一種鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的成型裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的成型裝置及方法。該裝置包括激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、惰性氣氛系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。利用該裝置，可實(shí)現(xiàn)鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的快速成型。本發(fā)明成型方法簡單，數(shù)字化制造，成型產(chǎn)品組織致密均勻，并能直接制造出任意復(fù)雜構(gòu)件，無需二次加工。
【專利說明】一種鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的成型裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料的成型技術(shù)，具體涉及一種鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的成型裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在金屬基復(fù)合材料中，鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱性、低密度、與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)，以及高硬度和高抗彎強(qiáng)度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子封裝和精密儀器關(guān)鍵部件的制造。目前鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法主要包括粉末冶金、攪拌鑄造、壓力鑄造及噴射沉積四種方法。粉末冶金法存在工藝繁瑣、成本高、產(chǎn)品形狀受限、內(nèi)部組織不均勻等缺點(diǎn)；攪拌鑄造存在碳化硅顆粒易團(tuán)聚、分布不均勻、攪拌過程易造成氣體進(jìn)入而形成孔洞等缺點(diǎn)；壓力鑄造存在預(yù)制件易崩潰、金屬熔體不易充分滲入顆粒、成型工藝?yán)щy等缺點(diǎn)；噴射沉積存在碳化硅顆粒利用率低、工藝控制較復(fù)雜、沉積速度較慢、成本高等缺點(diǎn)。同時(shí)這四種方法制備的鋁基碳化娃顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料需要進(jìn)行二次加工，由于碳化硅顆粒硬度高，導(dǎo)致材料加工困難，成本高。
[0003]3D打印技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種新的成型技術(shù)。中國專利申請CN201310044604.1公開了一種金屬增韌陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片的制備方法，將金屬3D打印技術(shù)、光固化快速成型技術(shù)、化學(xué)氣相沉積技術(shù)、凝膠注模成型技術(shù)相結(jié)合，制備金屬增韌陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片。中國專利申請CN201310132690.1公開了一種基于金屬3D打印的新型異種材料復(fù)合鑄造方法，異種材料均為金屬材料。上述二件專利均不適合用于陶瓷增韌金屬基復(fù)合材料 及其構(gòu)件的成型。中國專利申請CN201310288137.7公開了一種金屬零件的3D打印制造裝置及方法，該裝置包括加熱系統(tǒng)，且送粉缸位于成型缸上方。針對鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印成型而言，所使用的粉末為碳化硅和鋁合金的混合粉末，采用上送粉方式容易導(dǎo)致鋪設(shè)于成型缸表面的混合粉末成分不均勻。同時(shí)由于鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料比鋁合金具有更高的彈性模量，抗變形能力強(qiáng)，在3D打印成型過程中可以承受更大的熱應(yīng)力，所以可以不要對混合后的粉末進(jìn)行加熱預(yù)熱。因此，針對鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的成型技術(shù)，提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有成型技術(shù)中存在的成型工藝復(fù)雜、內(nèi)部組織疏松且不均勻、成本高、加工困難等問題，本發(fā)明提供一種鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的成型裝置及方法。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
