本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種3d打印與鑄造相結(jié)合的增材制造方法，具體是一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法。

背景技術(shù)：

雙金屬復(fù)合材料是將兩種或者兩種以上物理、化學(xué)等方面不同的金屬結(jié)合制備出的材料，具有良好的綜合力學(xué)性能。例如：鋼具有強(qiáng)度高、耐磨等優(yōu)點(diǎn)；鋁具有質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)；鋼/鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料結(jié)合鋼、鋁優(yōu)良的力學(xué)性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造、機(jī)械加工、航空航天等領(lǐng)域。

鋼/鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料通常是利用固-液復(fù)合鑄造制備。傳統(tǒng)上是將鋁液澆注在鋼基體上，但是鋼、鋁之間互溶度低，界面處容易產(chǎn)生縫隙等缺陷，結(jié)合效果差；采用電鍍或者熱浸鍍對(duì)固體基體進(jìn)行預(yù)處理提高基體的潤(rùn)濕度，但是當(dāng)鋁液與鋼基體復(fù)合時(shí)要對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱的溫度難以控制，并且大型、多砂芯零件很難進(jìn)行預(yù)熱處理；采用電鍍或者熱浸鍍預(yù)處理制備的雙金屬界面容易生成硬脆的金屬間化合物，使得界面結(jié)合強(qiáng)度降低，并且制備的雙金屬不能進(jìn)行熱處理。所以對(duì)基體表面進(jìn)行處理使雙金屬實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)合是一個(gè)新的發(fā)展方向。

為實(shí)現(xiàn)雙金屬的機(jī)械結(jié)合，現(xiàn)有技術(shù)中有將基體表面設(shè)計(jì)成均勻分布的小凸起，金屬液流過基體表面，將基體表面的凸起結(jié)構(gòu)包裹起來形成機(jī)械結(jié)合，但是金屬液凝固會(huì)發(fā)生收縮，結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生縫隙，依然會(huì)影響其結(jié)合強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決鋼/鋁雙金屬?gòu)?fù)合鑄造界面容易生成硬脆的金屬間化合物，使得界面結(jié)合強(qiáng)度降低的問題，而提供一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法。該方法采用選區(qū)激光熔化技術(shù)（3d打印技術(shù)）與鑄造相結(jié)合，能夠解決雙金屬?gòu)?fù)合鑄造界面強(qiáng)度低、成型工件尺寸受限制等問題，最終提高雙金屬界面結(jié)合強(qiáng)度。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法，包括如下步驟：

1）對(duì)合金鋼粉末進(jìn)行烘干和預(yù)篩處理；

2）利用三維繪圖軟件設(shè)計(jì)帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體模型，通過選區(qū)激光熔化技術(shù)制備得到帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體；

3）對(duì)得到的帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體進(jìn)行清理，去除基體上的雜質(zhì)；

4）將處理后的基體放置在砂箱中，再將熔融的金屬鋁液注入到砂箱中，通過固-液復(fù)合鑄造，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)合，最終得到鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合材料。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟1）的具體操作為：將合金鋼粉末放置在烘干箱中進(jìn)行烘干，烘干箱溫度設(shè)置為100-200℃，烘干時(shí)間設(shè)置為2-4h，待粉末冷卻后利用200#的網(wǎng)篩進(jìn)行篩粉。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟2）的具體操作為：利用三維繪圖軟件設(shè)計(jì)帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體模型，并生成stl文件；利用切片軟件對(duì)基體模型進(jìn)行切片處理，保存處理后的文件，將文件導(dǎo)入選區(qū)激光熔化成型設(shè)備中；選擇合金鋼基板并進(jìn)行固定，將處理好的合金鋼粉末鋪放在送粉平臺(tái)上，對(duì)選區(qū)激光熔化成型設(shè)備進(jìn)行抽真空并且充氬氣保護(hù)；隨著氬氣的充入，當(dāng)設(shè)備中氧氣體積含量不超過0.1％時(shí)，設(shè)置選區(qū)激光熔化成型的工藝參數(shù)，開始制備帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體部分；成形結(jié)束后，將合金鋼基板取下來，利用線切割將基體從基板上切下來，從而獲得帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟3）的具體操作為：對(duì)基體進(jìn)行打磨以去除基體表面的氧化層，利用酒精對(duì)基體進(jìn)行清洗以去除基體表面的油污。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟4）的具體操作為：設(shè)計(jì)并制作砂箱，將基體放置在砂箱中，根據(jù)鑄件的特點(diǎn)進(jìn)行澆冒口設(shè)計(jì)；將熔融的金屬鋁液通過澆口注入砂型中，澆注完畢后，將澆注后的砂型冷卻至室溫，然后進(jìn)行退砂處理，將鑄件表面的型砂清理干凈，最后即獲得鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合材料。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，選區(qū)激光熔化成型的工藝參數(shù)具體為：基板的預(yù)熱溫度為200℃，激光功率為200w，掃描速率為600-1000mm/s，掃描間距為100μm，層厚為50μm，掃描方向與上一層掃描方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，每層粉末激光掃描一次，開始逐層成型，直至完成帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體部分。

