本發(fā)明涉及一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷顆粒預(yù)制體制備方法，屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，在水泥、礦山、冶金等各種行業(yè)中，材料的磨損越來越嚴(yán)重，傳統(tǒng)的鋼鐵耐磨材料已經(jīng)無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。陶瓷金屬基復(fù)合材料兼具陶瓷顆粒高模量、高比強(qiáng)度、高耐磨性和高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)，以及金屬材料良好的韌性、抗沖擊能力，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉而成為制備耐磨件的理想材料。目前最經(jīng)濟(jì)有效的方式是通過無壓鑄滲制備復(fù)合材料耐磨件，然而此工藝所制備的金屬基陶瓷復(fù)合材料仍存在一定的缺陷，其主要問題是陶瓷顆粒預(yù)制體制備工藝復(fù)雜、難以制備出空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的預(yù)制體、顆粒結(jié)合強(qiáng)度低、顆粒與基體結(jié)合效果差。

中國(guó)發(fā)明專利cn103302268a公開了一種制備金屬基復(fù)合材料陶瓷顆粒預(yù)制體方法。其步驟是首先用陶瓷粉末制備帶空隙的陶瓷預(yù)制件，再通過鍍鎳的方式在預(yù)制件上鍍鎳，鍍鎳層厚度在10μm-200μm，將鍍鎳后的陶瓷預(yù)制體固定在型腔中，通過負(fù)壓鑄滲得到金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料。本發(fā)明制作簡(jiǎn)單，適合大型板件塊件的生產(chǎn)。但是由于此方法只是在預(yù)制件外層鍍鎳，當(dāng)預(yù)制件厚度達(dá)到一定程度時(shí)內(nèi)部復(fù)合效果差。同時(shí)負(fù)壓鑄滲工藝復(fù)雜、成本高，此方法難以制備結(jié)構(gòu)發(fā)雜的預(yù)制體。中國(guó)發(fā)明專利cn103641487a公開了一種制備陶瓷顆粒預(yù)制體的制備方法：將粘結(jié)劑與陶瓷顆?；旌?，再加入碳化硅、碳化硼等碳化物粉末及氧化物粉末充分混合，將混合好的物料填充到模具中，得到蜂窩狀多孔陶瓷預(yù)制體。此制備方法，成本低廉、適用性廣，所制備的預(yù)制體與顆粒與金屬液潤(rùn)濕性好，但此方法制備的預(yù)制體強(qiáng)度及空間結(jié)構(gòu)受到限制，無法制備空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的顆粒預(yù)制體。

本發(fā)明將三維數(shù)字建模、激光選區(qū)熔覆技術(shù)與微粉活化相結(jié)合，制備出了強(qiáng)度高、孔隙率高、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷顆粒預(yù)制體，包覆在顆粒表面的活性微粉提高了金屬液與陶瓷顆粒的潤(rùn)濕性和復(fù)合效果，同時(shí)復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)容易控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料陶瓷顆粒預(yù)制體的制備方法，該工藝可以快速制備出強(qiáng)度合理、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔隙率高、顆粒與金屬潤(rùn)濕性好、顆粒在金屬中分布均勻的陶瓷顆粒預(yù)制體。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。

一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷顆粒預(yù)制體制備方法，該方法具體步驟如下：

(1)采用cad、ug三維建模軟件對(duì)預(yù)制體進(jìn)行數(shù)字化建模，并對(duì)預(yù)制體的數(shù)字模型沿z軸離散化處理得到預(yù)制體截面的二維平面數(shù)據(jù)；

(2)將二維平面數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)二維平面數(shù)據(jù)信息自動(dòng)生成激光掃描路徑；

(3)將陶瓷粉、金屬粉的中的一種或幾種與無水乙醇濕混，充分?jǐn)嚢璨⑶蚰サ玫交旌戏郏?/p>

(4)將混合粉與陶瓷顆粒按照特定比例充分混合得到混料，將混料進(jìn)行干燥處理后放入料斗；

(5)鋪料刮刀在料床上鋪設(shè)混料，隨后進(jìn)行選區(qū)激光熔覆；

(6)每完成一層熔覆后料床下降一個(gè)層厚高度，重復(fù)步驟(5)直至獲得整個(gè)陶瓷顆粒預(yù)制體。

優(yōu)選地，步驟(3)中，金屬粉為ni、cr、ti、fe、cu、si、w、mo，陶瓷粉為b4c、wc、sic、al2o3、zro2、y2o3、b4n、si3n4，其粒度為200-600目。

優(yōu)選地，步驟(3)中，混合粉為一種或幾種金屬粉按特定比例的混合，或者一種或幾種金屬粉與一種或幾種陶瓷粉的混合。

優(yōu)選地，步驟(4)中，陶瓷顆粒為氧化物顆粒、碳化物顆粒及氮化物顆粒一種或幾種的混合，其粒度在60-400目，顆粒形狀為球形。

優(yōu)選地，步驟(4)中，混料中陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)為10-80％。

