專利名稱：多材料微小制件的制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種多材料微小制件的制造方法。
背景技術(shù)：
高性能多材料微小制件以其獨特的物理、力學性質(zhì)在各種航空航天器中的微小結(jié)構(gòu)、微型飛行器特殊部件、空間動力系統(tǒng)的載重部件以及核工業(yè)等領域具有廣泛的應用前景和潛在市場。傳統(tǒng)的金屬多材料制件的制備方法主要有氣相沉積法、涂鍍法、激光熔敷法、粉末冶金法、自蔓延高溫燃燒合成法等，但由于工藝的局限，均不能從設計的原型直接制備多材料制件，例如自蔓延高溫燃燒合成法等需要模具，材料成分單一，不能成形如具有復雜內(nèi)流道的微小金屬多材料渦輪等復雜件。另外，由于另一些技術(shù)涉及到大功率的激光設備，加工成本昂貴，工序復雜。因此人們不斷地探索多材料微小制件設計制造一體化的方法，實現(xiàn)多材料微小制件低成本，高效率制造。
均勻液滴噴射技術(shù)(UDS)是由美國麻省理工學院Droplet based Manufacture(DBM)實驗室提出的一種新的金屬快速原型制造方法，基本原理是使用機械擾動將層流毛細金屬射流離散為均勻的金屬熔滴，同時對產(chǎn)生的熔滴進行有選擇充電，然后使用高壓靜電場精確定位金屬熔滴，層層堆積成欲成形的制件。該方法能直接沉積金屬，為金屬零件以及金屬基多材料件制備的快速制備提供了一條思路。但均勻液滴噴射沉積只能沉積鋁、鋅、銅一類熔點不是很高的金屬，所以采用不同材料的均勻熔滴聯(lián)合沉積制取多材料微小制件的方法只能用于制備有限的低熔點的金屬多材料微小制件。
文獻“W.B.Cao，S.Kirihara，Y.Miyamoto，K.Matsuura，M.Kudoh.evelopment of freeformfabrication method for Ti-Al-Ni intermetallics.Intermetallics 10 2002879-885.”介紹了一種將均勻金屬熔滴噴射與熔滴/粉末高溫自蔓延合成(SHS)技術(shù)結(jié)合的高溫金屬間化合物快速制備方法。其將鋁熔滴，準確地沉積在鋪有均勻鈦粉體的基板上，利用均勻鋁液滴沉積到預熱300度的金屬粉體中發(fā)生高溫自蔓延合成(SHS)反應生鋁-鈦金屬間化合物，然后進行再次的鋪粉和沉積，經(jīng)多次的鋪粉和沉積制取鋁-鈦金屬間化合物材料。此技術(shù)能夠根據(jù)設計快速沉積金屬間化合物材料，其熔點比鈦金屬更高。但其沒有沉積制件，并且由于基板上的粉體材料不能在成形過程中按要求改變，無法成型多種復雜材料成分和分布的多材料微小制件。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)無法成型多種復雜材料成分的多材料微小制件的不足，本發(fā)明提供一種多材料微小制件的制造方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種多材料微小制件的制造方法，其特征在于包括下述步驟1)將金屬材料裝入坩堝密封并熔融待用，將多材料粉體分別裝入粉末供給裝置的容器中，調(diào)試粉末供給裝置，使粉末噴嘴處充滿粉末，整個制備過程在真空腔中進行；2)密封真空腔，啟動噴射環(huán)境測控系統(tǒng)進行腔內(nèi)氣體除氧，經(jīng)過2～4小時的除氧處理，將真空腔內(nèi)的氧含量降低到10PPM以下；3)啟動射流噴射控制系統(tǒng)，使坩堝噴射壓力維持在40KPa，保證射流穩(wěn)定，加上充電電壓以及偏轉(zhuǎn)電壓，通過高速CCD攝像機觀測熔滴流的形態(tài)，調(diào)整激振信號得到均勻熔滴流，使均勻金屬熔滴流按照設計進行偏轉(zhuǎn)沉積；4)啟動熔滴/粉末聯(lián)合沉積控制系統(tǒng)，控制噴嘴將粉末噴射到熔滴堆積過程形成的“熔池”中，同時依靠熔滴堆積產(chǎn)生的熱量以及熔融的金屬液體的表面張力與金屬熔滴進行互溶或者將粉末直接嵌入熔融狀態(tài)的金屬中；5)在需要進行支撐的地方采用受熱氣化的粉末與金屬熔滴進行聯(lián)合噴射，形成泡沫狀的金屬支撐結(jié)構(gòu)，成形完成以后，在無氧環(huán)境下將制件冷卻，泡沫狀的金屬支撐結(jié)構(gòu)由機械的方法去除，即得到多材料微小制件。
