本發(fā)明屬于金屬-陶瓷復(fù)合材料復(fù)雜零件近凈成形技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料零件的制備方法。

背景技術(shù)：

陶瓷材料具有低密度、耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性等優(yōu)良性能，在航空航天等領(lǐng)域具有良好前景的應(yīng)用前景，但是其固有的低韌性限制了陶瓷材料的廣泛應(yīng)用。將金屬與陶瓷復(fù)合形成的金屬-陶瓷復(fù)合材料可以通過材料設(shè)計(jì)，將金屬與陶瓷的特性綜合起來，使材料兼具陶瓷的優(yōu)良性能及金屬的良好韌性。

目前，層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料主要采用預(yù)制的陶瓷層片與金屬層片交替疊層后熱壓燒結(jié)的合成方法。在此方法制備過程中，需要對材料施加一定壓力來完成制備，因此適合制備塊狀材料。對于零件，則只能制備形狀簡單，層片取向方向一致的零件，并且在制備過程中還需要準(zhǔn)備相應(yīng)的模具，增加了時間及制備成本。然而，此方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的近凈成形存在困難，并且難以實(shí)現(xiàn)同種材料層與層間的互通，以及層結(jié)構(gòu)的取向變化或者變層厚設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料零件的制備方法，該方法基于光固化快速成型技術(shù)，通過凝膠注模、無壓熔滲制造出層狀金屬—陶瓷復(fù)合材料零件，有利于定向提高陶瓷復(fù)合材料韌性，解決具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬-陶瓷復(fù)合材料零件的制造難題。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料零件的制備方法，包括以下步驟：

1)通過光固化快速成型技術(shù)制備內(nèi)部有層狀結(jié)構(gòu)的零件樹脂模具；

2)采用凝膠注模法配制陶瓷漿料，通過真空注型工藝得到零件陶瓷素坯；

3)將零件陶瓷素坯進(jìn)行冷凍干燥處理，并去除樹脂模具外殼；

4)將經(jīng)過步驟3)處理的零件陶瓷素坯在600～900℃下進(jìn)行真空脫脂處理，燒失素坯內(nèi)部殘留的有機(jī)物，得到內(nèi)部具有樹脂片層形成的層狀結(jié)構(gòu)陶瓷坯體；

5)采用金屬浸滲工藝對經(jīng)過步驟4)處理的陶瓷坯體進(jìn)行金屬熔滲，再經(jīng)過表面加工，得到內(nèi)部具有微米至毫米尺度的層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料零件。

步驟1)通過光固化快速成型技術(shù)制備內(nèi)部有層狀結(jié)構(gòu)的零件樹脂模具，具體包括以下步驟：

(1)按照零件外形、壁厚及工作載荷，使用三維造型軟件對零件模型內(nèi)部的樹脂片層結(jié)構(gòu)的厚度、形狀及間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到樹脂模具三維模型；

其中，設(shè)計(jì)樹脂片層間的連接結(jié)構(gòu)及通孔，連接結(jié)構(gòu)用來保持樹脂層間距，燒失后為金屬熔滲通道，用來連接金屬層；通孔用來供陶瓷漿料流通，連接陶瓷層；

(2)將樹脂模具三維模型轉(zhuǎn)換為stl格式并分層切片及加支撐處理后導(dǎo)入sl成型設(shè)備中進(jìn)行制備，清洗掉表面液態(tài)殘余樹脂并去除支撐，固化后得到內(nèi)部有層狀結(jié)構(gòu)的零件樹脂模具。

優(yōu)選地，樹脂片層厚度設(shè)計(jì)最小值為100μm。

優(yōu)選地，步驟2)所述凝膠注模法采用丙烯酰胺水基凝膠體系，陶瓷固相含量40％～60％，漿料粘度小于1pa·s。

優(yōu)選地，步驟2)所述陶瓷漿料中所含陶瓷粉體為氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、碳化鈦、碳化鎢、碳化硼、硼化鈦、硼化鋯或氮化硅。

優(yōu)選地，步驟4)和步驟5)之間還包括如下操作：

采用化學(xué)氣相沉積法在層狀結(jié)構(gòu)陶瓷坯體表面沉積界面層材料。

更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述氣相沉積界面層材料為碳、硅、碳化硅、氮化硅、硼、氮化硼或金屬鎳。

