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金属陶瓷复合材料增材制造方法和应用

申请号 CN202410119157.X 申请日 2024-01-29 公开(公告)号 CN118023514A 公开(公告)日 2024-05-14
申请人 广东工业大学; 发明人 杨温鑫; 邓欣; 胡子健; 王安森; 罗永康; 陈志任; 谢福源;
摘要 本 申请 公开了 金属陶瓷 复合材料 的 增材制造 方法和应用,属于增材制造领域,通过对陶瓷粉体进行两次涂层,厚度薄的第一层涂层(即金属陶瓷层)实现陶瓷表面特性改善,选择热学性能优异的金属元素作为第二层涂层(即金属层),从而制得具有复合涂层的陶瓷粉体,显著提升了金属粉体与陶瓷粉体在增材 制造过程 中的 润湿性 ,极大提升了 散热 器件打印件的致 密度 及导热性能,助于实现大尺寸、高复杂形状热沉功能器件的高效制备。
权利要求

1.金属陶瓷复合材料增材制造方法,其特征在于,包括:
(1)将陶瓷粉体通过两次涂层工艺制得具有复合涂层的陶瓷粉体;
(2)将具有复合涂层的陶瓷粉体和金属粉体球磨混合,制得原料粉体;
(3)将具有复合涂层的陶瓷粉体和金属粉体混合好的原料粉体采用选区激光熔融法打印成型,得到金属陶瓷复合材料成型件;
(4)或者将具有复合涂层的陶瓷粉体和金属粉体混合好的原料粉体采用粘结剂喷射法打印成型,然后进行打印件的固化脱脂烧结,得到金属陶瓷复合材料成型件;
(5)或者直接将具有复合涂层的陶瓷粉体采用粘结剂喷射法打印成型,然后进行打印件的固化、脱脂,得到有大量通孔的陶瓷打印原件,然后采用熔渗工艺将液相金属渗入到陶瓷打印原件中,得到金属陶瓷复合材料成型件。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中所述陶瓷粉体包括但不限于氮化化硅,和金刚石中的至少一种;所述陶瓷粉体的平均粒度范围为1~200μm。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述两次涂层工艺包括但不限于电涂、化学涂、磁控溅射,或化学气相沉积中的至少一种;涂层工艺包括对陶瓷粉体进行表面净化预处理;第一层涂层的元素包括但不限于,钼,钨,铬中的至少一种,第二层涂层的材料包括但不限于,镍,中的至少一种;第一次涂层厚度为10~1000nm,第二次涂层厚度为0.01‑10μm。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2)中,所述金属粉体包括但不限于合金铜合金,纯铝,纯铜等金属中的至少一种;所述金属粉体的粒度范围为5~80μm。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2)中,陶瓷相体积百分含量为20~70%。
6.根据权利要求1所述的方法,所述选区激光熔融法打印工艺参数包括激光光斑10~
100μm,激光功率为10~1200W,扫描速度为100~3500mm/s,扫描间距为0.005~0.08mm。
7.根据权利要求1所述的方法,所述粘结剂喷射打印工艺参数包括打印层厚30~300μm,刮刀速度为0.5~7cm/s,粘结剂饱和度为40~100%;所述固化、脱脂、烧结、熔渗工艺参数包括:
(a)所述具有复合涂层的陶瓷粉体与金属粉体的混合粉体或具有复合涂层的陶瓷粉体的粘结剂喷射打印成型坯体的固化工艺参数包括固化温度100~350℃,固化时间1~8小时;
或/和(b)所述具有复合涂层的陶瓷粉体与金属粉体的混合粉体或具有复合涂层的陶瓷粉体的粘结剂喷射打印成型坯体的脱脂工艺参数包括在惰性气氛中,以0.5~10℃/分钟升温至250~600℃,保温时间1~5小时;
或/和(c)所述具有复合涂层的陶瓷粉体与金属粉体的混合粉体或具有复合涂层的陶‑1
瓷粉体的粘结剂喷射打印成型坯体的烧结工艺参数包括在氢气气氛、惰性气氛或者10 ~‑3
10 Pa真空中以0.2~5℃/分钟升温至原料粉体中主要金属组元熔点以下50‑100℃,保温1~5小时,最后炉冷降温至室温;
或/和(d)所述具有复合涂层的陶瓷粉体的粘结剂喷射打印成型坯体的熔渗工艺参数‑1 ‑3
包括在真空度为10 ~10 Pa的真空中,或者在常压的惰性气氛或者氢气气氛中,或者在1~20MPa的高压惰性气氛中,以0.1~5℃/分钟升温至熔渗金属熔点以上50‑300℃,保温1~
12小时,最后炉冷降温至室温;所述熔融金属包括铜合金,铝合金,纯铝,纯铜中的至少一种。
8.金属陶瓷复合材料的应用,其特征在于:根据权利要求1~7任一项所述的金属陶瓷复合材料的增材制造方法在金属陶瓷复合材料元器件方面的应用。
9.根据权利要求8所述的金属陶瓷复合材料的应用,其特征在于:所述金属复合材料元器件包括散热元器件和热沉材料。

说明书全文

金属陶瓷复合材料增材制造方法和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及增材制造领域,尤其涉及金属陶瓷复合材料的增材制造方法和应用。

