(jié)后的試樣具有很多孔隙和空洞，而浸滲樹脂后孔隙和空洞都被完全填充，填充的樹脂(3)主要對于試樣機(jī)械性能的影響主要具有兩方面的作用一是粘結(jié)作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了金屬顆粒間(4)的聯(lián)系，提高了抗拉能力(5)；一是填充金屬顆粒間的孔隙，使孔隙間變得更加充實(shí)，因而阻礙了顆粒的運(yùn)動，增加阻擋力(6)，從而增強(qiáng)了試樣的機(jī)械性能。
實(shí)施例2本發(fā)明采用環(huán)氧樹脂粉末和350目420L不銹鋼粉末在一定配比(如5100)下混和均勻作為原料，通過華中科技大學(xué)HRPS-III型選擇性激光燒結(jié)(SLS)成型系統(tǒng)，參數(shù)設(shè)定為激光能量15W；掃描速度2000mm/s；燒結(jié)間距0.1mm；燒結(jié)層厚0.1mm。得到的原型件毛坯在還原性氣氛的條件下，經(jīng)400℃-600℃的溫度下對進(jìn)行脫脂，接著升溫到1100℃的溫度下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)處理，冷卻取出得到多孔金屬零件毛坯。
將環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂按1∶1混合，在60℃的溫度下加入50％的甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MeTHPA)作為固化劑，并將其攪拌均勻，然后逐漸升溫至100℃。同時將多孔金屬零件(1)也預(yù)熱至100℃，升溫過程中溶液的粘度逐漸減小，流動性增強(qiáng)，容易滲入形坯孔隙。如圖2所示，浸漬過程可以采用零件(1)逐漸放入浸漬液(2)中，讓浸漬液(2)逐步完成從形坯底端到頂端的滲透，在浸漬過程中，毛坯(1)表面有大量的氣泡產(chǎn)生，并且是從上端開始先產(chǎn)生，并逐漸下移，待氣泡數(shù)逐漸減少至零時，將毛坯(1)取出，此時表面的樹脂浸滲到金屬零件毛坯(1)里面，表面液體逐漸消失，此時再用毛刷在毛坯(1)的表面刷樹脂，反復(fù)多次，直至表面的樹脂不再滲入，表面變得濕潤，可以認(rèn)為樹脂基本滲滿形坯。最后將滲好的毛坯(1)放在160℃溫度下的恒溫箱中保溫固化6個小時，然后冷卻取出得到金屬/高分子復(fù)合材料零件。
如圖3所示，燒結(jié)后的試樣具有很多孔隙和空洞，而浸滲樹脂后孔隙和空洞都被完全填充，填充的樹脂(3)主要對于試樣機(jī)械性能的影響主要具有兩方面的作用一是粘結(jié)作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了金屬顆粒間(4)的聯(lián)系，提高了抗拉能力(5)；一是填充金屬顆粒間的孔隙，使孔隙間變得更加充實(shí)，因而阻礙了顆粒的運(yùn)動，增加阻擋力(6)，從而增強(qiáng)了試樣的機(jī)械性能。
實(shí)施例3
本發(fā)明采用環(huán)氧樹脂粉末和400目1Cr18Ni9Ti粉末在一定配比(如1∶100)下混和均勻作為原料，通過華中科技大學(xué)HRPS-III型選擇性激光燒結(jié)(SLS)成型系統(tǒng)，參數(shù)設(shè)定為激光能量15W；掃描速度2000mm/s；燒結(jié)間距0.1mm；燒結(jié)層厚0.1mm。得到的原型件毛坯在還原性氣氛的條件下，經(jīng)400℃-600℃的溫度下對進(jìn)行脫脂，接著升溫到1200℃的溫度下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)處理，冷卻取出得到多孔金屬零件毛坯。