步驟5)所述的金屬浸滲工藝為無壓浸滲，具體以氬氣作為保護(hù)氣體，以鋁、鎂、銅、鐵、鈦、鎳及鋯中的兩種或兩種以上的合金作為浸滲金屬。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明公開的層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料零件的制備方法，基于層狀增韌具有良好效果的原理，首先通過光固化快速成型技術(shù)來制備內(nèi)部具有層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷漿料凝膠注模用樹脂模具，然后采用凝膠注模、冷凍干燥、脫脂燒結(jié)制備零件陶瓷坯體，再通過氣相沉積界面層材料來控制界面結(jié)合情況或改善浸滲金屬熔體與陶瓷間的潤濕性，最后無壓金屬浸滲來實(shí)現(xiàn)金屬與陶瓷的復(fù)合，得到內(nèi)部具有微米至毫米尺度的層狀金屬增韌的金屬-陶瓷復(fù)合材料零件。本發(fā)明方法引入高柔性、高精度的光固化快速成型技術(shù)可對金屬增韌層進(jìn)行層內(nèi)及層間設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料內(nèi)部金屬與陶瓷復(fù)合方式的控制，且同種材料單層可根據(jù)要求設(shè)計(jì)為閉合或非閉合曲面，并且同種材料層與層之間可相互連接，實(shí)現(xiàn)金屬層與陶瓷層的交聯(lián)互通結(jié)構(gòu)，提高層狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。該方法可拓展零件的可設(shè)計(jì)性，并對金屬-陶瓷復(fù)合材料零件取得良好的層狀金屬定向增韌效果。

附圖說明

圖1為樹脂模具內(nèi)部層狀結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2為單層樹脂片層示意圖；

圖3為圖2的橫截面示意圖；

圖4為實(shí)施例1的零件結(jié)構(gòu)示意圖；其中，(a)為立體圖；(b)為橫截面；

圖5為實(shí)施例2的零件結(jié)構(gòu)示意圖；其中，(a)為立體圖；(b)為橫截面；

圖6為實(shí)施例2的樹脂片層結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1為樹脂片層；2為樹脂模具外殼；3為通孔；4為層間連接結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

實(shí)施例1

一種層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料零件的制備方法，包括以下步驟：

1)制備內(nèi)部有層狀結(jié)構(gòu)的零件樹脂模具

使用ug三維造型對零件模型內(nèi)部的樹脂片層結(jié)構(gòu)的厚度、形狀及間距按圖4的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，樹脂片層厚度150μm，片層間距500μm，樹脂片層連接結(jié)構(gòu)和通孔按照圖2和圖3設(shè)計(jì)；然后將設(shè)計(jì)好的樹脂模具三維模型轉(zhuǎn)換為stl格式，使用magics軟件對模型分層切片及加支撐處理。將magics處理后數(shù)據(jù)導(dǎo)入sps600光固化快速成型機(jī)rp制造程序，進(jìn)行葉片光固化樹脂模具的制備。用酒精清洗掉表面液態(tài)殘余樹脂并去除支撐，置入紫外線固化箱進(jìn)一步固化后得到內(nèi)部具有層狀結(jié)構(gòu)的樹脂模具，如圖1所示，圖中1為樹脂片層；2為樹脂模具外殼。

2)凝膠注模

采用丙烯酰胺水基凝膠體系，按照24:1質(zhì)量比將丙烯酰胺(am)和n,n′-亞甲基雙丙烯酰胺(mbam)，溶解到去離子水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的預(yù)混液。按照陶瓷漿料用量稱取預(yù)混液倒入球磨罐中，并緩慢加入碳化硅(sic)陶瓷粉體(粒徑1～50μm級配)，然后加入固相成分2wt％的四甲基氫氧化銨溶液作為分散劑，使用行星式球磨機(jī)，剛玉磨球，料球質(zhì)量比1:2.5，轉(zhuǎn)速為360r/min，球磨30分鐘，制備固相含量為60％，漿料粘度小于1pa·s的陶瓷漿料。向制備好的陶瓷漿料中加入預(yù)先配置好的催化劑temed(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25％的四甲基乙二胺溶液)、引發(fā)劑aps(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％過硫酸銨溶液)，催化劑的質(zhì)量與引發(fā)劑的質(zhì)量比為1:6～7。在真空注型機(jī)內(nèi)攪拌均勻后澆注到樹脂模具中，待真空澆注完成后，在大氣環(huán)境常溫靜置40min完成單體交聯(lián)固化得到零件素坯。

