本發(fā)明涉及3D打印成型制造方法。
背景技術：
3D打印技術是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術。它無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件。3D冷打印技術用低粘度、高固含量的金屬粉末料漿來代替3D打印的原材料，把這種料漿當做打印的“墨水”，在室溫或低溫條件下實現(xiàn)金屬零件坯體的逐層打印。3D冷打印技術能一體化成形具有任意復雜空間結(jié)構(gòu)的零件坯體，無需使用激光，直接在常溫或低溫下成形，成形后坯體再經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)得到致密結(jié)構(gòu)件，是一種新型的易實現(xiàn)、高效率、低成本的3D打印技術。
3D打印技術可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，適合于復雜形狀零件的制造，也適合于難加工材料的制造，由于陶瓷材料硬而脆的特點使其加工成形尤其困難，特別是復雜陶瓷件需通過模具來成形，模具加工成本高、開發(fā)周期長，難以滿足產(chǎn)品不斷更新的需求。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜形狀成型困難，且金屬與陶瓷材料釬焊形成的焊接結(jié)構(gòu)件接頭存在較大應力的問題，而提供一種陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印成型制造方法。
一種陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印成型制造方法是按以下步驟進行：
一、三維模型建立：
通過Auto CAD軟件建立零件結(jié)構(gòu)的三維模型，模型經(jīng)分層切片處理，設定打印層厚度為0.5mm～1mm，打印時，漿料噴頭與引發(fā)劑噴頭的移動速度為20mm/s～50mm/s，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D冷打印設備中；
二、Si3N4陶瓷料漿的制備：
將丙烯酰胺、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺溶解于去離子水中，得到預混液A，向預混液A中加入質(zhì)量百分數(shù)為25％～28％的氨水和異辛醇，然后加入Si3N4陶瓷粉末混合攪拌，再加入Al2O3，在N2氣氛下球磨20h，得到Si3N4陶瓷料漿；
所述的Si3N4陶瓷料漿中Si3N4陶瓷粉末的固相體積分數(shù)為40％～50％；
所述的N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為(20～30):100；所述的質(zhì)量分數(shù)為25％～28％的氨水與預混液A的質(zhì)量比為(0.4～1.0):100；所述的異辛醇與預混液A的質(zhì)量比為(0.1～0.3):100；所述的Al2O3與Si3N4陶瓷粉末的質(zhì)量比為(2～5):100；
三、Ti金屬料漿的制備：
將丙烯酰胺、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺溶解于去離子水中，得到預混液B，向預混液B中加入質(zhì)量百分數(shù)為25％～28％的氨水和異辛醇，然后加入Ti金屬粉末混合攪拌，在N2氣氛下球磨20h，得到Ti金屬料漿；
所述的Ti金屬料漿中Ti金屬粉末的固相體積分數(shù)為40％～60％；
所述的N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為(20～30):100；所述的質(zhì)量分數(shù)為25％～28％的氨水與預混液B的質(zhì)量比為(0.4～1.0):100；所述的異辛醇與預混液B的質(zhì)量比為(0.1～0.3):100；
四、引發(fā)劑的制備：
將偶氮二異丁基脒鹽酸鹽與水混合，得到質(zhì)量百分數(shù)為20％～30％的引發(fā)劑水溶液；
五、輸送漿料及打印：
保持Si3N4陶瓷料漿及Ti金屬料漿的溫度為50℃～60℃，采用兩套送料系統(tǒng)分別輸送Si3N4陶瓷料漿及Ti金屬料漿至同一漿料噴頭中，采用另一套送料系統(tǒng)輸送引發(fā)劑水溶液至引發(fā)劑噴頭，且漿料噴頭與引發(fā)劑噴頭同時輸送，設輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)的流速V1及輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)的流速V2，且V1＝V2，V1及V2恒定，設漿料噴頭的擠出體積流量為Q，設Si3N4陶瓷料漿輸送體積流量為Q1，設輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積為S1，設Ti金屬料漿輸送體積流量為Q2，設輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積S2，Q＝Q1+Q2，保持Q恒定，設引發(fā)劑噴頭的擠出體積流量為Q3，Q:Q3＝1:(0.05～0.3)；室溫下，由陶瓷打印開始，保持Q1＝Q，Q2＝0，直至打印至陶瓷與金屬的過渡區(qū)域，在V1恒定的條件下，通過改變輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積S1，使Q1與時間的函數(shù)呈線性變化，S1變化率為2mm2/s～5mm2/s，隨時間增加，Q1降低，在V2恒定的條件下，通過改變輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