專利名稱：沉積制備非均質(zhì)件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種沉積制備非均質(zhì)件的方法，特別是熔滴/粉末聯(lián)合沉積制備非均質(zhì)件的 方法。
背景技術：
文獻"R. Melcher, S. Martins, N. Travitzky, R Greil. Fabrication of Al2O3-based composites by indirect 3D-printing. Materials Letters. 2006， 60: 572-575"公開了一種間接三維打印制備鉛基陶 瓷金屬復合材料的方法。該方法需要經(jīng)過制粉—三維打印—脫脂燒結—二次浸滲燒結，將其 他金屬粉體滲透至多孔試樣最終得到致密件。制粉需要將A1203和糊精、分散劑等粉末經(jīng)過 混合、干燥、球磨和篩選等多道工序。然后進行三維打印制備初始態(tài)坩堝，其中用于粘接粉 末的液滴為蒸餾水。初始態(tài)坩堝逐步加溫進行脫脂燒結，然后在最高的160(TC環(huán)境中保溫4h， 冷卻后得到多孔狀的中間態(tài)坩堝。最后將Cu和CuO的混合物放置在中間態(tài)坩堝中，在真空 環(huán)境以130(TC保溫1.5h進行Cu-0混合物滲透的二次燒結，從而制備得到致密的Al203/Cu 的鋁基陶瓷金屬復合材料坩堝。采用該方法首先需要制粉、然后三維打印制備原型，最后進 行兩次燒結，其中制粉就需要混合、干燥、球磨和篩選等多到工序來完成，制備過程比較復 雜。兩次加熱溫度分別達到了 160(TC和1300°C，同時需要長時間保溫，對設備要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術沉積制備非均質(zhì)件制備溫度高、需要二次燒結的不足，本發(fā)明提供 一種沉積制備非均質(zhì)件的方法，將熔滴和粉體直接結合一次成型，無需進行二次燒結就可以 得到非均質(zhì)件；制備過程只要將其中的一種金屬加熱到熔點以上保證順利噴射即可，可以有 效降低制備溫度。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案 一種沉積制備非均質(zhì)件的方法，其特點是 包括下述步驟
(a) 把待熔化的型材放入坩堝內(nèi)，將粉體放入粉斗中并密封粉斗；
(b) 對真空室進行抽真空后充入氬氣，使真空室內(nèi)壓強和大氣壓保持一致，真空室內(nèi)的 氧含量達到10ppm以下；
(C)開啟振動給粉控制模塊，保證毛細管中隨時有粉體可以順利噴射沉積；
(d) 開啟加熱控制模塊，將環(huán)形加熱爐升溫至800 900°C并保溫，使坩堝內(nèi)的型材完 全融化；平板加熱爐升溫至200 300°C保證層面之間不出現(xiàn)冷隔層；
(e) 通過工控機對振動給粉控制模塊、熔滴噴射控制模塊和基板進行協(xié)調(diào)控制預備非均質(zhì)件的制備；
(f) 對每個層面進行二維網(wǎng)格劃分，形成單元，定義每個單元的坐標位置和材料屬性， 在每一個層面制備過程中，根據(jù)每個單元的材料屬性沉積熔滴或者粉體，并且要求熔滴和粉 體的體積相等；
(g) 完成一個層面的制備后，基板向下運動一個層面的厚度，然后進行下一個層面的沉 積，逐層堆積，完成整個非均質(zhì)件的制備；
(h)對零件進行熱處理以消除單元間的冷隔層。
本發(fā)明的有益效果是由于將熔滴和粉體直接結合在一起，無需進行二次燒結就可以得 到非均質(zhì)件；無需進行高溫固態(tài)滲透燒結，只要將其中一種金屬加熱到熔點以上保證順利噴 射即可，將非均質(zhì)件的制備溫度由現(xiàn)有技術的1300 1600'C降低到100(TC以內(nèi)，對設備要求 較低。同時可根據(jù)零件的特殊使用要求，按需進行定點、定量噴射，實現(xiàn)理想非均質(zhì)件制備。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。


附圖是本發(fā)明沉積制備非均質(zhì)件的方法所用裝置示意圖。
圖中，l-真空室；2-CCD攝像機；3-振動給粉控制模塊；4-粉體；5-超聲換能器；6-毛細 管；7-輸粉管；8-粉體輸送控制開關；9-粉斗；10-回收槽；ll-環(huán)形加熱爐；12-坩堝；13-泄 氣開關；14-熔滴噴射控制模塊；15-熔滴；16-非均質(zhì)件；17-平板加熱爐；18-基板；19-加熱 控制模塊；20-工控機。
