專利名稱：采用疊層法制備功能梯度材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疊層法燃燒合成技術(shù)制造TiC-Ni功能梯度材料。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的功能梯度材料是一種新型材料設(shè)計(jì)概念。功能梯度材料的組成和結(jié) 構(gòu)呈現(xiàn)梯度分布，因此性能也呈現(xiàn)持續(xù)變化。作為非均質(zhì)材料，功能梯度材料 在特定條件下具有均質(zhì)材料所不具備的優(yōu)良性能。功能梯度材料是一種顯微組 分、結(jié)構(gòu)、性能階梯變化的高性能材料。具有較高機(jī)械強(qiáng)度、抗熱沖擊、耐高 溫性能等特點(diǎn)。在電子部件、人造牙、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、化工部件等有廣 泛的應(yīng)用。FGM的制備方法有氣相沉積法、粒子排列法、電沉積法等。氣相沉 積和電沉積法不能制備大厚度塊材，粒子排列法工序復(fù)雜、成分梯度控制困難。功能梯度材料分為兩步制造，分別是成型過程和合成過程。前者包括堆積， 濺射沉積，澆注成型和涂層過程。后者包括物理氣相沉積，化學(xué)氣相沉積，電 鍍，粉末燒結(jié)和燃燒合成技術(shù)(或者叫自蔓燃高溫合成技術(shù))。分層實(shí)體造型是一種快速成型制造技術(shù)。在快速成型制造過程中，傳統(tǒng)的 材料余量的去除被一種通過逐漸增加材料而成型的方法所替代?？焖俪尚椭圃?方法能夠與CAD，激光，光化學(xué)以及聚合物技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一體化制造過程。分 層實(shí)體造型制造過程是從傳統(tǒng)的三維CAD文檔開始，該文檔被轉(zhuǎn)化成制造用的 標(biāo)準(zhǔn)格式(*. STL文件)，然后再通過分離程序?qū)⒉牧夏Ｐ推獬珊芏喾浅１〉臄?面。根據(jù)這些斷面的輪廓設(shè)計(jì)的掃描路徑控制成形臺(tái)和激光掃描儀的移動(dòng)。不 同的材料帶經(jīng)過的時(shí)候被激光束根據(jù)一片一片的斷面進(jìn)行切除，這些斷面堆垛 形成要求尺寸的元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)TiC-Ni功能梯度材料，提供-種低成本，高效率的疊 層法制造技術(shù)。上述的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其組成包括坯體的設(shè)計(jì)、素坯的 制備，然后進(jìn)行坯體的分層、片層的制備、坯體的制備、坯體自蔓延燃燒合成， 所述的坯體的分層是用三維圖形軟件將設(shè)計(jì)好的坯體輸入至計(jì)算機(jī)內(nèi)，并生成 標(biāo)準(zhǔn)格式*. STL文件，使用分離程序?qū)⒁呀?jīng)生成的STL文件中的坯體分割為一定 厚度的片層。所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，所述的素坯的制備是將無定 形石墨和鈦粉以相同的摩爾數(shù)混合，質(zhì)量比為1: 4，然后在石墨與鈦粉的混合 粉體中根據(jù)梯度的要求加入Ni粉，使Ni粉在混合物中的質(zhì)量百分比為0. l 50%，從而形成Ni含量不同的粉體，將這些Ni含量不同的粉體分別放入球磨罐 中進(jìn)行球磨10 20小時(shí)后轉(zhuǎn)移至烘干箱中進(jìn)行烘干，待充分干燥后用軋膜機(jī)將 其軋制成一定厚度的素坯帶。所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，所述的片層的制備是釆用數(shù) 控加工設(shè)備將已經(jīng)制備好的素坯帶加工片層。所述的采用疊層法制備功能梯度 材料的方法，所述的坯體的制備是使用有機(jī)粘結(jié)劑將生成的片層按一定的次序 粘結(jié)在一起，形成坯體。