積S2，使Q2與時間的函數(shù)呈線性變化，S2變化率為2mm2/s～5mm2/s，隨時間增加，Q2增大，當Q1＝Q2時，在Q1＝Q2的條件下，保持200s～300s，保持后，在V1恒定的條件下，繼續(xù)以改變輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積為S1，使Q1與時間的函數(shù)呈線性變化，S1變化率為2mm2/s～5mm2/s，隨時間增加，Q1降低，在V2恒定的條件下，改變輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積S2，使Q2與時間的函數(shù)呈線性變化，S2變化率為2mm2/s～5mm2/s，隨時間增加，Q2增大，當Q1降低至0，Q2增大至Q時，然后以Q2＝Q的速度打印Ti金屬，直至一層打印完成；
六、逐層打?。?/p>
在室溫條件下，按步驟五逐層打印成零件坯體，得到3D冷打印坯體；
七、燒結(jié)：
將3D冷打印坯體干燥，然后在溫度為400℃～600℃下脫脂，再在溫度為1600℃～1700℃下進行燒結(jié)2h，最后隨爐冷卻，得到陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)件。
本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印成型制造技術，可以實現(xiàn)任意復雜結(jié)構(gòu)零件的制造，可以解決陶瓷材料硬而脆使其加工成型困難的問題。
2、本發(fā)明采用3D冷打印技術，直接在常溫或低溫下成形，成形后坯體再經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)得到致密結(jié)構(gòu)件，是一種新型的易實現(xiàn)、高效率、低成本的3D打印技術。
3、通過陶瓷材料與金屬材料的逐漸過渡，能夠提高陶瓷與金屬的結(jié)合強度。
4、在3D冷打印、整體燒結(jié)過程中，釋放了部分結(jié)構(gòu)應力，有效緩和了陶瓷金屬結(jié)構(gòu)件的接頭應力較大的問題。
本發(fā)明用于一種陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印成型制造方法。
具體實施方式
具體實施方式一：本實施方式的一種陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印成型制造方法是按以下步驟進行：
一、三維模型建立：
通過Auto CAD軟件建立零件結(jié)構(gòu)的三維模型，模型經(jīng)分層切片處理，設定打印層厚度為0.5mm～1mm，打印時，漿料噴頭與引發(fā)劑噴頭的移動速度為20mm/s～50mm/s，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D冷打印設備中；
二、Si3N4陶瓷料漿的制備：
將丙烯酰胺、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺溶解于去離子水中，得到預混液A，向預混液A中加入質(zhì)量百分數(shù)為25％～28％的氨水和異辛醇，然后加入Si3N4陶瓷粉末混合攪拌，再加入Al2O3，在N2氣氛下球磨20h，得到Si3N4陶瓷料漿；
所述的Si3N4陶瓷料漿中Si3N4陶瓷粉末的固相體積分數(shù)為40％～50％；
所述的N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為(20～30):100；所述的質(zhì)量分數(shù)為25％～28％的氨水與預混液A的質(zhì)量比為(0.4～1.0):100；所述的異辛醇與預混液A的質(zhì)量比為(0.1～0.3):100；所述的Al2O3與Si3N4陶瓷粉末的質(zhì)量比為(2～5):100；
三、Ti金屬料漿的制備：
將丙烯酰胺、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺溶解于去離子水中，得到預混液B，向預混液B中加入質(zhì)量百分數(shù)為25％～28％的氨水和異辛醇，然后加入Ti金屬粉末混合攪拌，在N2氣氛下球磨20h，得到Ti金屬料漿；
所述的Ti金屬料漿中Ti金屬粉末的固相體積分數(shù)為40％～60％；
所述的N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為(20～30):100；所述的質(zhì)量分數(shù)為25％～28％的氨水與預混液B的質(zhì)量比為(0.4～1.0):100；所述的異辛醇與預混液B的質(zhì)量比為(0.1～0.3):100；
四、引發(fā)劑的制備：
將偶氮二異丁基脒鹽酸鹽與水混合，得到質(zhì)量百分數(shù)為20％～30％的引發(fā)劑水溶液；
五、輸送漿料及打?。?/p>
保持Si3N4陶瓷料漿及Ti金屬料漿的溫度為50℃～60℃，采用兩套送料系統(tǒng)分別輸送Si3N4陶瓷料漿及Ti金屬料漿至同一漿料噴頭中，采用另一套送料系統(tǒng)輸送引發(fā)劑水溶液至引發(fā)劑噴頭，且漿料噴頭與引發(fā)劑噴頭同時輸送，設輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)的流速V1及輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)的流速V2，且V1＝V2，V1及V2恒定，設漿料噴頭的擠出體積流量為Q，設Si3N4陶瓷料漿輸送體積流量為Q1，設輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積為S1，設Ti金屬料漿輸送體積流量為Q2，設輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