所述鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的成型裝置包括激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、惰性氣氛系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述成型裝置還包括封閉的工作腔，工作腔內(nèi)設(shè)有成形缸，成形缸的上方設(shè)有向成形缸發(fā)射激光的激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)包括激光器、掃描振鏡和振鏡控制卡；所述成形缸一側(cè)設(shè)有送粉缸，另一側(cè)設(shè)有粉末回收缸，所述成形缸、送粉缸和粉末回收缸的上表面位于同一水平面；所述送粉缸上表面設(shè)有鋪粉系統(tǒng)，所述鋪粉系統(tǒng)包括鋪粉輥筒和驅(qū)動(dòng)鋪粉輥筒在送粉缸、成型缸及粉末回收缸上表面往復(fù)運(yùn)動(dòng)的輥筒驅(qū)動(dòng)裝置；所述成形缸和送粉缸下側(cè)均設(shè)有驅(qū)動(dòng)缸體底板相對于缸體上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的缸體驅(qū)動(dòng)裝置；所述工作腔一側(cè)與惰性氣氛系統(tǒng)連通，工作腔另一側(cè)與真空泵連通；所述控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)分別通過數(shù)據(jù)線與振鏡控制卡、輥筒驅(qū)動(dòng)裝置和缸體驅(qū)動(dòng)裝置連接。當(dāng)然，所述控制系統(tǒng)還包括對三維數(shù)字模型進(jìn)行等厚度切片分層的軟件以及控制激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)和工作腔內(nèi)送粉缸和成型缸缸體底板運(yùn)動(dòng)的軟件。這些軟件的實(shí)現(xiàn)均為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)手段。
[0006]其中，所述激光器為光纖激光器，激光器的激光輸出功率為200W~400W。所述掃描振鏡的掃描角度范圍為±20°。所述成形缸下側(cè)的缸體驅(qū)動(dòng)裝置通過絲桿與成形缸底板連接；所述送粉缸下側(cè)的缸體驅(qū)動(dòng)裝置通過絲桿與送粉缸底板連接。所述惰性氣氛系統(tǒng)為IS氣瓶。
[0007]上述成型裝置成型步驟為:首先把粉末材料裝入工作腔中的送粉缸內(nèi)，然后關(guān)閉工作腔，啟動(dòng)真空泵對工作腔抽真空，接著打開惰性氣體罐往工作腔通入惰性氣體。把所需成型零件的三維模型輸入控制系統(tǒng)，控制軟件生成指令通過數(shù)據(jù)線發(fā)送給激光系統(tǒng)及鋪粉系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)缸體底板運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。首先缸體底板驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)指令降低成型缸底板高度并升高送粉缸底板高度，接著鋪粉系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)鋪粉輥筒在送粉缸、成型缸和粉末回收缸上表面滾動(dòng)以推動(dòng)送粉缸粉末均勻鋪設(shè)于成型缸表面，然后激光系統(tǒng)根據(jù)指令在成型缸表面快速掃描，使粉末發(fā)生燒結(jié)。按上述步驟逐層鋪粉，逐層激光燒結(jié)疊加方式完成零件的成型制造。
[0008]據(jù)此，本發(fā)明還提供了基于上述成型裝置的制造鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟:
(1)將招合金粉末和碳化娃粉末混合均勻；` (2)將混合后的粉末裝入成型裝置送粉缸中；
(3)將鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料或其構(gòu)件的三維數(shù)字模型輸入到成型裝置的控制系統(tǒng)；
(4)用成型裝置控制系統(tǒng)控制激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、送粉缸和成型缸底板按照輸入的三維數(shù)字模型，采用逐層鋪粉，逐層激光燒結(jié)疊加的方式完成鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料或其構(gòu)件的成型制造；逐層鋪粉時(shí)單層厚度為0.02mm~0.1Omm,激光燒結(jié)疊加式激光掃描速度為 100mm/s ~10OOmm/s ；
(5)從成型裝置中取出成型產(chǎn)品，清除表面多余粉末(可采用噴砂或高壓氣吹等方式清理產(chǎn)品表面多余粉末)。
[0009]其中，步驟(1)所述招合金粉末為球狀粉末，粉末粒徑分布范圍為0.02mm~
0.1Omm ;所述碳化娃粉末的等效粒徑小于0.05mm ;所述混合粉末中，碳化娃粉末體積分?jǐn)?shù)為10%~70%，其余為鋁合金粉末。步驟(3)所述三維數(shù)字模型格式為STL格式。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
