[发明专利]一种复杂构型近净成型金属-陶瓷复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及复合材料技术领域，为解决现有的金属‑陶瓷复合材料的制备方法工序复杂、生产成本高的问题，公开了一种复杂构型近净成型金属‑陶瓷复合材料的制备方法，包括步骤：将陶瓷粉体、粘结剂、分散剂和去离子水球磨混合成陶瓷浆料，利用3D打印技术成型为陶瓷零件毛坯，经过干燥、脱脂、烧结后形成陶瓷骨架；以磁铁辅助压力浸渗形成金属陶瓷复合材料。本发明所述的制备工艺无需依赖模具成型，可直接通过3D打印技术形成陶瓷的外部复杂形状并在形成的复合材料中维持该形状，生产出的零件经过简单加工或无需加工即可投入使用，有效地减少生产工序，提高材料利用率，缩短产品研制周期，提高生产率和降低生产成本。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种复杂构型近净成型金属-陶瓷复合材料的制备方法。

背景技术

金属-陶瓷复合材料具有耐磨损、耐腐蚀、高强度和良好的韧性等特性，在航空航天、机械制造和电子仪器等领域具有很好的应用前景。这些优良的物理性能也使金属-陶瓷复合材料存在加工困难、加工成本高、形状和结构单一化等问题。传统的金属-陶瓷复合材料制备工艺如搅拌铸造和粉末冶金等往往本身不具备成型性，需要借助模壳或模具成型，同时陶瓷在复合材料中通常以颗粒弥散分布为主，难以起到良好的支撑作用。传统制造工艺很难以低成本方式直接生产出具有复杂构型的金属-陶瓷复合材料，3D打印技术的出现提供了这种可能性。

到目前为止，3D打印在聚合物、金属材料等领域发展迅速，但是在复合材料领域特别是金属-陶瓷复合材料领域的发展受到了极大限制。金属与陶瓷之间熔点的差距成为限制其发展的主要因素，加热温度高且范围小的选择性激光烧结技术被认为是解决这一问题的首选，然而激光烧结设备往往造价高昂同时使用条件苛刻，增加了生产成本。

现有的制造技术虽然能够制备具有3D支撑结构的铝基复合材料，不过工序过于复杂而且内部结构难以有效控制，不利于推广应用。

现有技术中还公开了采用3D打印技术制备多孔陶瓷坯体，将烧结后的陶瓷坯体置于钢制模具中，随后浇入铝液并通过液压机加压，铝液凝固后获得铝基复合材料的制备方法，该方法最终零件的成形在根本上还是依赖于钢制模具的形状，这丧失了3D打印自由成型的优势；对于复杂结构的3D打印零件，使用这种方法要么无法成型，要么价格昂贵(模具加工费用高)；最后，获得复合材料的后续加工难度并未降低，增加了生产时间和成本，难以在实际生产中规模化使用。

总之，现有基于3D打印制备金属-陶瓷复合材料的技术都很难实现最终零件的近净成型，这主要是因为金属与3D打印件复合凝固后才得到复合材料。最终零件的成型要么是通过模具形状来实现，要么通过后续机械加工来实现，均存在工序复杂、生产成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种复杂构型近净成型金属-陶瓷复合材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种复杂构型近净成型金属-陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将陶瓷粉体、粘结剂、分散剂和去离子水球磨混合成陶瓷浆料，利用3D打印技术成型为陶瓷零件毛坯，经过干燥、脱脂、烧结后形成陶瓷骨架；将装有金属块的刚玉坩埚置于浸渗炉内，铁丝、钼丝和陶瓷骨架自上而下紧密连接，整体置于金属块上并密封炉体；与铁丝同高度的浸渗炉外安装有可上下移动的磁铁装置，通过磁力吸住铁丝，并向上移动以保证陶瓷骨架位于金属块正上方且二者不接触；进行压力浸渗，将浸渗炉抽真空并加热使金属块熔化，向下移动浸渗炉外磁铁装置，驱动炉内铁丝运动以将陶瓷骨架完全浸没在金属液中，通入氩气，熔化的金属在压力的作用下渗入陶瓷骨架内部，保温保压后冷却炉体，在达到金属凝固温度之前向上移动磁铁装置使陶瓷骨架脱离金属液面，释放压力并冷却至室温后得到近净成型的金属-陶瓷复合材料。

优选的，所述陶瓷粉体为粒度在0.1-30μm范围内的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物中的一种或多种。