一种层状波形金属基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种层状波形金属基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料领域。

背景技术：

随着时代的快速发展，全球资源逐渐匮乏，所以对于具有自润滑、耐冲击、耐疲劳、耐磨损以及耐高温等优异性能的替代材料需求旺盛。金属基复合材料具有自润滑、耐磨损、强度高、耐冲击以及质量轻等特点，有的甚至具有金属与塑料以外的优异性能，已经成为制造业的理想材料。

中国发明专利cn103317122a将氧化铝陶瓷颗粒与粘结剂混合物混合后压制成钢筋式的柱状结构，烧结后将获得的柱状材料平行排列，经高温钢液浇注获得钢筋式复合材料柱，柱状结构平行排列在钢铁基体内。此种方法固定柱状材料困难，很难保证钢液浇注过程中柱状结构排列方式没有改变。

中国发明专利cn103343301a在金属网上压制出若干个凹槽，然后把陶瓷颗粒填充在金属网的凹槽中，制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的形状。将填充陶瓷颗粒的金属网安装砂型铸造模具的型腔上表面，然后将熔炼好的基材金属浇注入砂型铸造模具内，待基材金属冷却后从砂型铸造模具中剥离出的即得到梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料。该方法制作坯料工序复杂，梅花桩分布需均匀，不易操作。

中国发明专利cn104874768a利用3d打印技术打印正六面体的空间结构塑料模板，将陶瓷颗粒和粘结剂配成浆料灌注到空间结构塑料模板的空隙部分，然后将灌注浆料的空间结构塑料模板高温烧结将塑料烧除，得到陶瓷颗粒预制体。将陶瓷颗粒预制体放置于铸型中，向铸型中加入金属基体熔体，利用压力浸渍方法制备得到金属基复合材料。该方法存在浆料灌注时存在陶瓷颗粒分布不均匀，塑料空间结构在烧结后容易使坯料坍塌等弊端。

技术实现要素：

针对现有技术中金属基复合材料存在的问题，本发明提供一种层状波形金属基复合材料及其制备方法，本发明方法利用3d打印技术，以克服金属基复合材料中复杂结构的陶瓷预制体不易制备的问题。

一种层状波形金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）利用绘图软件绘制出层状立体结构模型：构建截面的外径为φ86~88mm，内径φ81~83mm，厚度为15~20mm的镂空块体，镂空块体的内部为上边长9~11mm，下边长18~22mm，侧边与水平线锐角夹角成45°~65°的波形结构；

（2）将步骤（1）所得层状立体结构模型导入3d打印机配套软件，对层状立体结构模型进行切片处理，然后采用轮廓扫描喷射固化技术，将陶瓷颗粒混合物、粘结剂进行3d打印成波形结构的陶瓷颗粒预制体，其中切片处理的层厚度为0.05~0.1mm，壁厚为1.6~2mm，3d打印的填充密度30%~40%，打印速度30~40mm/s；

（3）将步骤（2）所得陶瓷颗粒预制体置于设有陶瓷管保温层的模具中，预热至温度为500~1000℃并保温60~90min；

（4）将步骤（3）保温处理的陶瓷管保温层和陶瓷颗粒预制体置于铸型型腔中，在压力为5~50mpa的条件下浇注金属熔体，冷却即得层状波形金属基复合材料；

所述步骤（2）陶瓷颗粒混合物为粒径为50~120目的氧化锆增韧氧化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化钨陶瓷、碳化钛陶瓷的一种或任意比多种，其中以质量分数计，粒径为50~70目的陶瓷颗粒占10~20%，粒径为90~100目的陶瓷颗粒占18~32%，粒径为100~120目的陶瓷颗粒占10~20%，粒径-120目的陶瓷颗粒不大于5%，余量为粒径70~90目的陶瓷颗粒；粘结剂为水玻璃或磷酸二氢铝；

所述步骤（3）中陶瓷管保温层的厚度为10~12mm，直径为φ90mm；

所述步骤（4）中金属熔体为普通碳钢、合金钢、高锰钢、铝合金、镍合金或镁合金的熔体；

所述粒径-120目的陶瓷颗粒为过120目筛，其筛下的陶瓷颗粒；

本发明的陶瓷颗粒预制体打印过程采用轮廓扫描喷射固化技术，分别喷射陶瓷颗粒混合物和粘结剂，在每一层铺好压实的陶瓷颗粒混合物上精确地喷射粘结剂。

本发明的有益效果：

（1）本发明方法利用3d打印技术可以直接制备出具有复杂空间结构的陶瓷颗粒预制体，在精确控制陶瓷颗粒预制体的形状的同时，有效改善传统预制体在填充过程中陶瓷颗粒未能全部使用从而造成浪费的情况；同时，可缩短复合材料制备过程中的工艺流程，提高效率，有利于批量生产；