(I)本發(fā)明只需將鋁合金粉末和碳化硅粉末混合后，裝入成型裝置，自動(dòng)成型所需復(fù)合材料或其構(gòu)件，材料成型和產(chǎn)品成型同步完成，具有成型工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)。
[0011](2)本發(fā)明成型的鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件，產(chǎn)品具有內(nèi)部組織致密均勻的優(yōu)點(diǎn)。
[0012](3)本發(fā)明能直接制造出任意復(fù)雜構(gòu)件而無需二次加工，具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
[0013]總之，本發(fā)明成型裝置及方法具有成型工藝簡單，成型產(chǎn)品組織致密均勻，并能直接制造出任意復(fù)雜構(gòu)件而無需二次加工等特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明所述成型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中:1_成形缸；2-送粉缸；3-粉末回收缸；4-缸體驅(qū)動(dòng)裝置；5-絲杠；6-激光器；7_掃描振鏡；8_振鏡控制卡；9-鋪粉輥筒；10_輥筒驅(qū)動(dòng)裝置；11_計(jì)算機(jī)；12_氬氣瓶；13-真空泵；14-工作腔。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面將結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。
[0017]參見圖1，所述鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的成型裝置包括激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、惰性氣氛系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述成型裝置還包括封閉的工作腔14，工作腔14內(nèi)設(shè)有成形缸1，成形缸I的上方設(shè)有向成形缸I發(fā)射激光的激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)包括激光器6、掃描振鏡7和振鏡控制卡8 ;所述成形缸I 一側(cè)設(shè)有送粉缸2,另一側(cè)設(shè)有粉末回收缸3，所述成形缸1、送粉缸2和粉末回收缸3的上表面位于同一水平面；所述送粉缸2上表面設(shè)有鋪粉系統(tǒng)，所述鋪粉系統(tǒng) 包括鋪粉輥筒9和驅(qū)動(dòng)鋪粉輥筒9在送粉缸2、成型缸I及粉末回收缸3上表面往復(fù)運(yùn)動(dòng)的輥筒驅(qū)動(dòng)裝置10 ;所述成形缸I和送粉缸2下側(cè)均設(shè)有驅(qū)動(dòng)缸體底板相對于缸體上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的缸體驅(qū)動(dòng)裝置4 ;所述工作腔14 一側(cè)與惰性氣氛系統(tǒng)連通，工作腔14另一側(cè)與真空泵13連通；所述控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)11，該計(jì)算機(jī)11分別通過數(shù)據(jù)線與振鏡控制卡8、輥筒驅(qū)動(dòng)裝置10和缸體驅(qū)動(dòng)裝置4連接。
[0018]其中，所述激光器6為光纖激光器，激光器6的激光輸出功率為200W~400W。所述掃描振鏡7的掃描角度范圍為±20°。所述成形缸I下側(cè)的缸體驅(qū)動(dòng)裝置4通過絲桿5與成形缸I底板連接；所述送粉缸2下側(cè)的缸體驅(qū)動(dòng)裝置4通過絲桿5與送粉缸2底板連接。所述惰性氣氛系統(tǒng)為氬氣瓶12。
[0019]實(shí)施例2
基于實(shí)施例1所述成型裝置的制造鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟:
(1)將平均粒徑為0.05_的鋁合金粉末和WlO牌號(hào)碳化硅粉末(等效粒徑小于0.05mm)按體積比例60%:40%混合均勻；
(2)將混合后的粉末裝入成型裝置送粉缸中；
(3)將鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料或其構(gòu)件的三維數(shù)字模型輸入到成型裝置的控制系統(tǒng)；所述三維數(shù)字模型格式為STL格式；
(4)用成型裝置控制系統(tǒng)控制激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、送粉缸和成型缸底板按照輸入的三維數(shù)字模型，采用逐層鋪粉，逐層激光燒結(jié)疊加的方式完成鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料或其構(gòu)件的成型制造；逐層鋪粉時(shí)單層厚度為0.02~0.1Omm,激光燒結(jié)疊加式激光掃描速度為100mm/S~1000mm/S ;激光功率為200W，成型單層厚度為0.05mm，激光掃描速度為800mm/s ；
