专利名称：沉积制备非均质件的方法
技术领域：
本发明涉及一种沉积制备非均质件的方法，特别是熔滴/粉末联合沉积制备非均质件的 方法。
背景技术：
文献"R. Melcher, S. Martins, N. Travitzky, R Greil. Fabrication of Al2O3-based composites by indirect 3D-printing. Materials Letters. 2006， 60: 572-575"公开了一种间接三维打印制备铅基陶 瓷金属复合材料的方法。该方法需要经过制粉—三维打印—脱脂烧结—二次浸渗烧结，将其 他金属粉体渗透至多孔试样最终得到致密件。制粉需要将A1203和糊精、分散剂等粉末经过 混合、干燥、球磨和筛选等多道工序。然后进行三维打印制备初始态坩埚，其中用于粘接粉 末的液滴为蒸馏水。初始态坩埚逐步加温进行脱脂烧结，然后在最高的160(TC环境中保温4h， 冷却后得到多孔状的中间态坩埚。最后将Cu和CuO的混合物放置在中间态坩埚中，在真空 环境以130(TC保温1.5h进行Cu-0混合物渗透的二次烧结，从而制备得到致密的Al203/Cu 的铝基陶瓷金属复合材料坩埚。采用该方法首先需要制粉、然后三维打印制备原型，最后进 行两次烧结，其中制粉就需要混合、干燥、球磨和筛选等多到工序来完成，制备过程比较复 杂。两次加热温度分别达到了 160(TC和1300°C，同时需要长时间保温，对设备要求较高。
发明内容
为了克服现有技术沉积制备非均质件制备温度高、需要二次烧结的不足，本发明提供 一种沉积制备非均质件的方法，将熔滴和粉体直接结合一次成型，无需进行二次烧结就可以 得到非均质件；制备过程只要将其中的一种金属加热到熔点以上保证顺利喷射即可，可以有 效降低制备温度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案 一种沉积制备非均质件的方法，其特点是 包括下述步骤
(a) 把待熔化的型材放入坩埚内，将粉体放入粉斗中并密封粉斗；
(b) 对真空室进行抽真空后充入氩气，使真空室内压强和大气压保持一致，真空室内的 氧含量达到10ppm以下；
(C)开启振动给粉控制模块，保证毛细管中随时有粉体可以顺利喷射沉积；
(d) 开启加热控制模块，将环形加热炉升温至800 900°C并保温，使坩埚内的型材完 全融化；平板加热炉升温至200 300°C保证层面之间不出现冷隔层；
(e) 通过工控机对振动给粉控制模块、熔滴喷射控制模块和基板进行协调控制预备非均质件的制备；
(f) 对每个层面进行二维网格划分，形成单元，定义每个单元的坐标位置和材料属性， 在每一个层面制备过程中，根据每个单元的材料属性沉积熔滴或者粉体，并且要求熔滴和粉 体的体积相等；
(g) 完成一个层面的制备后，基板向下运动一个层面的厚度，然后进行下一个层面的沉 积，逐层堆积，完成整个非均质件的制备；
(h)对零件进行热处理以消除单元间的冷隔层。
本发明的有益效果是由于将熔滴和粉体直接结合在一起，无需进行二次烧结就可以得 到非均质件；无需进行高温固态渗透烧结，只要将其中一种金属加热到熔点以上保证顺利喷 射即可，将非均质件的制备温度由现有技术的1300 1600'C降低到100(TC以内，对设备要求 较低。同时可根据零件的特殊使用要求，按需进行定点、定量喷射，实现理想非均质件制备。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图是本发明沉积制备非均质件的方法所用装置示意图。
图中，l-真空室；2-CCD摄像机；3-振动给粉控制模块；4-粉体；5-超声换能器；6-毛细 管；7-输粉管；8-粉体输送控制开关；9-粉斗；10-回收槽；ll-环形加热炉；12-坩埚；13-泄 气开关；14-熔滴喷射控制模块；15-熔滴；16-非均质件；17-平板加热炉；18-基板；19-加热 控制模块；20-工控机。