具體實施例方式
實施例l:參照附圖。把A1型材放入坩堝12內(nèi)，將Ti粉體放入粉斗9中，密封粉斗9。 對真空室1進行抽真空后充入氬氣，使真空室1內(nèi)壓強和大氣壓保持一致，循環(huán)操作兩 次，使氧含量達到10ppm以下，防止A1型材在加熱熔化后發(fā)生氧化。
開啟振動給粉控制模塊3，打開粉體輸送控制開關8,使Ti粉通過輸粉管7進入毛細管6; 當毛細管6內(nèi)粉體較少時，再次開啟輸粉控制開關8對毛細管6進行補粉。啟動超聲換能器 5對毛細管6施加振動，使粉體充滿毛細管6并能穩(wěn)定給粉，隨后停止振動，通過CCD攝像 機2對給粉過程進行監(jiān)控。該調(diào)試過程中回收槽10要置于毛細管6下方，對調(diào)整過程中流出 的粉體4進行回收。
開啟加熱控制模塊19，對環(huán)形加熱爐11和平板加熱爐17進行加熱，要求把環(huán)形加熱爐 11升溫至900°C并保溫，使坩堝12內(nèi)的Al型材完全融化；平板加熱爐17加熱至300°C，防 止熔滴15或粉體4沉積后冷卻太快而出現(xiàn)冷隔層。
當坩堝12內(nèi)的溫度達到900°C時，啟動熔滴噴射控制模塊14，將回收槽10移至坩堝12
4下方，對調(diào)試噴射的熔滴進行回收，調(diào)節(jié)泄氣開關13以獲得均勻顆粒。通過CCD攝像機2 對熔滴噴射過程進行實時監(jiān)控。
基板達到預定溫度300。C后，通過工控機20對振動給粉控制模塊3、熔滴噴射控制模塊 14和基板18進行協(xié)調(diào)控制。為保證制備精度，沉積距離要求控制在2厘米以下。將層面厚 度設定為lOO"m，即完成一個層面的沉積后，基板沿Z軸下降100um的距離后再進行第二 層的沉積。
對零件模型進行切片處理，將每個切片進行二維網(wǎng)格劃分形成單元，并對每個單元賦予 不同的材料信息。
制備第一層面時，對于要求沉積A1的單元，將基板18移至坩堝12的噴嘴下方。啟動熔 滴噴射控制模塊14,對欲沉積單元位置噴射1顆Al熔滴。若某個單元需要沉積Ti粉，則將 該沉積單元位置移至毛細管6的下方，啟動振動給粉控制模塊3實現(xiàn)2s的振動給粉。保證噴 射l顆Al熔滴的體積與振動2s給粉體積相等。對離散的單元進行逐點沉積，由點成線，再 由線成面即完成第一層面的制備。
完成第一個層面的沉積后，基板18沿Z軸向下運動100um的層面厚度距離，進行第二 層面的沉積。根據(jù)每個單元的材料信息，將單元位置移動至噴嘴或者毛細管下面進行沉積。
相鄰且不同材料屬性的單元內(nèi)的物質(zhì)會發(fā)生反應生成第三種物質(zhì)——Ti-Al金屬間化 合物。
熔滴和粉體都可以定點微量提供，真正實現(xiàn)了按需定位，精確定量，通過點沉積進行平 面構型、立體堆積，即可成型非均質(zhì)件16。
根據(jù)需要選擇對非均質(zhì)件進行熱處理以消除單元間的冷隔層。 實施例2: SiCp顆粒局部增強Mg基復合材料零件的制備。
要求制備上中下三段高度分別為10mm且各段增強體質(zhì)量百分比不同的SiCp/Mg復合材 料，其中上下兩端SiCp增強體的體積百分比為15%,中間部位SiCp增強體的體積百分比為 10%。根據(jù)零件的幾何尺寸和材料信息進行三維建模，生成二維層面數(shù)據(jù)，層面厚度仍為100 ym，因此每段的層面數(shù)都是100。然后根據(jù)層面數(shù)據(jù)生成基板運動的數(shù)控代碼和液滴及粉體 噴射的開關控制信號。
把Mg型材放入坩堝12內(nèi)，將SiCp顆粒放入粉斗9中，密封粉斗9。
對真空室1進行抽真空后充入氬氣，使真空室1內(nèi)壓強和大氣壓保持一致，循環(huán)操作兩 次，使氧含量在10ppm以下，防止Mg型材在熔化后發(fā)生氧化。
通過振動給粉控制模塊3使毛細管6內(nèi)充滿SiCp增強體顆粒且能實現(xiàn)穩(wěn)定給粉。通過 CCD攝像機2對給粉過程進行監(jiān)控。開啟加熱控制模塊19對環(huán)形加熱爐11和平板加熱爐17通電加熱，其中要求把環(huán)形加熱 爐加熱到800°C并保溫，使坩堝內(nèi)的Mg型材完全融化；平板加熱爐加熱至200°C，防止制 備零件的層間出現(xiàn)冷隔。
啟動熔滴噴射控制模塊14，保證獲得均勻熔滴。通過CCD攝像機2對熔滴噴射過程進 行實時監(jiān)控。