所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，所述的坯體自蔓延燃燒合成 是先將已經(jīng)粘結(jié)在一起的坯體加熱到200 400'C，以去除坯體中的有機(jī)物，達(dá) 到脫脂的目的，然后將坯體轉(zhuǎn)移至模具內(nèi)，將Ni含量較小的一端向下，向模具 內(nèi)加入二氧化硅作為填充物，用制備素坯的無定形石墨和鈦的混合粉作為點(diǎn)火 劑，點(diǎn)火劑的質(zhì)量為5 15g，點(diǎn)火方式則使用電阻絲加熱的方式，當(dāng)點(diǎn)火后10 20s使用高壓120t的對(duì)素坯進(jìn)行壓制，形成功能梯度材料。 '這個(gè)技術(shù)方案有以下有益效果1. 本發(fā)明產(chǎn)生的高反應(yīng)溫度能夠揮發(fā)低沸點(diǎn)的不純雜質(zhì)，產(chǎn)生較為純凈 的產(chǎn)品。2. 本發(fā)明自蔓燃反應(yīng)的發(fā)熱本質(zhì)避免了對(duì)昂貴的設(shè)備和儀器的需求3. 本發(fā)明相當(dāng)短的發(fā)生反應(yīng)時(shí)間降低了操作和處理的成本4. 本發(fā)明高熱梯度和快速冷卻率產(chǎn)生了非均衡或者叫亞穩(wěn)態(tài)相5. 本發(fā)明能夠利用反應(yīng)化學(xué)能一步完成無機(jī)材料的合成和加固。6. 本發(fā)明能制備出完全相同的功能梯度材料，而其他方法是很難或不可 能做到這一點(diǎn)。


附圖1是本發(fā)明制備原理示意圖。 本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其組成包括坯體的設(shè)計(jì)、素坯的 制備、坯體的分層、片層的制備、坯體的制備、坯體自蔓延燃燒合成，所述的 坯體的分層是用三維圖形軟件將設(shè)計(jì)好的坯體輸入至計(jì)算機(jī)內(nèi)，并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式文件O.STL)。使用分離程序?qū)⒁呀?jīng)生成的STL文件中的坯體分割為一定 厚度的片層。所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，所述的坯體的設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì) 功能梯度材料的要求，設(shè)計(jì)功能材料的梯度及各組分(無定形石墨、鈦粉和Ni 粉)的含量。所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，所述的素坯的制備是將無定 形石墨和鈦粉以相同的摩爾數(shù)混合(質(zhì)量比為1: 4)，然后在石墨與鈦粉的混合 粉體中根據(jù)梯度要求加入0. 1 50wt96的Ni粉，從而形成Ni含量不同的粉體， 將這些Ni含量不同的粉體分別放入球磨罐中進(jìn)行球磨10 20小時(shí)后轉(zhuǎn)移至烘 干箱中進(jìn)行烘干。待充分干燥后用軋膜機(jī)將其軋制成一定厚度的素坯帶。所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，所述的片層的制備是使用如 附圖所示的數(shù)控加工設(shè)備將已經(jīng)制備好的素坯帶加工成如附圖所示的形狀。所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，所述的坯體的制備是使用有 機(jī)粘結(jié)劑將生成的片層按一定的次序粘結(jié)在一起，形成坯體。所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，所述的坯體自蔓延燃燒合成 是先將已經(jīng)粘結(jié)在一起的坯體加熱到200 40(TC，以去除坯體中的有機(jī)物，達(dá) 到脫脂的目的，然后將坯體轉(zhuǎn)移至模具內(nèi)，將Ni含量較小的一端向下，向模具 內(nèi)加入二氧化硅作為填充物，用制備素坯的無定形石墨和鈦的混合粉作為點(diǎn)火 劑，點(diǎn)火劑的質(zhì)量為5 15g,點(diǎn)火方式則使用電阻絲加熱的方式，當(dāng)點(diǎn)火后10 20s使用高壓120t的對(duì)素坯進(jìn)行壓制，形成功能梯度材料。 實(shí)施例2:1、 坯體的設(shè)計(jì)在本實(shí)施例中設(shè)計(jì)的功能梯度材料的長(zhǎng)度為12.5mm、 一 端Ni含量為50wtJ，另一端Ni含量為9.09K。