本發(fā)明的有益效果是，由于采用了噴射環(huán)境測控系統(tǒng)、射流噴射控制系統(tǒng)、熔滴/粉末聯(lián)合沉積控制系統(tǒng)同時控制熔滴和至少兩種不同的粉末，可成形具有復雜材料分布或材料成份的多材料微小制件的集成制造。該方法工序簡單，無昂貴設備，可突破現(xiàn)階段金屬多材料微小制件制造成本的瓶頸，實現(xiàn)多材料微小制件的低成本、高效率的制備。


圖1是本發(fā)明多材料微小制件的制造方法所用裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1.激振源 2.坩堝 3.電阻絲 4.射流 5.充電電極 6.偏轉(zhuǎn)電極 7.粉末存儲容器 8.粉末噴頭 9.制件 10.三維基板 11.循環(huán)冷卻水 12.回收槽 13.高速CCD攝像機14.熔滴/粉末聯(lián)合沉積控制系統(tǒng) 15.噴射環(huán)境測控系統(tǒng) 16.射流噴射控制系統(tǒng) 17.真空腔。
具體實施例方式
實施例1參考圖1，成形具有耐磨和抗疲勞裂紋擴散的Al-Li-Si多材料運動承載微小部件。制件為1×1×1cm正方體，局部為耐磨部分，由于高硅鋁合金具有優(yōu)良的耐磨性和耐腐蝕性能材料，材料選為Al-18Si合金；然后材料逐漸過渡到另外部分的Al-3.8Li合金，Al-3.8Li合金為低密度高鋰合金，不僅極大地減輕了部件重量，而且具有很好的抗疲勞裂紋擴散能力，可以用作循環(huán)承載部件；首先根據(jù)制件的形狀和材料的分布建立制件的數(shù)字化模型，根據(jù)模型生成快速沉積系統(tǒng)的離散文件，結(jié)合熔滴沉積系統(tǒng)，生成三維基板運動軌跡數(shù)據(jù)文件；同時根據(jù)材料的類型以及分布狀態(tài)制定粉末供給和熔滴充電偏轉(zhuǎn)沉積的數(shù)據(jù)文件。將鋁錠放入坩堝2中，將硅粉和鋰粉放入粉末供給裝置的粉末存儲容器7中，調(diào)試粉末供給裝置，使粉末噴嘴處充滿粉末；啟動噴射環(huán)境測控系統(tǒng)15，密封真空腔17，進行氣體除氧，直至氧含量降低為10PPM以下；密封坩堝2，給電阻絲3通電，加熱坩堝2到650度，并保持該溫度不變；對坩堝施加40KPa的氣壓，建立射流4，然后在由激振1產(chǎn)生3KHz的正弦擾動，通過高速CCD攝像機13觀測熔滴流的形態(tài)，調(diào)整正弦信號的頻率，直到產(chǎn)生的均勻熔滴流；對充電電極5加上充電電壓，對偏轉(zhuǎn)電極6加上偏轉(zhuǎn)電壓，射流噴射控制系統(tǒng)16啟動熔滴/粉末聯(lián)合沉積控制系統(tǒng)14，按照設計將欲沉積的鋁熔滴偏轉(zhuǎn)到三維基板10上，多余鋁熔滴進入回收槽12；控制噴嘴將粉末噴射到熔滴堆積過程形成的“熔池”中，同時依靠熔滴堆積產(chǎn)生的熱量以及熔融的金屬液體的表面張力與金屬熔滴進行互溶或者將粉末直接嵌入熔融狀態(tài)的金屬中；同時經(jīng)粉末的噴頭8將欲沉積的硅粉噴射到熔滴沉積點，通過控制粉末噴射的速率控制送粉量，實現(xiàn)鋁硅的結(jié)合，得到Al-18Si合金；聯(lián)合沉積過程按照三維基板10運動軌跡數(shù)據(jù)文件、粉末供給和熔滴充電偏轉(zhuǎn)沉積的數(shù)據(jù)文件進行。逐漸控制粉末的量控制材料中硅含量梯度變化，到鋁鋰合金部分時粉末供給裝置更換粉末材料為鋰粉，同樣重復上述過程，得到Al-3.8Li合金。在需要進行支撐的地方采用受熱氣化的粉末與金屬熔滴進行聯(lián)合噴射，形成泡沫狀的金屬支撐結(jié)構(gòu)，成形完成以后，泡沫狀的金屬支撐結(jié)構(gòu)由機械的方法去除，即得到多材料微型制件。在多材料沉積過程中，利用基板上的循環(huán)冷卻水11和噴射粉末的氣流進行雙重冷卻，可確保合金成分無偏析。完成件的沉積，在無氧環(huán)境下將制件冷卻，得到具有部分耐磨、部分抗疲勞裂紋擴散的Al-Li-Si多材料微小制件9。