本發(fā)明方法為解決雙金屬間機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度低的問題，創(chuàng)造性的將基體表面設(shè)計(jì)成復(fù)雜的通孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)金屬液流過時(shí)與基體形成緊密結(jié)合從而增加界面結(jié)合強(qiáng)度。由于帶有多孔結(jié)構(gòu)的基體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用鑄造方法制備比較困難而且制備成形件精度低，所以采用了選區(qū)激光熔化技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的精準(zhǔn)成形，不受模具的限制。選區(qū)激光熔化技術(shù)是一種3d打印技術(shù)，借鑒了快速原型技術(shù)“離散+堆積”的原理，以激光為熱源，在三維模型切片數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，利用高功率的激光掃描將金屬粉末以及基材表面部分材料熔化使之混合，激光掃描后凝固形成冶金結(jié)合，以此逐層掃描堆積最終得到三維零件。利用選區(qū)激光熔化技術(shù)與鑄造相結(jié)合制備的雙金屬能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械結(jié)合，提高結(jié)合強(qiáng)度。選區(qū)激光熔化技術(shù)可以精準(zhǔn)的成形出帶有多孔結(jié)構(gòu)的基體，成形過程不受模具限制；傳統(tǒng)鑄造工藝成本低，將兩種工藝的特點(diǎn)結(jié)合起來是制備雙金屬?gòu)?fù)合材料的理想方法。

本發(fā)明方法的有益效果如下：

1）利用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備帶有多孔結(jié)構(gòu)的基體，成型過程不受模具限制并且可以精準(zhǔn)的制備出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率；

2）增材制造和砂型鑄造相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，降低生產(chǎn)成本，為雙金屬?gòu)?fù)合鑄造提供新的發(fā)展方向；

3）雙金屬界面實(shí)現(xiàn)緊密的機(jī)械結(jié)合，解決了兩種金屬由于互溶度低生成硬脆的金屬間化合物，導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度低的問題，大幅度提高雙金屬界面的抗剪切性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，此處的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說明，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用來解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明方法制備得到的復(fù)合材料的鑄造界面微觀組織圖一。

圖2為本發(fā)明方法制備得到的復(fù)合材料的鑄造界面微觀組織圖二。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明，以下結(jié)合參考附圖并結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步清楚、完整的說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法，包括如下步驟：

1）對(duì)合金鋼粉末進(jìn)行烘干和預(yù)篩處理；

具體操作為：將合金鋼粉末放置在烘干箱中進(jìn)行烘干，烘干箱溫度設(shè)置為100-200℃，烘干時(shí)間設(shè)置為2-4h，待粉末冷卻后利用200#的網(wǎng)篩進(jìn)行篩粉。

2）利用三維繪圖軟件設(shè)計(jì)帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體模型，通過選區(qū)激光熔化技術(shù)制備得到帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體；

具體操作為：利用三維繪圖軟件proe設(shè)計(jì)帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體模型，并生成stl文件；根據(jù)工藝和精度要求利用切片軟件對(duì)基體模型進(jìn)行切片處理，保存處理后的文件，將文件導(dǎo)入選區(qū)激光熔化成型設(shè)備中；選擇合金鋼基板并進(jìn)行固定，將處理好的合金鋼粉末鋪放在送粉平臺(tái)上，合金鋼粉末粒徑為25μm，對(duì)選區(qū)激光熔化成型設(shè)備進(jìn)行抽真空并且充氬氣保護(hù)；隨著氬氣的充入，當(dāng)設(shè)備中氧氣體積含量不超過0.1％時(shí)，設(shè)置選區(qū)激光熔化成型的工藝參數(shù)，開始制備帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體部分，選區(qū)激光熔化成型的工藝參數(shù)具體為：基板的預(yù)熱溫度為200℃，激光功率為200w，掃描速率為600-1000mm/s，掃描間距為100μm，層厚為50μm，掃描方向與上一層掃描方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，每層粉末激光掃描一次，開始逐層成型，直至完成帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體部分；成形結(jié)束后，將合金鋼基板取下來，利用線切割將基體從基板上切下來，從而獲得帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體。

3）對(duì)得到的帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體進(jìn)行清理，去除基體上的雜質(zhì)；

具體操作為：對(duì)基體進(jìn)行打磨以去除基體表面的氧化層，利用酒精對(duì)基體進(jìn)行清洗以去除基體表面的油污。

4）將處理后的基體放置在砂箱中，再將熔融的金屬鋁液注入到砂箱中，通過固-液復(fù)合鑄造，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)合；

具體操作為：設(shè)計(jì)并制作砂箱，將基體放置在砂箱中，根據(jù)鑄件的特點(diǎn)進(jìn)行澆冒口設(shè)計(jì)；將熔融的金屬鋁液通過澆口注入砂型中，澆注完畢后，將澆注后的砂型冷卻至室溫，然后進(jìn)行退砂處理，將鑄件表面的型砂清理干凈，最后即獲得鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合材料。