其成分在坯體的長(zhǎng)度方向上均 勻減小。2、 素坯的制備將100g無定形石墨粉和400g的鈦粉混合在一起，放在攪 拌器中進(jìn)行攪拌2小時(shí)即可。然后將其分成10份，每份50g。在每一份中加入 的Ni粉的重量不相同。其分布為一等差數(shù)列即在第一份中加入5gNi粉，第 二份中加入10g Ni粉，第三份中加入15g Ni粉，依此類推，最后一份中加入50g Ni粉。將這些Ni含量不同的粉體轉(zhuǎn)移到球磨機(jī)中進(jìn)行12小時(shí)的球磨。當(dāng)球磨 結(jié)束后，將這些粉體轉(zhuǎn)移到烘干設(shè)備中干燥2小時(shí)。最后將粉體放入軋片機(jī)中 軋制成2. 5mm厚的素坯帶。3、 坯體的分層使用了傳統(tǒng)的三維CAD軟件將所要制備的坯體的三維圖 形輸入計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式文件(*.STL)。使用分離程序?qū)⒁呀?jīng)生成的 STL文件中的坯體分割為2. 5mm的片層。4、 片層的制備使用計(jì)算機(jī)對(duì)控制數(shù)控激光加工設(shè)備，對(duì)已經(jīng)制備出的素 坯帶進(jìn)行加工，切割出預(yù)期的片層形狀。5、 坯體的制備在步驟4中制備的片層表面均勻地涂上PVA，厚度大約在 O.lmm左右。由于片層強(qiáng)度較低，因此應(yīng)盡量減少其搬運(yùn)，以防止其破裂。將所 有的片層按Ni粉含量的大小不同依次疊放起來，形成坯體。放入干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥，先去除片層中部分有機(jī)物。6、 坯體3自蔓延燃燒合成將坯體的溫度升高到30(TC，并保持1小時(shí)-以將坯體中的有機(jī)物盡可能去除。然后將其轉(zhuǎn)移到模具2內(nèi)，Ni粉含量低的一 端朝下。向模具內(nèi)加入二氧化硅5作為填充物。使用10gTi粉和無定型石墨(重 量比為4: 1)點(diǎn)火劑，點(diǎn)火方式為使用電熱鎢絲點(diǎn)燃點(diǎn)火器4的方法。點(diǎn)火器 通過導(dǎo)線7給加熱裝置4通電并將引燃劑點(diǎn)燃而使坯體3燃燒，當(dāng)點(diǎn)火15s后 通過壓頭1向坯體3施加120t的壓力，冷卻后形成所需要的功能梯度材料。實(shí)施例3:1、 坯體的設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)的功能梯度材料為1.96wt.96 50wtJ的TiC-Ni 功能梯度材料坯體，功能梯度材料的長(zhǎng)度為12. 5mm， Ni的含量在引坯體的長(zhǎng)度 方向上均勻遞減。2、 素坯的制備將100g無定形石墨粉和400g鈦粉混合在一起，放在如附 圖所示的攪拌器中進(jìn)行攪拌2小時(shí)即可。然后將其分成50份，每份的重量為10g。 在每一份中加入不同重量的Ni粉，其分布為一等差數(shù)列即在最下面的一份中 Ni的加入量為0. 2g，以后每份的加入量都比前一份中多0. 2gNi粉。添加完畢， 再將它們分別轉(zhuǎn)移到球磨機(jī)中進(jìn)行充分球磨，時(shí)間大約為12小時(shí)。當(dāng)球磨結(jié)束 后，將這些粉體轉(zhuǎn)移至烘干設(shè)備中干燥2小時(shí)。最后將粉體放入軋片機(jī)中軋制 成O. 5mm厚的素坯帶。3、 坯體的分層使用了傳統(tǒng)的三維CAD軟件將所要制備的坯體的三維圖形 輸入計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式文件(*.STL)。使用分離程序?qū)⒁呀?jīng)生成的STL 文件中的坯體分割為2. 5mm的片層。4、 片層的制備使用計(jì)算機(jī)對(duì)控制數(shù)控激光加工設(shè)備，對(duì)已經(jīng)制備出的素 坯帶進(jìn)行加工，切割出預(yù)期的片層形狀。5、 坯體的制備在步驟4中制備的片層表面均勻地涂上PVA，厚度大約在 O.lmm左右。由于片層強(qiáng)度較低，因此應(yīng)盡量減少其搬運(yùn)，以防止其破裂。將所 有的片層按Ni粉含量的大小不同依次疊放起來，形成坯體。