本发明涉及3D打印焊接制造方法。
背景技术：
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。3D冷打印技术用低粘度、高固含量的金属粉末料浆来代替3D打印的原材料，把这种料浆当做打印的“墨水”，在室温或低温条件下实现金属零件坯体的逐层打印。
熔焊3D打印技术是将焊接方法与计算机辅助设计结合起来的一种加工技术，即用计算机提供的三维数据来控制焊接设备，然后通过分层扫描和堆焊的方法来制造金属元件。
3D打印技术可以实现结构优化，适合于复杂形状零件的制造，也适合于难加工材料的制造，由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形。模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。
技术实现要素：
本发明要解决陶瓷金属异质结构复杂形状成型困难，且金属与陶瓷材料钎焊形成的焊接结构件接头存在较大应力的问题，并且提高接头界面结合强度的问题，而提供一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。
一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法是按以下步骤进行：
一、三维模型建立：
通过Auto CAD软件建立零件结构的三维模型，模型经分层切片处理，设定打印层厚度为0.5mm～1mm，打印时，浆料喷头与引发剂喷头的移动速度为20mm/s～50mm/s，将数据传输到3D冷打印设备中；
二、Si3N4陶瓷料浆的制备：
将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液A，向预混液A中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Si3N4陶瓷粉末混合搅拌，再加入Al2O3，在N2气氛下球磨20h，得到Si3N4陶瓷料浆；
所述的Si3N4陶瓷料浆中Si3N4陶瓷粉末的固相体积分数为40％～50％；
所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量分数为25％～28％的氨水与预混液A的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液A的质量比为(0.1～0.3):100；所述的Al2O3与Si3N4陶瓷粉末的质量比为(2～5):100；
三、Ti金属料浆的制备：
将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液B，向预混液B中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Ti金属粉末混合搅拌，在N2气氛下球磨20h，得到Ti金属料浆；
所述的Ti金属料浆中Ti金属粉末的固相体积分数为40％～60％；
所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量分数为25％～28％的氨水与预混液B的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液B的质量比为(0.1～0.3):100；
四、引发剂的制备：
将偶氮二异丁基脒盐酸盐与水混合，得到质量百分数为20％～30％的引发剂水溶液；
五、输送浆料及打印：
保持Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆的温度为50℃～60℃，采用两套送料系统分别输送Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆至同一浆料喷头中，采用另一套送料系统输送引发剂水溶液至引发剂喷头，且浆料喷头与引发剂喷头同时输送，设输送Si3N4陶瓷料浆系统的流速V1及输送Ti金属料浆系统的流速V2，且V1＝V2，V1及V2恒定，设浆料喷头的挤出体积流量为Q，设Si3N4陶瓷料浆输送体积流量为Q1，设输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，设Ti金属料浆输送体积流量为Q2，设输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，Q＝Q1+Q2，保持Q恒定，设引发剂喷头的挤出体积流量为Q3，Q:Q3＝1:(0.05～0.3)；室温下，由陶瓷打印开始，保持Q1＝Q，Q2＝0，直至打印至陶瓷与金属的过渡区域，在V1恒定的条件下，通过改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，通过改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1＝Q2时，在Q1＝Q2的条件下，保持200s～300s，保持后，在V1恒定的条件下，继续以改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1降低至0，Q2增大至Q时，然后以Q2＝Q的速度打印Ti金属，直至一层打印完成；
六、逐层打印：
在室温条件下，按步骤五逐层打印成零件坯体，得到3D冷打印坯体；
七、烧结：
将3D冷打印坯体干燥，然后在温度为600℃下脱脂，再在温度为1550℃～1650℃下进行烧结2h，最后以冷却速度为8℃/min冷却至室温，得到陶瓷金属异质结构件；
八、GMAW 3D打印焊接：
将陶瓷金属异质结构件待焊接部位预热至温度为200℃，在预热后的待焊接部位利用GMAW 3D打印焊接技术确定预定轨迹，并进行3D打印焊接，采用直径为1mm的铝焊丝，采用脉动送丝的方式，焊接电流范围为80A～120A，保护气体为Ar与CO2的混合气体，通过运动控制，将铝焊丝熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，得到完整的陶瓷金属异质结构；
保护气体中Ar占混合气体体积分数的85％，保护气体中CO2占混合气体体积分数的15％；
九、去应力处理：
将完整的陶瓷金属异质结构加热至温度为300℃～400℃，并在温度为300℃～400℃的条件下，保温2h，随后随炉缓慢冷却至室温，即完成陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。
本发明的有益效果是：1、本发明陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造技术，可以实现任意复杂结构零件的制造，可以解决陶瓷材料硬而脆使其加工成型困难的问题。
2、本发明中采用的3D冷打印技术，直接在常温或低温下成形，成形后坯体再经干燥、脱脂和烧结得到致密结构件，是一种新型的易实现、高效率、低成本的3D打印技术。
3、通过接头界面附近陶瓷材料与金属材料的逐渐过渡，能够提高陶瓷与金属的结合强度。
4、陶瓷及其金属过渡部分结构在冷打印过程和整体烧结过程中，释放部分结构应力，有效缓结构应力，以及整理去应力处理可更有效缓解结构应力。