（2）本发明方法通过改变陶瓷颗粒粒度的配比改变，控制其颗粒和颗粒的间隙大小，通过3d打印的方式，使预制体中颗粒空隙分布均匀，有利于金属熔体通过间隙浸渗到颗粒中间，提高复合材料的浸渗深度和复合效果；

（3）本发明中波形结构复合材料增加了复合区界面处的比表面积，同时，波形结构可提高对外力的缓冲；在同等工况下，与普通层状复合材料相比，可减少裂纹的发展趋势，使复合材料的抗弯刚度及冲击性能得到大幅度提升。

附图说明

图1是本发明层状波形结构陶瓷颗粒预制体的二维结构示意图；

图2是本发明层状波形结构复合材料的三维立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：一种层状波形金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）利用绘图软件绘制出层状立体结构模型：构建截面的外径为φ87mm，内径φ82mm，厚度为17mm的镂空块体，镂空块体的内部为上边长9mm，下边长20mm，侧边与水平线锐角夹角成45°的波形结构；

（2）将步骤（1）所得层状立体结构模型导入3d打印机配套软件，对层状立体结构模型进行切片处理，然后采用轮廓扫描喷射固化技术，将陶瓷颗粒混合物（陶瓷颗粒混合物为粒径为50~120目的氧化铝陶瓷）、粘结剂（粘结剂为水玻璃）进行3d打印成波形结构的陶瓷颗粒预制体，其中切片处理的层厚度为0.05mm，壁厚为2mm，3d打印的填充密度35%，打印速度40mm/s；陶瓷颗粒预制体打印过程采用轮廓扫描喷射固化技术，分别喷射陶瓷颗粒混合物（粒径为50~120目的氧化铝陶瓷）和粘结剂（水玻璃），在每一层铺好压实的陶瓷颗粒混合物（氧化铝陶瓷）上精确地喷射粘结剂（水玻璃）；以质量分数计，粒径为50~70目的陶瓷颗粒（氧化铝陶瓷）占15%，粒径为90~100目的陶瓷颗粒（氧化铝陶瓷）占30%，粒径为100~120目的陶瓷颗粒（氧化铝陶瓷）占20%，粒径-120目的陶瓷颗粒（氧化铝陶瓷）占3%，余量为粒径70~90目的陶瓷颗粒（氧化铝陶瓷）；

（3）将步骤（2）所得陶瓷颗粒预制体静置10min，然后置于设有陶瓷管保温层的模具中，预热至温度为1000℃并保温60min；其中陶瓷管保温层的厚度为10mm，直径为φ90mm；

（4）将步骤（3）保温处理的陶瓷管保温层和陶瓷颗粒预制体置于铸型型腔中，在压力为5mpa的条件下浇注金属熔体（金属熔体为高锰钢熔体），冷却即得层状波形金属基复合材料（氧化铝颗粒增强钢基复合材料）；

在三体磨料磨损试验中al2o3颗粒增强高锰钢基复合材料耐磨性明显优于高锰钢的耐磨性，而且随着磨损时间的延长，复合材料的相对耐磨性不断提高。在2kg载荷120min磨损条件下复合材料的相对耐磨性是高锰钢的1.41倍，在5kg载荷120min磨损条件下复合材料的相对耐磨性是高锰钢的1.29倍；对比不同载荷的磨料磨损试验，发现在较低载荷条件下al2o3颗粒增强高锰钢基复合材料相对耐磨性较高。

实施例2：一种层状波形金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）利用绘图软件绘制出层状立体结构模型：构建截面的外径为φ88mm，内径φ83mm，厚度为15mm的镂空块体，镂空块体的内部为上边长10mm，下边长22mm，侧边与水平线锐角夹角成50°的波形结构；

（2）将步骤（1）所得层状立体结构模型导入3d打印机配套软件，对层状立体结构模型进行切片处理，然后采用轮廓扫描喷射固化技术，将陶瓷颗粒混合物（陶瓷颗粒混合物为粒径为50~120目的氧化锆增韧氧化铝陶瓷）、粘结剂（粘结剂为磷酸二氢铝）进行3d打印成波形结构的陶瓷颗粒预制体，其中切片处理的层厚度为0.1mm，壁厚为1.6mm，3d打印的填充密度30%，打印速度30mm/s；陶瓷颗粒预制体打印过程采用轮廓扫描喷射固化技术，分别喷射陶瓷颗粒混合物（粒径为50~120目的氧化锆增韧氧化铝陶瓷）和粘结剂（磷酸二氢铝），在每一层铺好压实的陶瓷颗粒混合物（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）上精确地喷射粘结剂（磷酸二氢铝）；以质量分数计，粒径为50~70目的陶瓷颗粒（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）占10%，粒径为90~100目的陶瓷颗粒（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）占18%，粒径为100~120目的陶瓷颗粒（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）占15%，粒径-120目的陶瓷颗粒（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）占2%，余量为粒径70~90目的陶瓷颗粒（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）；