3)冷凍干燥處理

將固化后的零件陶瓷素坯放置于-30℃冷凍柜內(nèi)冷凍，使零件陶瓷素坯中的水分完全冷凍結(jié)晶后取出，并使用液氮剝離樹脂模具外殼，再將零件陶瓷素坯放入冷凍干燥機(jī)，在1pa～10pa真空環(huán)境下冷凍干燥72h。

4)脫脂

將干燥零件陶瓷素坯放入真空燒結(jié)爐內(nèi)，將零件陶瓷素坯進(jìn)行900℃真空脫脂處理，燒失素坯內(nèi)部殘留的有機(jī)物，得到內(nèi)部具有樹脂片層形成的層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷坯體。

5)化學(xué)氣相沉積

將脫脂后的陶瓷坯體置于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在陶瓷坯體表面化學(xué)氣相沉積si界面層，厚度5～10μm。

6)金屬熔滲

將化學(xué)氣相沉積處理后的陶瓷坯體放入無壓浸滲爐中，以氬氣作為保護(hù)氣，浸滲金屬的主要成分為al-si-mg合金，在950℃，保溫2小時浸滲。經(jīng)表面精加工后得到內(nèi)部具有微米至毫米尺度的層狀-陶瓷復(fù)合材料零件。

實(shí)施例2

一種層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料零件的制備方法，包括以下步驟：

1)制備內(nèi)部有層狀結(jié)構(gòu)的零件樹脂模具

使用ug三維造型對零件模型內(nèi)部的樹脂片層結(jié)構(gòu)的厚度、形狀及間距按圖5形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，樹脂片層厚度200μm，片層間距500μm，樹脂片層連接結(jié)構(gòu)和通孔按照圖6設(shè)計(jì)，圖中，3為通孔，4為層間連接結(jié)構(gòu)。然后將設(shè)計(jì)好的樹脂模具三維模型轉(zhuǎn)換為stl格式，使用magics軟件對模型分層切片及加支撐處理。將magics處理后數(shù)據(jù)導(dǎo)入sps600光固化快速成型機(jī)rp制造程序，進(jìn)行葉片光固化樹脂模具的制備。用酒精清洗掉表面液態(tài)殘余樹脂并去除支撐，置入紫外線固化箱進(jìn)一步固化后得到內(nèi)部具有層狀結(jié)構(gòu)的樹脂模具。

2)凝膠注模

采用丙烯酰胺水基凝膠體系，將丙烯酰胺(am)和n,n′-亞甲基雙丙烯酰胺(mbam)，按照24:1質(zhì)量比溶解到去離子水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的預(yù)混液。按照陶瓷漿料用量稱取預(yù)混液倒入球磨罐中，并緩慢加入氧化鋁(al2o3)陶瓷粉體(粒徑1～100μm級配)，然后加入固相成分2wt％的四甲基氫氧化銨溶液作為分散劑，使用行星式球磨機(jī)，剛玉磨球，料球質(zhì)量比1:2.5，轉(zhuǎn)速為360r/min，球磨30分鐘，制備固相含量為60％，漿料粘度小于1pa·s的陶瓷漿料。向制備好的陶瓷漿料中加入預(yù)先配置好的催化劑temed(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25％的四甲基乙二胺溶液)、引發(fā)劑aps(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％過硫酸銨溶液)，催化劑的質(zhì)量與引發(fā)劑的質(zhì)量比為1:6～7。在真空注型機(jī)內(nèi)攪拌均勻后澆注到樹脂模具中，待真空澆注完成后，在大氣環(huán)境常溫靜置40min完成單體交聯(lián)固化得到零件素坯。

3)冷凍干燥處理

將固化后的零件陶瓷素坯放置于-30℃冷凍柜內(nèi)冷凍，使零件陶瓷素坯中的水分完全冷凍結(jié)晶后取出，并使用液氮剝離樹脂模具外殼，再將零件陶瓷素坯放入冷凍干燥機(jī)，在1pa～10pa真空環(huán)境下冷凍干燥72h。

4)脫脂

將干燥零件陶瓷素坯放入真空燒結(jié)爐內(nèi)，將零件陶瓷素坯進(jìn)行900℃真空脫脂處理，燒失素坯內(nèi)部殘留的有機(jī)物，得到內(nèi)部具有樹脂片層形成的層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷坯體。

5)金屬熔滲

將陶瓷坯體放入無壓浸滲爐中，以氬氣作為保護(hù)氣，浸滲金屬的主要成分為al-si-mg合金，在950℃，保溫2小時浸滲。經(jīng)表面精加工后得到內(nèi)部具有微米至毫米尺度的層狀金屬增韌的金屬-陶瓷復(fù)合材料零件。