放入干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥，先去除片層中部分有機(jī)物。6、 坯體3自蔓延燃燒合成將坯體的溫度升高到30(TC，并保持1小時(shí)，以 將坯體中的有機(jī)物盡可能去除。然后將其轉(zhuǎn)移到模具2內(nèi)，Ni粉含量低的一端 朝下。向模具內(nèi)加入二氧化硅5作為填充物。使用lOgTi粉和無定型石墨(重 量比為4: 1)點(diǎn)火劑，點(diǎn)火方式為使用電熱鎢絲點(diǎn)燃點(diǎn)火器4的方法。點(diǎn)火器 通過導(dǎo)線7給加熱裝置4通電并將引燃劑點(diǎn)燃而使坯伴3燃燒，當(dāng)點(diǎn)火15s后 通過壓頭1向坯體3施加120t的壓力，冷卻后形成所需要的功能梯度材料。材料是不均勻的所以具有各向異性的機(jī)械性能。平行于厚度方向的強(qiáng)度是 垂直于厚度方向的兩倍左右，最高強(qiáng)度為950Mpa。材料的各層之間的粘接力非 常大，這是高燃燒溫度和即時(shí)壓力的結(jié)果。當(dāng)載荷平行于厚度方向施加時(shí)，樣品有一個(gè)很大的內(nèi)應(yīng)力。整個(gè)截面60kg載荷下的HRA硬度為84. 5 86. 5。通過快速成型和高溫燃燒合成相結(jié)合的技術(shù)將軋膜機(jī)制造的TiC-Ni帶制成 了 TiC-Ni功能梯度材料。疊層法充分利用快速成型和高溫燃燒合成的優(yōu)點(diǎn)，與 計(jì)算機(jī)相鍤合，低成本，快速，高效，精確的制造了功能梯度材料。制造的材 料性能優(yōu)異。對(duì)制造的含Ni量從1. 96wt. % 50wt. %的TiC-Ni功能梯度材料進(jìn) 行的結(jié)構(gòu)分析和性能測(cè)試表明材料為各向異性；層間粘接非常緊密；可以通 過控制液相Ni在壓力和重力作用下的滲流過程影響材料連續(xù)組成相和元素的分 布狀態(tài)。材料硬度大于HRA的84，平均密度大于5.2 g/cm3，并沿著Ni含量的 增加的方向增加，在TiC-20wt.%Ni區(qū)域的相對(duì)密度最大。三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度與Ni 含量和載荷施加方向有關(guān)，平行于厚度方向的強(qiáng)度是垂直于厚度方向強(qiáng)度的二 倍。當(dāng)Ni含量20wt.96具有約950Mpa的最高強(qiáng)度。在實(shí)施例2中，由于分層數(shù)目小，因此得到的功能梯度材料的均勻性比在 實(shí)施例3中的要差。
權(quán)利要求
1.一種采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其組成包括坯體的設(shè)計(jì)、素坯的制備，其特征是然后進(jìn)行坯體的分層、片層的制備、坯體的制備、坯體自蔓延燃燒合成，所述的坯體的分層是用三維圖形軟件將設(shè)計(jì)好的坯體輸入至計(jì)算機(jī)內(nèi)，并生成標(biāo)準(zhǔn)格式*.STL文件，使用分離程序?qū)⒁呀?jīng)生成的STL文件中的坯體分割為一定厚度的片層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其特征是: 所述的素坯的制備是將無定形石墨和鈦粉以相同的摩爾數(shù)混合，質(zhì)量比為1: 4，然后在石墨與鈦粉的混合粉體中根據(jù)梯度的要求加入Ni粉，使Ni粉在混合物 中的質(zhì)量百分比為0.1 50%，從而形成Ni含量不同的粉體，將這些M含量不 同的粉體分別放入球磨罐中進(jìn)行球磨10 20小時(shí)后轉(zhuǎn)移至烘干箱中進(jìn)行烘干； 待充分干燥后用軋膜機(jī)將其軋制成一定厚度的素坯帶。