積S2，Q＝Q1+Q2，保持Q恒定，設引發(fā)劑噴頭的擠出體積流量為Q3，Q:Q3＝1:(0.05～0.3)；室溫下，由陶瓷打印開始，保持Q1＝Q，Q2＝0，直至打印至陶瓷與金屬的過渡區(qū)域，在V1恒定的條件下，通過改變輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積S1，使Q1與時間的函數(shù)呈線性變化，S1變化率為2mm2/s～5mm2/s，隨時間增加，Q1降低，在V2恒定的條件下，通過改變輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積S2，使Q2與時間的函數(shù)呈線性變化，S2變化率為2mm2/s～5mm2/s，隨時間增加，Q2增大，當Q1＝Q2時，在Q1＝Q2的條件下，保持200s～300s，保持后，在V1恒定的條件下，繼續(xù)以改變輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積為S1，使Q1與時間的函數(shù)呈線性變化，S1變化率為2mm2/s～5mm2/s，隨時間增加，Q1降低，在V2恒定的條件下，改變輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積S2，使Q2與時間的函數(shù)呈線性變化，S2變化率為2mm2/s～5mm2/s，隨時間增加，Q2增大，當Q1降低至0，Q2增大至Q時，然后以Q2＝Q的速度打印Ti金屬，直至一層打印完成；
六、逐層打?。?/p>
在室溫條件下，按步驟五逐層打印成零件坯體，得到3D冷打印坯體；
七、燒結(jié)：
將3D冷打印坯體干燥，然后在溫度為400℃～600℃下脫脂，再在溫度為1600℃～1700℃下進行燒結(jié)2h，最后隨爐冷卻，得到陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)件。
本實施方式的有益效果是：1、本實施方式陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印成型制造技術，可以實現(xiàn)任意復雜結(jié)構(gòu)零件的制造，可以解決陶瓷材料硬而脆使其加工成型困難的問題。
2、本實施方式采用3D冷打印技術，直接在常溫或低溫下成形，成形后坯體再經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)得到致密結(jié)構(gòu)件，是一種新型的易實現(xiàn)、高效率、低成本的3D打印技術。
3、通過陶瓷材料與金屬材料的逐漸過渡，能夠提高陶瓷與金屬的結(jié)合強度。
4、在3D冷打印、整體燒結(jié)過程中，釋放了部分結(jié)構(gòu)應力，有效緩和了陶瓷金屬結(jié)構(gòu)件的接頭應力較大的問題。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟二中所述的Si3N4陶瓷粉末的粒徑為10μm～20μm。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同的是：步驟二中所述的Al2O3的粒徑為1μm～2μm。其它與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：步驟三中所述的Ti金屬粉末的粒徑為10μm～20μm。其它與具體實施方式一至三相同。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：步驟一中設定打印層厚度為1mm，打印時，漿料噴頭與引發(fā)劑噴頭的移動速度為50mm/s。其它與具體實施方式一至四相同。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：步驟二中所述的Si3N4陶瓷料漿中Si3N4陶瓷粉末的固相體積分數(shù)為50％。其它與具體實施方式一至五相同。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是：步驟三中所述的Ti金屬料漿中Ti金屬粉末的固相體積分數(shù)為60％。其它與具體實施方式一至六相同。
具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是：步驟五中當Q1＝Q2時，在Q1＝Q2的條件下，保持200s。其它與具體實施方式一至七相同。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一至八之一不同的是：步驟七中將3D冷打印坯體干燥，然后在溫度為600℃下脫脂。其它與具體實施方式一至八相同。
具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式一至九之一不同的是：步驟七中再在溫度為1650℃下進行燒結(jié)2h。其它與具體實施方式一至九相同。
采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：
實施例一：
一種陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印成型制造方法是按以下步驟進行：
一、三維模型建立：
通過Auto CAD軟件建立零件結(jié)構(gòu)的三維模型，模型經(jīng)分層切片處理，設定打印層厚度為1mm，打印時，漿料噴頭與引發(fā)劑噴頭的移動速度為50mm/s，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D冷打印設備中；
二、Si3N4陶瓷料漿的制備：