（3）将步骤（2）所得陶瓷颗粒预制体静置13min，然后置于设有陶瓷管保温层的模具中，预热至温度为900℃并保温80min；其中陶瓷管保温层的厚度为12mm，直径为φ90mm；

（4）将步骤（3）保温处理的陶瓷管保温层和陶瓷颗粒预制体置于铸型型腔中，在压力为10mpa的条件下浇注金属熔体（金属熔体为合金钢40cr钢熔体），冷却即得层状波形金属基复合材料（zta颗粒增强钢基复合材料）；

在三体磨料磨损试验中zta颗粒增强40cr基复合材料耐磨性明显优于40cr钢的耐磨性，而且随着磨损时间的延长，复合材料的相对耐磨性不断提高。在2kg载荷120min磨损条件下复合材料的相对耐磨性是40cr钢的1.82倍，在5kg载荷120min磨损条件下复合材料的相对耐磨性是40cr钢的2.51倍。对比不同载荷的磨料磨损试验，发现在较高载荷条件下zta颗粒增强40cr钢基复合材料相对耐磨性较高。

实施例3：一种层状波形金属基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）利用绘图软件绘制出层状立体结构模型：构建截面的外径为φ86mm，内径φ81mm，厚度为20mm的镂空块体，镂空块体的内部为上边长11mm，下边长22mm，侧边与水平线锐角夹角成65°的波形结构；

（2）将步骤（1）所得层状立体结构模型导入3d打印机配套软件，对层状立体结构模型进行切片处理，然后采用轮廓扫描喷射固化技术，将陶瓷颗粒混合物（陶瓷颗粒混合物为粒径为50~120目的碳化钨陶瓷和碳化钛陶瓷的混合物）、粘结剂（粘结剂为水玻璃）进行3d打印成波形结构的陶瓷颗粒预制体，其中切片处理的层厚度为0.08mm，壁厚为1.8mm，3d打印的填充密度40%，打印速度35mm/s；陶瓷颗粒预制体打印过程采用轮廓扫描喷射固化技术，分别喷射陶瓷颗粒混合物（粒径为50~120目的碳化钨陶瓷和碳化钛陶瓷的混合物）和粘结剂（水玻璃），在每一层铺好压实的陶瓷颗粒混合物（碳化钨陶瓷和碳化钛陶瓷的混合物）上精确地喷射粘结剂（水玻璃）；以质量分数计，粒径为50~70目的陶瓷颗粒（碳化钨陶瓷和碳化钛陶瓷的混合物）占20%，粒径为90~100目的陶瓷颗粒（碳化钨陶瓷和碳化钛陶瓷的混合物）占32%，粒径为100~120目的陶瓷颗粒（碳化钨陶瓷和碳化钛陶瓷的混合物）占10%，粒径-120目的陶瓷颗粒（碳化钨陶瓷和碳化钛陶瓷的混合物）占5%，余量为粒径70~90目的陶瓷颗粒（碳化钨陶瓷和碳化钛陶瓷的混合物）；

（3）将步骤（2）所得陶瓷颗粒预制体静置15min，然后置于设有陶瓷管保温层的模具中，预热至温度为500℃并保温90min；其中陶瓷管保温层的厚度为11mm，直径为φ90mm；

（4）将步骤（3）保温处理的陶瓷管保温层和陶瓷颗粒预制体置于铸型型腔中，在压力为50mpa的条件下浇注金属熔体（金属熔体为铝合金熔体），冷却即得层状波形金属基复合材料（碳化钨/碳化钛陶瓷颗粒增强铝基复合材料）；

在三体磨料磨损试验中混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料耐磨性明显优于铝合金的耐磨性，而且随着磨损时间的延长，复合材料的相对耐磨性不断提高。在2kg载荷120min磨损条件下复合材料的相对耐磨性是铝合金的2.73倍，在5kg载荷120min磨损条件下复合材料的相对耐磨性是铝合金的3.24倍。对比不同载荷的磨料磨损试验，发现在高应力载荷条件下混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料相对耐磨性较高。