具体实施例方式
实施例l:参照附图。把A1型材放入坩埚12内，将Ti粉体放入粉斗9中，密封粉斗9。 对真空室1进行抽真空后充入氩气，使真空室1内压强和大气压保持一致，循环操作两 次，使氧含量达到10ppm以下，防止A1型材在加热熔化后发生氧化。
开启振动给粉控制模块3，打开粉体输送控制开关8,使Ti粉通过输粉管7进入毛细管6; 当毛细管6内粉体较少时，再次开启输粉控制开关8对毛细管6进行补粉。启动超声换能器 5对毛细管6施加振动，使粉体充满毛细管6并能稳定给粉，随后停止振动，通过CCD摄像 机2对给粉过程进行监控。该调试过程中回收槽10要置于毛细管6下方，对调整过程中流出 的粉体4进行回收。
开启加热控制模块19，对环形加热炉11和平板加热炉17进行加热，要求把环形加热炉 11升温至900°C并保温，使坩埚12内的Al型材完全融化；平板加热炉17加热至300°C，防 止熔滴15或粉体4沉积后冷却太快而出现冷隔层。
当坩埚12内的温度达到900°C时，启动熔滴喷射控制模块14，将回收槽10移至坩埚12
4下方，对调试喷射的熔滴进行回收，调节泄气开关13以获得均匀颗粒。通过CCD摄像机2 对熔滴喷射过程进行实时监控。
基板达到预定温度300。C后，通过工控机20对振动给粉控制模块3、熔滴喷射控制模块 14和基板18进行协调控制。为保证制备精度，沉积距离要求控制在2厘米以下。将层面厚 度设定为lOO"m，即完成一个层面的沉积后，基板沿Z轴下降100um的距离后再进行第二 层的沉积。
对零件模型进行切片处理，将每个切片进行二维网格划分形成单元，并对每个单元赋予 不同的材料信息。
制备第一层面时，对于要求沉积A1的单元，将基板18移至坩埚12的喷嘴下方。启动熔 滴喷射控制模块14,对欲沉积单元位置喷射1颗Al熔滴。若某个单元需要沉积Ti粉，则将 该沉积单元位置移至毛细管6的下方，启动振动给粉控制模块3实现2s的振动给粉。保证喷 射l颗Al熔滴的体积与振动2s给粉体积相等。对离散的单元进行逐点沉积，由点成线，再 由线成面即完成第一层面的制备。
完成第一个层面的沉积后，基板18沿Z轴向下运动100um的层面厚度距离，进行第二 层面的沉积。根据每个单元的材料信息，将单元位置移动至喷嘴或者毛细管下面进行沉积。
相邻且不同材料属性的单元内的物质会发生反应生成第三种物质——Ti-Al金属间化 合物。
熔滴和粉体都可以定点微量提供，真正实现了按需定位，精确定量，通过点沉积进行平 面构型、立体堆积，即可成型非均质件16。
根据需要选择对非均质件进行热处理以消除单元间的冷隔层。 实施例2: SiCp颗粒局部增强Mg基复合材料零件的制备。
要求制备上中下三段高度分别为10mm且各段增强体质量百分比不同的SiCp/Mg复合材 料，其中上下两端SiCp增强体的体积百分比为15%,中间部位SiCp增强体的体积百分比为 10%。根据零件的几何尺寸和材料信息进行三维建模，生成二维层面数据，层面厚度仍为100 ym，因此每段的层面数都是100。然后根据层面数据生成基板运动的数控代码和液滴及粉体 喷射的开关控制信号。
把Mg型材放入坩埚12内，将SiCp颗粒放入粉斗9中，密封粉斗9。
对真空室1进行抽真空后充入氩气，使真空室1内压强和大气压保持一致，循环操作两 次，使氧含量在10ppm以下，防止Mg型材在熔化后发生氧化。
通过振动给粉控制模块3使毛细管6内充满SiCp增强体颗粒且能实现稳定给粉。通过 CCD摄像机2对给粉过程进行监控。开启加热控制模块19对环形加热炉11和平板加热炉17通电加热，其中要求把环形加热 炉加热到800°C并保温，使坩埚内的Mg型材完全融化；平板加热炉加热至200°C，防止制 备零件的层间出现冷隔。
启动熔滴喷射控制模块14，保证获得均匀熔滴。通过CCD摄像机2对熔滴喷射过程进 行实时监控。