實施例2參照圖1，成形材料梯度變化的Al-Cu/SiC顆粒增強金屬基多材料微小制件。由于SiC體積分數(shù)不同的Al-Cu合金具有不同的力學性能，如隨著SiC的體積分數(shù)的上升，Al-Cu合金的彈性模量E直線上升，而伸長率δ單調(diào)下降，控制SiC顆粒的體積分數(shù)變化可以制成材料性能按要求變化的多材料微小制件。制件為1×1×1cm正方體，首先根據(jù)制件的形狀和材料的分布建立制件的數(shù)字化模型，根據(jù)模型生成快速沉積系統(tǒng)的離散文件，結(jié)合熔滴沉積系統(tǒng)，生成三維基板運動軌跡數(shù)據(jù)文件；同時根據(jù)材料的類型以及分布狀態(tài)制定粉末供給和熔滴充電偏轉(zhuǎn)沉積的數(shù)據(jù)文件。將含銅量為5％的鋁銅合金放入坩堝2中，將SiC粉放入粉末供給裝置的粉末存儲容器7中；啟動噴射環(huán)境測控系統(tǒng)15，密封真空腔17，進行氣體除氧，直至氧含量降低為10PPM以下；密封坩堝，加熱坩堝到900度，并保持該溫度不變；對坩堝施加50KPa的氣壓，建立射流，然后在由激振1產(chǎn)生3KHz的正弦擾動，通過高速CCD攝像機13觀測熔滴流的形態(tài)，調(diào)整正弦信號的頻率，直到產(chǎn)生的均勻熔滴流；加上充電電壓以及偏轉(zhuǎn)電壓，按照設計將欲沉積的鋁熔滴偏轉(zhuǎn)到三維基板10上，同時經(jīng)粉末的噴頭8將欲沉積的SiC粉以一定的初速度噴射到熔滴沉積點，通過控制粉末噴射的速率控制送粉量，實現(xiàn)增強相的注入，得到AL-Cu/SiC顆粒增強金屬材料；聯(lián)合沉積過程按照三維基板10運動軌跡數(shù)據(jù)文件、粉末供給和熔滴充電偏轉(zhuǎn)沉積的數(shù)據(jù)文件進行。逐漸控制粉末的量控制材料中SiC含量梯度變化，得到SiC體積分數(shù)不同的Al-Cu/SiC顆粒增強金屬基多材料微小制件，利用基板上的循環(huán)冷卻水和噴射粉末的氣流進行雙重冷卻，可確保合金熔滴的及時冷卻。完成件的沉積，在無氧環(huán)境下將制件冷卻，得到材料梯度變化的Al-Cu/SiC顆粒增強金屬基多材料微小制件。
根據(jù)需要粉末存儲容器7中可存儲兩種以上的金屬或者非金屬粉末。
權(quán)利要求
1.一種多材料微小制件的制造方法，其特征在于包括下述步驟1)將金屬材料裝入坩堝密封并熔融待用，將多材料粉體分別裝入粉末供給裝置的容器中，調(diào)試粉末供給裝置，使粉末噴嘴處充滿粉末，整個制備過程在真空腔中進行；2)密封真空腔，啟動噴射環(huán)境測控系統(tǒng)進行腔內(nèi)氣體除氧，經(jīng)過2～4小時的除氧處理，將真空腔內(nèi)的氧含量降低到10PPM以下；3)啟動射流噴射控制系統(tǒng)，使坩堝噴射壓力維持在40KPa，保證射流穩(wěn)定，加上充電電壓以及偏轉(zhuǎn)電壓，通過高速CCD攝像機觀測熔滴流的形態(tài)，調(diào)整激振信號得到均勻熔滴流，使均勻金屬熔滴流按照設計進行偏轉(zhuǎn)沉積；4)啟動熔滴/粉末聯(lián)合沉積控制系統(tǒng)，控制噴嘴將粉末噴射到熔滴堆積過程形成的“熔池”中，同時依靠熔滴堆積產(chǎn)生的熱量以及熔融的金屬液體的表面張力與金屬熔滴進行互溶或者將粉末直接嵌入熔融狀態(tài)的金屬中；5)在需要進行支撐的地方采用受熱氣化的粉末與金屬熔滴進行聯(lián)合噴射，形成泡沫狀的金屬支撐結(jié)構(gòu)，成形完成以后，在無氧環(huán)境下將制件冷卻，泡沫狀的金屬支撐結(jié)構(gòu)由機械的方法去除，即得到多材料微小制件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多材料微小制件的制造方法，包括下述步驟將金屬基材料裝入坩堝密封并熔融待用，將多材料粉體分別裝入粉末供給裝置的容器中，密封真空腔，啟動噴射環(huán)境測控系統(tǒng)、射流噴射控制系統(tǒng)、熔滴/粉末聯(lián)合沉積控制系統(tǒng)，使坩堝噴射壓力維持在40KPa，加充電電壓以及偏轉(zhuǎn)電壓，使均勻金屬熔滴流按照設計進行偏轉(zhuǎn)沉積；控制噴嘴將粉末噴射到熔滴堆積過程形成的“熔池”中，同時依靠熔滴堆積產(chǎn)生的熱量以及熔融的金屬液體的表面張力與金屬熔滴進行互溶或者將粉末直接嵌入熔融狀態(tài)的金屬中；在無氧環(huán)境下冷卻制件。由于采用了多個控制系統(tǒng)同時控制熔滴和至少兩種不同的粉末，可成形具有復雜材料分布或材料成份的多材料微小制件的低成本制造。
文檔編號C23C4/00GK1944713SQ20061010468
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月8日
發(fā)明者齊樂華, 羅俊, 楊方, 黃華, 蔣小珊 申請人:西北工業(yè)大學