5、熔焊3D打印成形件具有很好的各向同性，在生产形状复杂单件或小批量零件时，具有经济、快速的优点，可及时发现设计和生产中的不足，并在极短的时间内改进，优化设计，提高产品质量。
本发明用于一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法是按以下步骤进行：
一、三维模型建立：
通过Auto CAD软件建立零件结构的三维模型，模型经分层切片处理，设定打印层厚度为0.5mm～1mm，打印时，浆料喷头与引发剂喷头的移动速度为20mm/s～50mm/s，将数据传输到3D冷打印设备中；
二、Si3N4陶瓷料浆的制备：
将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液A，向预混液A中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Si3N4陶瓷粉末混合搅拌，再加入Al2O3，在N2气氛下球磨20h，得到Si3N4陶瓷料浆；
所述的Si3N4陶瓷料浆中Si3N4陶瓷粉末的固相体积分数为40％～50％；
所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量分数为25％～28％的氨水与预混液A的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液A的质量比为(0.1～0.3):100；所述的Al2O3与Si3N4陶瓷粉末的质量比为(2～5):100；
三、Ti金属料浆的制备：
将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液B，向预混液B中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Ti金属粉末混合搅拌，在N2气氛下球磨20h，得到Ti金属料浆；
所述的Ti金属料浆中Ti金属粉末的固相体积分数为40％～60％；
所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量分数为25％～28％的氨水与预混液B的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液B的质量比为(0.1～0.3):100；
四、引发剂的制备：
将偶氮二异丁基脒盐酸盐与水混合，得到质量百分数为20％～30％的引发剂水溶液；
五、输送浆料及打印：
保持Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆的温度为50℃～60℃，采用两套送料系统分别输送Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆至同一浆料喷头中，采用另一套送料系统输送引发剂水溶液至引发剂喷头，且浆料喷头与引发剂喷头同时输送，设输送Si3N4陶瓷料浆系统的流速V1及输送Ti金属料浆系统的流速V2，且V1＝V2，V1及V2恒定，设浆料喷头的挤出体积流量为Q，设Si3N4陶瓷料浆输送体积流量为Q1，设输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，设Ti金属料浆输送体积流量为Q2，设输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，Q＝Q1+Q2，保持Q恒定，设引发剂喷头的挤出体积流量为Q3，Q:Q3＝1:(0.05～0.3)；室温下，由陶瓷打印开始，保持Q1＝Q，Q2＝0，直至打印至陶瓷与金属的过渡区域，在V1恒定的条件下，通过改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，通过改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1＝Q2时，在Q1＝Q2的条件下，保持200s～300s，保持后，在V1恒定的条件下，继续以改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1降低至0，Q2增大至Q时，然后以Q2＝Q的速度打印Ti金属，直至一层打印完成；
六、逐层打印：
在室温条件下，按步骤五逐层打印成零件坯体，得到3D冷打印坯体；
七、烧结：
将3D冷打印坯体干燥，然后在温度为600℃下脱脂，再在温度为1550℃～1650℃下进行烧结2h，最后以冷却速度为8℃/min冷却至室温，得到陶瓷金属异质结构件；
八、GMAW 3D打印焊接：
将陶瓷金属异质结构件待焊接部位预热至温度为200℃，在预热后的待焊接部位利用GMAW 3D打印焊接技术确定预定轨迹，并进行3D打印焊接，采用直径为1mm的铝焊丝，采用脉动送丝的方式，焊接电流范围为80A～120A，保护气体为Ar与CO2的混合气体，通过运动控制，将铝焊丝熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，得到完整的陶瓷金属异质结构；
保护气体中Ar占混合气体体积分数的85％，保护气体中CO2占混合气体体积分数的15％；
九、去应力处理：
将完整的陶瓷金属异质结构加热至温度为300℃～400℃，并在温度为300℃～400℃的条件下，保温2h，随后随炉缓慢冷却至室温，即完成陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。
本实施方式的有益效果是：1、本实施方式陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造技术，可以实现任意复杂结构零件的制造，可以解决陶瓷材料硬而脆使其加工成型困难的问题。
2、本本实施方式中采用的3D冷打印技术，直接在常温或低温下成形，成形后坯体再经干燥、脱脂和烧结得到致密结构件，是一种新型的易实现、高效率、低成本的3D打印技术。
3、通过接头界面附近陶瓷材料与金属材料的逐渐过渡，能够提高陶瓷与金属的结合强度。
4、陶瓷及其金属过渡部分结构在冷打印过程和整体烧结过程中，释放部分结构应力，有效缓结构应力，以及整理去应力处理可更有效缓解结构应力。