優(yōu)選地，步驟(5)中，混料是通過刮刀平鋪在料床上，隨后激光按照設(shè)定路徑進(jìn)行熔覆，逐層堆積得到陶瓷顆粒預(yù)制體。

優(yōu)選地，步驟(6)中，陶瓷顆粒預(yù)制體具有任意復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，步驟(5)中，激光熔覆時(shí)，激光功率為100-1200w，掃描速度為200-1200mm/s，光斑直徑為30-80μm，成形速度在2-30mm³/s。

優(yōu)選地，步驟(5)中，激光熔覆時(shí)，熔覆過程是在高真空或充滿氬氣的工作室內(nèi)完成的。

為克服傳統(tǒng)復(fù)合材料預(yù)制體制備工藝復(fù)雜、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜預(yù)制體制備困難、預(yù)制體強(qiáng)度低以及金屬液陶瓷顆粒之間潤(rùn)濕性差的問題，本發(fā)明采用三維數(shù)字建模、激光選區(qū)熔覆結(jié)合微粉活化的方法制備出強(qiáng)度高、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔隙率高的陶瓷顆粒預(yù)制體，并使用本發(fā)明獲得的預(yù)制體制備出了空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)異的復(fù)合材料零部件。該方法將陶瓷和金屬微粉的一種或多種按某種比例混合、球磨后與陶瓷顆粒混合，將預(yù)制體數(shù)字模型垂直z向分層，在料床上逐層平鋪活性微粉與陶瓷顆粒的混料，然后進(jìn)行選區(qū)激光熔覆，每完成一層熔覆后工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，逐層熔覆最后獲得整個(gè)預(yù)制體。

該發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明將三維數(shù)字建模與選區(qū)激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，可以制備出具有任意復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒預(yù)制體，簡(jiǎn)化了復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零部件生產(chǎn)工藝；本發(fā)明獲得的陶瓷顆粒預(yù)制體所制備的復(fù)合材料增強(qiáng)體具有較高強(qiáng)度，體積分?jǐn)?shù)容易控制、顆粒與金屬結(jié)合性能好，增強(qiáng)顆粒在基體中分布均勻；鋪料與熔覆同時(shí)進(jìn)行，成形速度快，便于控制，有利于實(shí)現(xiàn)大件預(yù)制體的快速成形；本發(fā)明獲得的陶瓷預(yù)制體與基體金屬液具有良好的潤(rùn)濕性，能提供性能優(yōu)異的復(fù)合材料。

附圖說明

圖1是實(shí)例1預(yù)制體所制備的mn13/鋯剛玉陶瓷顆粒復(fù)合材料組織圖。

圖2是實(shí)例1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是實(shí)例4產(chǎn)品立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是實(shí)例4產(chǎn)品俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便更好的理解本發(fā)明。

實(shí)施例1

利用本發(fā)明方法制造一個(gè)內(nèi)徑40mm、外徑50mm、長(zhǎng)20mm、具有蜂窩結(jié)構(gòu)的管狀鋯剛玉陶瓷顆粒預(yù)制體；具體步驟如下：

(1)利用cad軟件繪制一個(gè)內(nèi)徑40mm、外徑50mm、長(zhǎng)20mm的三維管狀模型，并將該模型沿z向分層處理，將立方體模型分成40個(gè)厚度為0.5mm、內(nèi)徑40mm、外徑50mm的圓盤；

(2)將層狀模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)生成激光掃描路徑；

(3)將500目fe粉按照2:3比例與100目鋯剛玉陶瓷顆粒充分混合并干燥后放入料斗；

(4)在充滿氬氣的工作室內(nèi),鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.5mm，隨后按照設(shè)定路徑進(jìn)行選區(qū)激光熔覆；

(5)每完成一層熔覆后工作臺(tái)下降0.5mm，并重復(fù)步驟(4)，直至獲得完整預(yù)制體。圖1是實(shí)例1預(yù)制體所制備的mn13/鋯剛玉陶瓷顆粒復(fù)合材料組織圖。圖2是實(shí)例1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖。

實(shí)施例2

利用本發(fā)明方法制造一個(gè)內(nèi)徑40mm、外徑50mm、長(zhǎng)20mm、具有蜂窩結(jié)構(gòu)的管狀陶瓷顆粒預(yù)制體；具體步驟如下：

(1)利用cad軟件繪制一個(gè)內(nèi)徑40mm、外徑50mm、長(zhǎng)20mm的三維管狀模型，并將該模型沿z向分層處理，將立方體模型分成40個(gè)厚度為0.5mm、內(nèi)徑40mm、外徑50mm的圓盤；

(2)將層狀模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)生成激光掃描路徑；

(3)將500目ti、ni、fe粉按照5:3:2(質(zhì)量比)充分混合并真空球磨2h，然后按照2:3比例與100目混合陶瓷顆粒(al2o3與zro2體積比為1:1)充分混合并干燥后放入料斗；