通过工控机20对振动给粉控制模块3、熔滴喷射控制模块14和基板18进行协调控制。 对每一个单元进行等体积的熔滴或者粉末沉积。
首先进行SiCp增强体体积百分比为15%的底端的制备。要求在同一条沉积线上，沉积 Mg熔滴的单元数与沉积SiCp颗粒的单元数之比为100: 15。为了保证材料混合均匀，含SiCp 颗粒的单元要均匀分布在含Mg熔滴的单元中。
为防止增强体比例突然变化产生应力集中，下端向中间部位过渡区域的增强体的比例要 求逐步变小，从下往上设定4层过渡层，即沉积第97层时沉积Mg熔滴的单元数与沉积 SiCp颗粒的单元数之比为100: 14，沉积第98、 99、 100过渡层时，沉积Mg熔滴的单元数与
沉积SiCp颗粒的单元数之比为分别为(100: 13)， (100: 12)， (100: 11)。
然后进行SiCp增强体的体积百分比为10%的中段制备。SiCp增强体颗粒的比例要求为 10%，保持沉积Mg熔滴的单元数与沉积SiCp颗粒的单元数之比为100: IO不变，沉积完成 中间部分的制备。
中段向上端的过渡层从第197个层面开始，再次进行基体Mg熔滴和SiCp增强体颗粒比 例的调整。将沉积Mg熔滴的单元数与沉积SiCp颗粒的单元数之比改为100: 11进行第197 个层面层的沉积，第198、 199、 200过渡层沉积过程中，单元比例数分别为(100: 12)， (100: 13)， (100: 14)。
最后进行上端的沉积，SiCp增强体颗粒的比例要求为15%，保持沉积Mg熔滴的单元数与沉 积SiCp颗粒的单元数之比为100: 15不变，沉积完成上端的制备。
根据需要选择对复合材料零件进行热处理以消除单元间的冷隔层。
权利要求
1、一种沉积制备非均质件的方法，其特征在于包括下述步骤(a)把待熔化的型材放入坩埚内，将粉体放入粉斗中并密封粉斗；(b)对真空室进行抽真空后充入氩气，使真空室内压强和大气压保持一致，真空室内的氧含量达到10ppm以下；(c)开启振动给粉控制模块，保证毛细管中随时有粉体可以顺利喷射沉积；(d)开启加热控制模块，将环形加热炉升温至800～900℃并保温，使坩埚内的型材完全融化；平板加热炉升温至200～300℃保证层面之间不出现冷隔层；(e)通过工控机对振动给粉控制模块、熔滴喷射控制模块和基板进行协调控制预备非均质件的制备；(f)对每个层面进行二维网格划分，形成单元，定义每个单元的坐标位置和材料属性，在每一个层面制备过程中，根据每个单元的材料属性沉积熔滴或者粉体，并且要求熔滴和粉体的体积相等；(g)完成一个层面的制备后，基板向下运动一个层面的厚度，然后进行下一个层面的沉积，逐层堆积，完成整个非均质件的制备；(h)对零件进行热处理以消除单元间的冷隔层。
全文摘要
本发明公开了一种沉积制备非均质件的方法，采用气动式按需熔滴喷射方法得到均匀金属熔滴；采用超声振动毛细管微量给粉方法实现给粉。根据零件的数字模型，运用层面算法提取出零件每层的几何信息和材料信息，同时生成每层层面对应的基板运动轨迹，通过编程实现对基板运动、熔滴喷射和粉末沉积三者协调控制，从而完成非均质件的制备。由于将熔滴和粉体直接结合在一起，无需进行二次烧结就可以得到非均质件；无需进行高温固态渗透烧结，只要将其中一种金属加热到熔点以上保证顺利喷射即可，将非均质件的制备温度由现有技术的1300～1600℃降低到1000℃以内，对设备要求较低。同时可根据零件的特殊使用要求，按需进行定点、定量喷射，实现理想非均质件制备。
文档编号C23C4/12GK101514438SQ20091002183
公开日2009年8月26日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者晁艳普, 曾祥辉, 方 杨, 俊 罗, 华 黄, 齐乐华 申请人:西北工业大学