5、熔焊3D打印成形件具有很好的各向同性，在生产形状复杂单件或小批量零件时，具有经济、快速的优点，可及时发现设计和生产中的不足，并在极短的时间内改进，优化设计，提高产品质量。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的Si3N4陶瓷粉末的粒径为10μm～20μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤二中所述的Al2O3的粒径为1μm～2μm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中所述的Ti金属粉末的粒径为10μm～20μm。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中设定打印层厚度为1mm，打印时，浆料喷头与引发剂喷头的移动速度为50mm/s。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的Si3N4陶瓷料浆中Si3N4陶瓷粉末的固相体积分数为50％。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中所述的Ti金属料浆中Ti金属粉末的固相体积分数为60％。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤五中当Q1＝Q2时，在Q1＝Q2的条件下，保持200s。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤七中再在温度为1650℃下进行烧结2h。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤九中将完整的陶瓷金属异质结构加热至温度为300℃，并在温度为300℃的条件下，保温2h。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法是按以下步骤进行：
一、三维模型建立：
通过Auto CAD软件建立零件结构的三维模型，模型经分层切片处理，设定打印层厚度为1mm，打印时，浆料喷头与引发剂喷头的移动速度为50mm/s，将数据传输到3D冷打印设备中；
二、Si3N4陶瓷料浆的制备：
将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液A，向预混液A中加入质量百分数为25％的氨水和异辛醇，然后加入Si3N4陶瓷粉末混合搅拌，再加入Al2O3，在N2气氛下球磨20h，得到Si3N4陶瓷料浆；
所述的Si3N4陶瓷料浆中Si3N4陶瓷粉末的固相体积分数为50％；
所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为0.3:100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为25:100；所述的质量分数为25％的氨水与预混液A的质量比为1.0:100；所述的异辛醇与预混液A的质量比为0.2:100；所述的Al2O3与Si3N4陶瓷粉末的质量比为3:100；
三、Ti金属料浆的制备：
将丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液B，向预混液B中加入质量百分数为25％的氨水和异辛醇，然后加入Ti金属粉末混合搅拌，在N2气氛下球磨20h，得到Ti金属料浆；
所述的Ti金属料浆中Ti金属粉末的固相体积分数为60％；
所述的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为0.3:100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为25:100；所述的质量分数为25％的氨水与预混液B的质量比为1.0:100；所述的异辛醇与预混液B的质量比为0.2:100；
四、引发剂的制备：
将偶氮二异丁基脒盐酸盐与水混合，得到质量百分数为20％的引发剂水溶液；
五、输送浆料及打印：
保持Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆的温度为50℃，采用两套送料系统分别输送Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆至同一浆料喷头中，采用另一套送料系统输送引发剂水溶液至引发剂喷头，且浆料喷头与引发剂喷头同时输送，设输送Si3N4陶瓷料浆系统的流速V1及输送Ti金属料浆系统的流速V2，且V1＝V2，V1及V2恒定，设浆料喷头的挤出体积流量为Q＝39.3mm3/s，设Si3N4陶瓷料浆输送体积流量为Q1，设输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，设Ti金属料浆输送体积流量为Q2，设输送Ti金属料浆系统出口的截面积为S2，Q＝Q1+Q2，保持Q恒定，设引发剂喷头的挤出体积流量为Q3，Q:Q3＝1:0.2；室温下，由陶瓷打印开始，保持Q1＝Q，Q2＝0，直至打印至陶瓷与金属的过渡区域，在V1恒定的条件下，通过改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，通过改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1＝Q2时，在Q1＝Q2的条件下，保持200s，保持后，在V1恒定的条件下，继续以改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1降低至0，Q2增大至Q时，然后以Q2＝Q的速度打印Ti金属，直至一层打印完成；
六、逐层打印：
在室温条件下，按步骤五逐层打印成零件坯体，得到3D冷打印坯体；
七、烧结：
将3D冷打印坯体干燥，然后在温度为600℃下脱脂，再在温度为1650℃下进行烧结2h，最后以降温速度为5℃/min冷却至室温，得到陶瓷金属异质结构件；
八、GMAW 3D打印焊接：
将陶瓷金属异质结构件待焊接部位预热至温度为200℃，在预热后的待焊接部位利用GMAW 3D打印焊接技术确定预定轨迹，并进行3D打印焊接，采用直径为1mm的铝焊丝，采用脉动送丝的方式，焊接电流范围为100A，保护气体为Ar与CO2的混合气体，通过运动控制，将铝焊丝熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，得到完整的陶瓷金属异质结构；
保护气体中Ar占混合气体体积分数的85％，保护气体中CO2占混合气体体积分数的15％；
九、去应力处理：
将完整的陶瓷金属异质结构加热至温度为300℃，并在温度为300℃的条件下，保温2h，随后随炉缓慢冷却至室温，即完成陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法；
步骤二中所述的Si3N4陶瓷粉末的粒径为10μm；
步骤二中所述的Al2O3的粒径为1μm；
步骤三中所述的Ti金属粉末的粒径为10μm；
步骤五中V1＝V2＝0.6mm/s，设浆料喷头的流速为V＝50mm/s；
本实施例中通过电机转动螺杆改变料浆出口截面积来控制Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆的输送体积流量，当输送系统未使用时，输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积S1及输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2为最大值时，S1＝S2＝15mm×5mm。
本实施例制得的Al与Si3N4陶瓷金属异质结构件接头抗剪强度达到80MPa左右，比钎焊Si3N4陶瓷与Al金属接头提高20％左右。