將丙烯酰胺、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺溶解于去離子水中，得到預混液A，向預混液A中加入質(zhì)量百分數(shù)為25％的氨水和異辛醇，然后加入Si3N4陶瓷粉末混合攪拌，再加入Al2O3，在N2氣氛下球磨20h，得到Si3N4陶瓷料漿；
所述的Si3N4陶瓷料漿中Si3N4陶瓷粉末的固相體積分數(shù)為50％；
所述的N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為0.3:100；所述的丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為25:100；所述的質(zhì)量分數(shù)為25％的氨水與預混液A的質(zhì)量比為1.0:100；所述的異辛醇與預混液A的質(zhì)量比為0.2:100；所述的Al2O3與Si3N4陶瓷粉末的質(zhì)量比為3:100；
三、Ti金屬料漿的制備：
將丙烯酰胺、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺溶解于去離子水中，得到預混液B，向預混液B中加入質(zhì)量百分數(shù)為25％的氨水和異辛醇，然后加入Ti金屬粉末混合攪拌，在N2氣氛下球磨20h，得到Ti金屬料漿；
所述的Ti金屬料漿中Ti金屬粉末的固相體積分數(shù)為60％；
所述的N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為0.3:100；所述的丙烯酰胺與去離子水的質(zhì)量比為25:100；所述的質(zhì)量分數(shù)為25％的氨水與預混液B的質(zhì)量比為1.0:100；所述的異辛醇與預混液B的質(zhì)量比為0.2:100；
四、引發(fā)劑的制備：
將偶氮二異丁基脒鹽酸鹽與水混合，得到質(zhì)量百分數(shù)為20％的引發(fā)劑水溶液；
五、輸送漿料及打?。?/p>
保持Si3N4陶瓷料漿及Ti金屬料漿的溫度為50℃，采用兩套送料系統(tǒng)分別輸送Si3N4陶瓷料漿及Ti金屬料漿至同一漿料噴頭中，采用另一套送料系統(tǒng)輸送引發(fā)劑水溶液至引發(fā)劑噴頭，且漿料噴頭與引發(fā)劑噴頭同時輸送，設輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)的流速V1及輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)的流速V2，且V1＝V2，V1及V2恒定，設漿料噴頭的擠出體積流量為Q＝39.3mm3/s，設Si3N4陶瓷料漿輸送體積流量為Q1，設輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積為S1，設Ti金屬料漿輸送體積流量為Q2，設輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積為S2，Q＝Q1+Q2，保持Q恒定，設引發(fā)劑噴頭的擠出體積流量為Q3，Q:Q3＝1:0.2；室溫下，由陶瓷打印開始，保持Q1＝Q，Q2＝0，直至打印至陶瓷與金屬的過渡區(qū)域，在V1恒定的條件下，通過改變輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積S1，使Q1與時間的函數(shù)呈線性變化，S1變化率為2mm2/s，隨時間增加，Q1降低，在V2恒定的條件下，通過改變輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積S2，使Q2與時間的函數(shù)呈線性變化，S2變化率為2mm2/s，隨時間增加，Q2增大，當Q1＝Q2時，在Q1＝Q2的條件下，保持200s，保持后，在V1恒定的條件下，繼續(xù)以改變輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積S1，使Q1與時間的函數(shù)呈線性變化，S1變化率為2mm2/s，隨時間增加，Q1降低，在V2恒定的條件下，改變輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積S2，使Q2與時間的函數(shù)呈線性變化，S2變化率為2mm2/s，隨時間增加，Q2增大，當Q1降低至0，Q2增大至Q時，然后以Q2＝Q的速度打印Ti金屬，直至一層打印完成；
六、逐層打?。?/p>
在室溫條件下，按步驟五逐層打印成零件坯體，得到3D冷打印坯體；
七、燒結(jié)：
將3D冷打印坯體干燥，然后在溫度為600℃下脫脂，再在溫度為1650℃下進行燒結(jié)2h，最后以降溫速度為5℃/min冷卻至室溫，得到陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)件；
步驟二中所述的Si3N4陶瓷粉末的粒徑為10μm；
步驟二中所述的Al2O3的粒徑為1μm；
步驟三中所述的Ti金屬粉末的粒徑為10μm；
步驟五中V1＝V2＝0.6mm/s，設漿料噴頭的流速為V＝50mm/s；
本實施例中通過電機轉(zhuǎn)動螺桿改變料漿出口截面積來控制Si3N4陶瓷料漿及Ti金屬料漿的輸送體積流量，當輸送系統(tǒng)未使用時，輸送Si3N4陶瓷料漿系統(tǒng)出口的截面積S1及輸送Ti金屬料漿系統(tǒng)出口的截面積S2為最大值時，S1＝S2＝15mm×5mm。
本實施例制備的Ti與Si3N4陶瓷的陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)件致密度約85％。
本實施例制得的Ti與Si3N4陶瓷的陶瓷金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)件接頭抗剪強度達到100MPa以上，比釬焊Si3N4陶瓷與Ti金屬接頭提高30％左右。