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其特 征是所述的片層的制備是采用數(shù)控加工設(shè)備將已經(jīng)制備好的素坯帶加工片層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其特 征是所述的坯體的制備是使用有機(jī)粘結(jié)劑將生成的片層按一定的次序粘結(jié)在一起，形成坯體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其特征是所述的坯體的制備是使用有機(jī)粘結(jié)劑將生成的片層按一定的次序粘結(jié)在一起， 形成坯體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其特征是所述的坯體的制備是使用有機(jī)粘結(jié)劑將生成的片層按一定的次序粘結(jié)在一起， 形成坯體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或5或6所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其特征是所述的坯體自蔓延燃燒合成是先將已經(jīng)粘結(jié)在一起的坯體加熱到200 400。C，以去除坯體中的有機(jī)物，達(dá)到脫脂的目的，然后將坯體轉(zhuǎn)移至 模具內(nèi)，將Ni含量較小的一端向下，向模具內(nèi)加入二氧化硅作為填充物，用制備素坯的無定形石墨和鈦的混合粉作為點(diǎn)火劑，點(diǎn)火劑的質(zhì)量為5 15g，點(diǎn)火 方式則使用電阻絲加熱的方式，當(dāng)點(diǎn)火后10 20s使用高壓120t的對(duì)素坯進(jìn)行 壓制,形成功能梯度材料。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其特征是: 所述的坯體自蔓延燃燒合成是先將已經(jīng)粘結(jié)在一起的坯體加熱到200 400'C ， 以去除坯體中的有機(jī)物，達(dá)到脫脂的目的，然后將坯體轉(zhuǎn)移至模具內(nèi)，將Ni含 量較小的一端向下，向模具內(nèi)加入二氧化硅作為填充物，用制備素坯的無定形 石墨和鈦的混合粉作為點(diǎn)火劑，點(diǎn)火劑的質(zhì)量為5 15g，點(diǎn)火方式則使用電阻 絲加熱的方式，當(dāng)點(diǎn)火后10 20s使用120t的高壓對(duì)素坯進(jìn)行壓制，形成功能 梯度材料。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用疊層法制備功能梯度材料的方法，其特征是 所述的坯體自蔓延燃燒合成是先將已經(jīng)粘結(jié)在一起的坯體加熱到200 400°C ， 以去除坯體中的有機(jī)物，達(dá)到脫脂的目的，然后將坯體轉(zhuǎn)移至模具內(nèi)，將Ni含 量較小的一端向下，向模具內(nèi)加入二氧化硅作為填充物，用制備素坯的無定形 石墨和鈦的混合粉作為點(diǎn)火劑，點(diǎn)火劑的質(zhì)量為5 15g，點(diǎn)火方式則使用電阻 絲加熱的方式，當(dāng)點(diǎn)火后10 20s使用120t的高壓對(duì)素坯進(jìn)行壓制，形成功能 梯度材料。
全文摘要
采用疊層法制備功能梯度材料的方法，分層實(shí)體造型是一種快速成型制造技術(shù)。在快速成型制造過程中，傳統(tǒng)的材料余量的去除被一種通過逐漸增加材料而成型的方法所替代。快速成型制造方法能夠與CAD，激光，光化學(xué)以及聚合物技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一體化制造過程。分層實(shí)體造型制造過程是從傳統(tǒng)的3維CAD文檔開始，該文檔被轉(zhuǎn)化成制造用的標(biāo)準(zhǔn)格式(*.STL文件)，然后再通過分離程序?qū)⒉牧夏Ｐ推獬珊芏喾浅１〉臄嗝?。根?jù)這些斷面的輪廓設(shè)計(jì)的掃描路徑控制成形臺(tái)和激光掃描儀的移動(dòng)。本發(fā)明組成包括坯體的設(shè)計(jì)、素坯的制備、坯體的分層、片層的制備、坯體的制備、坯體自蔓延燃燒合成。本發(fā)明涉及功能梯度材料制備領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G05B19/05GK101332510SQ20071007242
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者周玉鋒, 孟松鶴, 左洪波, 張宇民, 杜善義, 赫曉東, 韓杰才 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)