將環(huán)氧樹脂和改性有機(jī)硅按2∶1混合，在60℃的溫度下加入50％的甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MeTHPA)作為固化劑，并將其攪拌均勻，然后逐漸升溫至110℃。同時將多孔金屬零件(1)也預(yù)熱至110℃，升溫過程中溶液的粘度逐漸減小，流動性增強(qiáng)，容易滲入形坯孔隙。如圖2所示，浸漬過程可以采用零件(1)逐漸放入浸漬液(2)中，讓浸漬液(2)逐步完成從形坯底端到頂端的滲透，在浸漬過程中，毛坯(1)表面有大量的氣泡產(chǎn)生，并且是從上端開始先產(chǎn)生，并逐漸下移，待氣泡數(shù)逐漸減少至零時，將毛坯(1)取出，此時表面的樹脂浸滲到金屬零件毛坯(1)里面，表面液體逐漸消失，此時再用毛刷在毛坯(1)的表面刷樹脂，反復(fù)多次，直至表面的樹脂不再滲入，表面變得濕潤，可以認(rèn)為樹脂基本滲滿形坯。最后將滲好的毛坯(1)放在160℃溫度下的恒溫箱中保溫固化6個小時，然后冷卻取出得到金屬/高分子復(fù)合材料零件。
如圖3所示，燒結(jié)后的試樣具有很多孔隙和空洞，而浸滲樹脂后孔隙和空洞都被完全填充，填充的樹脂(3)主要對于試樣機(jī)械性能的影響主要具有兩方面的作用一是粘結(jié)作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了金屬顆粒間(4)的聯(lián)系，提高了抗拉能力(5)；一是填充金屬顆粒間的孔隙，使孔隙間變得更加充實(shí)，因而阻礙了顆粒的運(yùn)動，增加阻擋力(6)，從而增強(qiáng)了試樣的機(jī)械性能。
權(quán)利要求
1.一種金屬/高分子復(fù)合零件的快速成形方法，其步驟包括(1)、采用選擇性激光燒結(jié)成型方法制備金屬/高分子復(fù)合材料零件形坯；(2)、形坯經(jīng)脫脂和高溫?zé)Y(jié)后形成多孔金屬零件毛坯；(3)、對上述多孔金屬零件毛坯進(jìn)行浸滲處理(3.1)將環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂或者改性有機(jī)硅按重量比為1∶2～2∶1混合，在60℃～80℃時，在其中加入甲基四氫鄰苯二甲酸酐，甲基四氫鄰苯二甲酸酐與環(huán)氧樹脂的重量比為(0.4～0.8)∶1，攪拌均勻，升溫至90℃～110℃，作為滲透液備用；同時將上述毛坯也預(yù)熱至90℃～110℃；(3.2)將上述毛坯浸入滲透液中進(jìn)行浸滲，待氣泡基本消失時，將毛坯取出；(4)將滲透后的毛坯放入140℃～180℃的恒溫箱中保溫固化，然后冷卻即可。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬/高分子復(fù)合材料零件的快速成形方法，首先采用間接SLS成形方法制備金屬/高分子復(fù)合材料零件形坯；形坯經(jīng)脫脂和高溫?zé)Y(jié)后得到多孔金屬零件毛坯，對此多孔金屬零件毛坯進(jìn)行浸滲處理先將環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂或者改性有機(jī)硅按重量比為1∶2～2∶1混合，在60～80℃時，在其中加入甲基四氫鄰苯二甲酸酐，攪拌均勻，升溫至90℃～110℃，作為滲透液備用；將上述零件也預(yù)熱至90℃～110℃；將上述零件浸入滲透液中進(jìn)行浸滲，待氣泡基本消失時，將零件取出；最后將滲透后的零件放入140℃～180℃的恒溫箱中保溫固化，然后冷卻取出即可。本發(fā)明可以增強(qiáng)零件的機(jī)械性能和耐熱性，既節(jié)約了成本，縮短了零件的制作時間，又減少了工藝過程。
文檔編號C22C45/00GK1752238SQ200510019498
公開日2006年3月29日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日
發(fā)明者史玉升, 黃樹槐, 陳繼兵, 劉錦輝 申請人:華中科技大學(xué)