圖1和圖2為本發(fā)明方法制備得到的復(fù)合材料的界面微觀組織圖。從圖1中可以看到鋼/鋁界面處存在明顯的黑色縫隙和氧化層，稱之為機(jī)械結(jié)合，這是因?yàn)殇摵弯X之間的物理、化學(xué)性能差異較大，鋁合金熔體對(duì)鋼表面的的潤(rùn)濕性低，并且鋼表面在除油除銹后在空氣中很容易被氧化形成氧化層，在澆注過程中阻礙原子之間的擴(kuò)散。從圖2中可以看出鋼/鋁界面處也存在冶金結(jié)合，這是由于在溫度高的部位液體凝固慢，高溫環(huán)境促進(jìn)了原子間的擴(kuò)散，使得鋼/鋁之間發(fā)生冶金結(jié)合生成中間相層。根據(jù)eds能譜分析得出中間相層分為兩相，靠近鋼基體側(cè)的為al5fe2相，靠近鋁基體側(cè)的為al8fe2si相。

上面是對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行了清楚、完整地描述，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

技術(shù)特征：

1.一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法，其特征在于，包括如下步驟：

1）對(duì)合金鋼粉末進(jìn)行烘干和預(yù)篩處理；

2）利用三維繪圖軟件設(shè)計(jì)帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體模型，通過選區(qū)激光熔化技術(shù)制備得到帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體；

3）對(duì)得到的帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體進(jìn)行清理，去除基體上的雜質(zhì)；

4）將處理后的基體放置在砂箱中，再將熔融的金屬鋁液注入到砂箱中，通過固-液復(fù)合鑄造，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)合，最終得到鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合材料。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法，其特征在于，步驟1）的具體操作為：將合金鋼粉末放置在烘干箱中進(jìn)行烘干，烘干箱溫度設(shè)置為100-200℃，烘干時(shí)間設(shè)置為2-4h，待粉末冷卻后利用200#的網(wǎng)篩進(jìn)行篩粉。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法，其特征在于，步驟2）的具體操作為：利用三維繪圖軟件設(shè)計(jì)帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體模型，并生成stl文件；利用切片軟件對(duì)基體模型進(jìn)行切片處理，保存處理后的文件，將文件導(dǎo)入選區(qū)激光熔化成型設(shè)備中；選擇合金鋼基板并進(jìn)行固定，將處理好的合金鋼粉末鋪放在送粉平臺(tái)上，對(duì)選區(qū)激光熔化成型設(shè)備進(jìn)行抽真空并且充氬氣保護(hù)；隨著氬氣的充入，當(dāng)設(shè)備中氧氣體積含量不超過0.1％時(shí)，設(shè)置選區(qū)激光熔化成型的工藝參數(shù)，開始制備帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體部分；成形結(jié)束后，將合金鋼基板取下來，利用線切割將基體從基板上切下來，從而獲得帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法，其特征在于，步驟3）的具體操作為：對(duì)基體進(jìn)行打磨以去除基體表面的氧化層，利用酒精對(duì)基體進(jìn)行清洗以去除基體表面的油污。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法，其特征在于，步驟4）的具體操作為：設(shè)計(jì)并制作砂箱，將基體放置在砂箱中，根據(jù)鑄件的特點(diǎn)進(jìn)行澆冒口設(shè)計(jì)；將熔融的金屬鋁液通過澆口注入砂型中，澆注完畢后，將澆注后的砂型冷卻至室溫，然后進(jìn)行退砂處理，將鑄件表面的型砂清理干凈，最后即獲得鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合材料。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法，其特征在于，選區(qū)激光熔化成型的工藝參數(shù)具體為：基板的預(yù)熱溫度為200℃，激光功率為200w，掃描速率為600-1000mm/s，掃描間距為100μm，層厚為50μm，掃描方向與上一層掃描方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，每層粉末激光掃描一次，開始逐層成型，直至完成帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體部分。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明為一種鋼/鋁雙金屬增/等材復(fù)合制造方法，解決了鋼/鋁雙金屬?gòu)?fù)合鑄造界面容易生成硬脆的金屬間化合物，使得界面結(jié)合強(qiáng)度降低的問題。本發(fā)明方法首先是對(duì)合金鋼粉末進(jìn)行烘干和預(yù)篩處理，然后利用三維繪圖軟件設(shè)計(jì)帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體模型，通過選區(qū)激光熔化技術(shù)制備得到帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體，接著對(duì)得到的帶有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的基體進(jìn)行清理，去除基體上的雜質(zhì)，最后將處理后的基體放置在砂箱中，再將熔融的金屬鋁液注入到砂箱中，通過固?液復(fù)合鑄造，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)合，最終得到鋼/鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料。本發(fā)明是利用選區(qū)激光熔化技術(shù)與鑄造相結(jié)合的方法來制備鋼/鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了雙金屬界面高強(qiáng)度的機(jī)械結(jié)合。

技術(shù)研發(fā)人員：王宇;郭冰鑫;樊宗義;徐宏;毛紅奎;張國(guó)偉;張文達(dá);李忠華

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中北大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2020.04.30

技術(shù)公布日：2020.09.08