[发明专利]一种多层壳芯复合结构零件的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多层壳芯结构零件的制备，尤其涉及球状、半球状、半球壳状、柱状、筒状或异形状的多层壳芯复合结构零件的制备。

背景技术

球状、半球状、半球壳状、柱状或筒状零件以及其它异形状零件，被广泛应用于多种领域，其中，在很多应用场合要求零件一方面具有良好的耐磨、耐蚀、耐热性能及极高的尺寸配合精度和光洁度，另一方面具有高强韧性、高力学承载能力和可加工性。常见的这类零件包括，如，球状的人工股骨头、半球壳状人工髋臼、柱状的柱塞、筒状的球阀体和异形状的股骨髁假体等。

陶瓷材料具有表面硬度高、耐磨和耐腐蚀等特点，但是其抗弯强度和冲击韧性低，力学承载能力差，使用过程中容易发生脆性开裂，因而独立应用于制作上述零件时受到限制。现有技术中，有多种复合增韧陶瓷，可以提高陶瓷的冲击韧性，但在增韧的同时，陶瓷的其它性能却受到影响，例如，添加ZrO₂的氧化铝陶瓷，其表面硬度和抗压强度会发生下降；添加晶须、纤维的陶瓷，会引起密度的下降和耐磨性能下降等。

为解决上述问题，现有技术中，有采用各种物理或化学方法在金属表面形成陶瓷薄膜，以增强零件表面的耐磨、耐蚀和耐热性能的报道，由此，使这类零件形成了壳层为陶瓷，芯层为金属的壳芯结构。壳芯结构的零件芯层为金属，具有较好的抗弯强度、很高的冲击韧性和机加工性能，使用中不易开裂；壳层为陶瓷，表面硬度高，具有良好的耐磨、耐蚀和耐热性能，从而兼具金属和陶瓷的优点。然而，这些报道中的陶瓷薄膜层常采用物理沉积或化学沉积等方法制备，其厚度仅为几个至几十个微米，存在壳层过薄，且壳层与芯层的结合强度低，力学承载能力差和耐磨、耐蚀的持久性和稳定性差等缺陷。

为增加陶瓷壳层的厚度，增强壳层与芯层之间的结合强度，现有方法一是采用陶瓷、金属粉末及它们不同配比的混合粉末与有机载体等混合形成一定固含量的浆料，经流延、叠层和冷压成形得到壳层-过渡层-芯层的多层壳芯复合结构零件生坯，然后将其进行烧结获得多层壳芯复合结构零件。现有方法二是采用陶瓷、金属粉末及它们不同配比的混合粉末经多次干粉冷压成形得到壳层-过渡层-芯层的多层壳芯复合结构零件生坯，然后将其进行烧结获得多层壳芯复合结构零件。现有方法三是采用陶瓷、金属粉末及它们不同配比的混合粉末与去离子水等溶剂混合形成一定固含量的悬浮液，经多次分步静电沉积成形得到壳层-过渡层-芯层的多层壳芯复合结构零件生坯，然后将其进行烧结获得多层壳芯复合结构零件。然而，上述各种成形技术或不能用于制作异形状多层壳芯复合结构零件，或不能获得层厚大和层厚均匀的多层壳芯复合结构零件，或不能对各层厚度和多层壳芯复合结构零件的组织、性能进行精确控制，而难以应用于本发明所涉及的多层壳芯复合结构零件的制作，即，应用现有技术，具有表面硬度高，耐磨、耐蚀和耐热性能良好，壳层与芯层的结合强度高，力学承载能力好，冲击韧性高，性能持久性和稳定性高等优点的多层壳芯复合结构零件是难以获得的。

发明内容

本发明目的是提供一种多层壳芯复合结构零件的制备方法，实现多层壳芯复合结构的球状、半球状、柱状、筒状、半球壳状及其它异形状精密零件的制备，提高壳层和芯层间的结合强度，以及提高壳层的耐磨、耐蚀及耐热性能，芯层的强韧及抗断裂性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多层壳芯复合结构零件的制备方法，包括下列步骤：

(1)分别配制芯层、过渡层和壳层的注射成形用喂料，所述喂料由粉末与粘结剂和添加剂混炼制成，所述添加剂包括表面活性剂和增塑剂；芯层喂料中的粉末选自金属粉末、陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末中的一种或多种的混合物，壳层喂料中的粉末选自金属粉末、陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末中的一种或多种的混合物，芯层喂料中的粉末和壳层喂料中的粉末不相同，过渡层喂料中的粉末为梯度复合材料粉末；

(2)采用粉末注射成形方法分别用步骤(1)中配制的三种喂料制作包括芯层、过渡层、壳层的多层壳芯结构零件的生坯；

(3)对步骤(2)获得的生坯进行脱脂处理；

(4)根据壳层、芯层和过渡层使用的材料特性，对步骤(3)中处理过的生坯进行烧结，获得所述多层壳芯复合结构零件。