通過工控機20對振動給粉控制模塊3、熔滴噴射控制模塊14和基板18進行協(xié)調(diào)控制。 對每一個單元進行等體積的熔滴或者粉末沉積。
首先進行SiCp增強體體積百分比為15%的底端的制備。要求在同一條沉積線上，沉積 Mg熔滴的單元數(shù)與沉積SiCp顆粒的單元數(shù)之比為100: 15。為了保證材料混合均勻，含SiCp 顆粒的單元要均勻分布在含Mg熔滴的單元中。
為防止增強體比例突然變化產(chǎn)生應力集中，下端向中間部位過渡區(qū)域的增強體的比例要 求逐步變小，從下往上設定4層過渡層，即沉積第97層時沉積Mg熔滴的單元數(shù)與沉積 SiCp顆粒的單元數(shù)之比為100: 14，沉積第98、 99、 100過渡層時，沉積Mg熔滴的單元數(shù)與
沉積SiCp顆粒的單元數(shù)之比為分別為(100: 13)， (100: 12)， (100: 11)。
然后進行SiCp增強體的體積百分比為10%的中段制備。SiCp增強體顆粒的比例要求為 10%，保持沉積Mg熔滴的單元數(shù)與沉積SiCp顆粒的單元數(shù)之比為100: IO不變，沉積完成 中間部分的制備。
中段向上端的過渡層從第197個層面開始，再次進行基體Mg熔滴和SiCp增強體顆粒比 例的調(diào)整。將沉積Mg熔滴的單元數(shù)與沉積SiCp顆粒的單元數(shù)之比改為100: 11進行第197 個層面層的沉積，第198、 199、 200過渡層沉積過程中，單元比例數(shù)分別為(100: 12)， (100: 13)， (100: 14)。
最后進行上端的沉積，SiCp增強體顆粒的比例要求為15%，保持沉積Mg熔滴的單元數(shù)與沉 積SiCp顆粒的單元數(shù)之比為100: 15不變，沉積完成上端的制備。
根據(jù)需要選擇對復合材料零件進行熱處理以消除單元間的冷隔層。
權利要求
1、一種沉積制備非均質(zhì)件的方法，其特征在于包括下述步驟(a)把待熔化的型材放入坩堝內(nèi)，將粉體放入粉斗中并密封粉斗；(b)對真空室進行抽真空后充入氬氣，使真空室內(nèi)壓強和大氣壓保持一致，真空室內(nèi)的氧含量達到10ppm以下；(c)開啟振動給粉控制模塊，保證毛細管中隨時有粉體可以順利噴射沉積；(d)開啟加熱控制模塊，將環(huán)形加熱爐升溫至800～900℃并保溫，使坩堝內(nèi)的型材完全融化；平板加熱爐升溫至200～300℃保證層面之間不出現(xiàn)冷隔層；(e)通過工控機對振動給粉控制模塊、熔滴噴射控制模塊和基板進行協(xié)調(diào)控制預備非均質(zhì)件的制備；(f)對每個層面進行二維網(wǎng)格劃分，形成單元，定義每個單元的坐標位置和材料屬性，在每一個層面制備過程中，根據(jù)每個單元的材料屬性沉積熔滴或者粉體，并且要求熔滴和粉體的體積相等；(g)完成一個層面的制備后，基板向下運動一個層面的厚度，然后進行下一個層面的沉積，逐層堆積，完成整個非均質(zhì)件的制備；(h)對零件進行熱處理以消除單元間的冷隔層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種沉積制備非均質(zhì)件的方法，采用氣動式按需熔滴噴射方法得到均勻金屬熔滴；采用超聲振動毛細管微量給粉方法實現(xiàn)給粉。根據(jù)零件的數(shù)字模型，運用層面算法提取出零件每層的幾何信息和材料信息，同時生成每層層面對應的基板運動軌跡，通過編程實現(xiàn)對基板運動、熔滴噴射和粉末沉積三者協(xié)調(diào)控制，從而完成非均質(zhì)件的制備。由于將熔滴和粉體直接結合在一起，無需進行二次燒結就可以得到非均質(zhì)件；無需進行高溫固態(tài)滲透燒結，只要將其中一種金屬加熱到熔點以上保證順利噴射即可，將非均質(zhì)件的制備溫度由現(xiàn)有技術的1300～1600℃降低到1000℃以內(nèi)，對設備要求較低。同時可根據(jù)零件的特殊使用要求，按需進行定點、定量噴射，實現(xiàn)理想非均質(zhì)件制備。
文檔編號C23C4/12GK101514438SQ20091002183
公開日2009年8月26日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權日2009年4月3日
發(fā)明者晁艷普, 曾祥輝, 方 楊, 俊 羅, 華 黃, 齊樂華 申請人:西北工業(yè)大學