(5)從成型裝置中取出成型產(chǎn)品，用噴砂機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行噴砂處理，再用高壓氣槍吹產(chǎn)品表面，以清除表面多余粉末。
[0020]本方法制得的鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品熱膨脹系數(shù)為12.34X 10_6/°C，熱導(dǎo)率為147.23W/ (m.k)，彈性模量為148.02Gpa。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的成型裝置，包括激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、惰性氣氛系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；其特征在于，所述成型裝置還包括封閉的工作腔(14)，工作腔(14)內(nèi)設(shè)有成形缸(1)，成形缸(I)的上方設(shè)有向成形缸(I)發(fā)射激光的激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)包括激光器(6)、掃描振鏡(7)和振鏡控制卡(8);所述成形缸(I) 一側(cè)設(shè)有送粉缸(2 ),另一側(cè)設(shè)有粉末回收缸(3 ),所述成形缸(I)、送粉缸(2 )和粉末回收缸(3 )的上表面位于同一水平面；所述送粉缸(2)上表面設(shè)有鋪粉系統(tǒng)，所述鋪粉系統(tǒng)包括鋪粉輥筒(9)和驅(qū)動(dòng)鋪粉輥筒(9 )在送粉缸(2 )、成型缸(I)及粉末回收缸(3 )上表面往復(fù)運(yùn)動(dòng)的輥筒驅(qū)動(dòng)裝置(10);所述成形缸(I)和送粉缸(2)下側(cè)均設(shè)有驅(qū)動(dòng)缸體底板相對于缸體上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的缸體驅(qū)動(dòng)裝置(4);所述工作腔(14) 一側(cè)與惰性氣氛系統(tǒng)連通，工作腔(14)另一側(cè)與真空泵(13)連通；所述控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)(11)，該計(jì)算機(jī)(11)分別通過數(shù)據(jù)線與振鏡控制卡(8)、輥筒驅(qū)動(dòng)裝置(10)和缸體驅(qū)動(dòng)裝置(4)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的成型裝置，其特征在于，所述激光器(6)為光纖激光器，激光器(6)的激光輸出功率為200W~400W。
3.如權(quán)利要求1所述的成型裝置，其特征在于，所述掃描振鏡(7)的掃描角度范圍為±20°。
4.如權(quán)利要求1所述的成型裝置，其特征在于，所述成形缸(I)下側(cè)的缸體驅(qū)動(dòng)裝置(4 )通過絲桿(5 )與成形缸(I)底板連接；所述送粉缸(2 )下側(cè)的缸體驅(qū)動(dòng)裝置(4 )通過絲桿(5 )與送粉缸(2 )底板連接。
5.如權(quán)利要求1所述的成型裝置，其特征在于，所述惰性氣氛系統(tǒng)為氬氣瓶(12)。
6.基于權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述成型裝置的制造鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其構(gòu)件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1)將招合金粉末和碳化娃粉末混合均勻； (2)將混合后的粉末裝入成型裝置送粉缸中； (3)將鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料或其構(gòu)件的三維數(shù)字模型輸入到成型裝置的控制系統(tǒng)； (4)用成型裝置控制系統(tǒng)控制激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、送粉缸和成型缸底板按照輸入的三維數(shù)字模型，采用逐層鋪粉，逐層激光燒結(jié)疊加的方式完成鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料或其構(gòu)件的成型制造；逐層鋪粉時(shí)單層厚度為0.02mm~0.1Omm,激光燒結(jié)疊加式激光掃描速度為 100mm/s ~10OOmm/s ； (5)從成型裝置中取出成型產(chǎn)品，清除表面多余粉末； 其中，步驟(1)所述鋁合金粉末為球狀粉末，粉末粒徑分布范圍為0.02mm~0.1Omm ；所述碳化硅粉末的等效粒徑小于0.05mm ;所述混合粉末中，碳化硅粉末體積分?jǐn)?shù)為10%~70%，其余為鋁合金粉末。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述三維數(shù)字模型格式為STL格式。
【文檔編號(hào)】C22C32/00GK103695681SQ201310694934
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】周朝輝, 舒陽會(huì) 申請人:湖南航天工業(yè)總公司