(4)在充滿氬氣的工作室內(nèi),鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.5mm，隨后按照設(shè)定路徑進(jìn)行選區(qū)激光熔覆；

(5)每完成一層熔覆后工作臺(tái)下降0.5mm，并重復(fù)步驟(4)，直至獲得完整預(yù)制體。

實(shí)施例3

利用本發(fā)明技術(shù)制造一個(gè)內(nèi)徑40mm、外徑50mm、長(zhǎng)20mm、具有蜂窩結(jié)構(gòu)的管狀陶瓷顆粒預(yù)制體；具體步驟如下：

(1)利用cad軟件繪制一個(gè)內(nèi)徑40mm、外徑50mm、長(zhǎng)20mm的三維管狀模型，并將該模型沿z向分層處理，將立方體模型分成40個(gè)厚度為0.5mm、內(nèi)徑40mm、外徑50mm的圓盤；

(2)將層狀模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)生成激光掃描路徑；

(3)將600目fe粉、al2o3粉按照4:1(質(zhì)量比)比例與100目鋯剛玉陶瓷顆粒充分混合并干燥后放入料斗；

(4)在充滿氬氣的工作室內(nèi),鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.5mm，隨后按照設(shè)定路徑進(jìn)行選區(qū)激光熔覆；

(5)每完成一層熔覆后工作臺(tái)下降0.5mm，并重復(fù)步驟(4)，直至獲得完整預(yù)制體。

實(shí)施例4

利用本發(fā)明技術(shù)制造一個(gè)中空長(zhǎng)方體碳化鎢陶瓷顆粒預(yù)制體；具體步驟如下：

(1)利用cad軟件繪制一個(gè)長(zhǎng)50mm、寬40mm、高30mm，壁厚10mm的三維中空長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)預(yù)制體模型，并將該模型沿z向分層處理，將中空長(zhǎng)方體分成40個(gè)層狀模型；

(2)將層狀模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)生成激光掃描路徑；

(3)將500目cr粉、ti粉、zro2粉按照2:2:1(質(zhì)量比)充分混合并真空球磨1.5h后與200目碳化鎢陶瓷顆粒按照2:5充分混合并干燥后放入料斗；

(4)在高真空或的工作室內(nèi)，鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.75mm，隨后進(jìn)行選區(qū)激光熔覆；

(5)每完成一層熔覆后工作臺(tái)下降0.75mm，并重復(fù)步驟(4)，直至獲得完整預(yù)制體。圖3是實(shí)例4產(chǎn)品立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是實(shí)例4產(chǎn)品俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

實(shí)施例5

利用本發(fā)明技術(shù)制造一個(gè)中空長(zhǎng)方體碳化鎢陶瓷顆粒預(yù)制體；具體步驟如下：

(1)利用cad軟件繪制一個(gè)長(zhǎng)50mm、寬40mm、高30mm，壁厚10mm的三維中空長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)預(yù)制體模型，并將該模型沿z向分層處理，將中空長(zhǎng)方體分成40個(gè)層狀模型；

(2)將層狀模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)生成激光掃描路徑；

(3)將500目cr粉、ti粉、b4c粉、sic粉按照5:2:2:1(質(zhì)量比)充分混合并真空球磨1.5h后與200目混合顆粒(wc與zro2體積比為4:1)顆粒按照2:5充分混合并干燥后放入料斗；

(4)在高真空或的工作室內(nèi)，鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.75mm，隨后進(jìn)行選區(qū)激光熔覆；

(5)每完成一層熔覆后工作臺(tái)下降0.75mm，并重復(fù)步驟(4)，直至獲得完整預(yù)制體。

實(shí)施例6

利用本發(fā)明技術(shù)制造一個(gè)中空長(zhǎng)方體陶瓷顆粒預(yù)制體；具體步驟如下：

(1)利用cad軟件繪制一個(gè)長(zhǎng)50mm、寬40mm、高30mm，壁厚10mm的三維中空長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)預(yù)制體模型，并將該模型沿z向分層處理，將中空長(zhǎng)方體分成40個(gè)層狀模型；

(2)將層狀模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)生成激光掃描路徑；

(3)將500目cr粉、ti粉、b4c粉、sic粉按照5:2:2:1(質(zhì)量比)充分混合并真空球磨1.5h后與300目混合顆粒(b4c、al2o3、wc、zro2體積比為1:4:3:2)顆粒按照2:3充分混合并干燥后放入料斗；

(4)在高真空或的工作室內(nèi)，鋪料刮刀將混料平鋪在料床上，鋪料厚度為0.75mm，隨后進(jìn)行選區(qū)激光熔覆；

(5)每完成一層熔覆后工作臺(tái)下降0.75mm，并重復(fù)步驟(4)，直至獲得完整預(yù)制體。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。