背景技术

[0002] 金属陶瓷复合材料结合金属和陶瓷材料的优势,既具有陶瓷材料高硬度、高强度、耐高温等特性,还兼具金属材料的高韧性和高塑性,被广泛应用于机械、航天航空、电子通讯和半导体器件等重要领域,以金刚石、、氮化硅等陶瓷相与等金属相所形成的金属陶瓷复合材料在散热器件及热沉材料的应用方面具有不可替代的作用。当前金属陶瓷复合材料的制备方法主要是铸造、粉体冶金和熔渗等方法,在制备复杂结构器件方面存在较大难度,限制了金属陶瓷复合材料的进一步应用与发展。
[0003] 增材制造技术是一种采用原材料层层堆叠方式成型的先进制造技术。激光选区熔融和粘结剂喷射成型是其两种重要组成技术,前者利用层层铺粉及高能激光束选择性熔化铺粉层中的金属粉体实现零部件的直接成型,后者则通过层层铺粉及选择性喷射液体粘合剂实现粉体的粘结堆叠得到打印坯体,然后经过固化脱脂烧结或熔渗工艺实现零部件的成型。二者均具有大尺寸零部件快速高精度成型的特点,在金属陶瓷复合材料及其元器件的制备成型方向上具有极大发展前景。
[0004] 在激光选区熔融法及粘结剂喷射增材制造过程中,铝、铜等金属粉体与用于散热器件及热沉材料的氮化硅、碳化硅、金刚石等陶瓷粉体因浸润性较差而难以制备致密度较高的散热器件打印件,并且陶瓷相与金属相的结合性能较差,使得增材制造很难应用于散热器件的制备中。
[0005] 现有技术中有公开通过对陶瓷粉体进行一次涂层以提高陶瓷粉体与金属粉体结合性的文献,一次涂层界面分布依次为:陶瓷→金属陶瓷层→金属基体,以陶瓷粉体为金刚石为例,单涂层厚度过高,因界面涂层形成的金属碳化物热学性能一般,会产生较高界面热阻,从而使得涂层后复合材料热导率下降;如果涂层厚度过低又会导致可打印性大大降低,因此涂层厚度与低热阻特性存在冲突,一次涂层方法不适用于散热器件的制备。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服金属陶瓷复合材料传统制备工艺的限制,通过陶瓷粉体的两次涂层制备具有复合涂层的陶瓷粉体,从而显著提高金属相与陶瓷相颗粒在增材制造过程中的浸润性,并显著提升金属相与陶瓷相的结合性能,在此基础上提供金属陶瓷复合材料的增材制造制备方法,该方法得到的金属陶瓷复合材料器件具有高致密度及优异的热‑学性能,在散热器件及热沉材料应用领域具有极大发展潜力。
[0007] 为达到上述目的,本发明提供了一种金属陶瓷复合材料的增材制造制备方法,包括以下步骤:
[0008] (1)将陶瓷粉体通过两次涂层工艺制得具有复合涂层的陶瓷粉体;
[0009] (2)将具有复合涂层的陶瓷粉体和金属粉体球磨混合,制得原料粉体;
[0010] (3)将具有复合涂层的陶瓷粉体和金属粉体混合好的原料粉体采用选区激光熔融法(SLM)打印成型,得到金属陶瓷复合材料成型件;
[0011] (4)或者将具有复合涂层的陶瓷粉体和金属粉体混合好的原料粉体采用粘结剂喷射(BJ)法打印成型,然后进行打印件的固化、脱脂、烧结,得到金属陶瓷复合材料成型件;
[0012] (5)或者直接将具有复合涂层的陶瓷粉体采用粘结剂喷射(BJ)法打印成型,然后进行打印件的固化、脱脂,得到有大量通孔的陶瓷打印原件,然后采用熔渗工艺将液相金属渗入到陶瓷打印原件中,得到金属陶瓷复合材料成型件。
[0013] 通过两次涂层既可提高陶瓷相与金属相粉体在增材制造过程中的浸润性,又可显著提升陶瓷相与金属相的结合性能,利于提高金属陶瓷复合材料的致密度与最终金属陶瓷复合材料元器件的整体性能。
[0014] 两次涂层界面分布依次为:陶瓷→金属陶瓷层→金属层‑金属基体,通过第一层涂层的金属陶瓷层(如金属碳化物层)实现陶瓷表面特性改善,第一层涂层厚度薄;第二层涂层选择热学性能优异的金属元素作为第二层涂层,形成金属层。
[0015] 两次涂层方法,一方面可以有效控制界面热阻;另一方面,一次涂层方法为了降低热阻需要控制涂层厚度而导致涂层的结合性和可打印性能不理想,二次涂层复合材料粉体的可打印性优于一次涂层方法。
[0016] 优选的,所述步骤(1)中陶瓷相粉体包括金刚石,氮化硅和碳化硅中的至少一种,粉体平均粒径范围为1~200μm;
[0017] 优选的,所述步骤(1)中两次金属涂层都包括对陶瓷粉体进行表面净化的涂层预处理;所述金属涂层工艺包括电涂、化学涂、磁控溅射,或化学气相沉积中的至少一种;
[0018] 进一步的优选,所述步骤(1)中,第一层涂层金属元素包括,钼,钨,铬中的至少一种,厚度为10~1000nm,第二层复合涂层金属元素包括铜,镍,中的至少一种,厚度为0.01~10μm;
[0019] 相比于常规陶瓷粉体的一次涂层方法,本发明通过对陶瓷粉体表面的两次涂层,使得陶瓷粉体的表面涂层的均匀性得到提升,陶瓷粉体与金属粉体在增材制造中的润湿性得到更大的改善,增材制造打印件中金属相和陶瓷相的结合性能得到更大的提升,确保了高致密度及高性能增材制造打印件的制备;
[0020] 优选的,所述步骤(2)中陶瓷相体积百分比含量为20~70%;
[0021] 进一步的优选,所述步骤(2)中,所述金属粉体包括铝合金铜合金,纯铝,纯铜等金属中的其中至少一种,金属粉体粒径范围为5~80μm;
[0022] 所述步骤(3)中选区激光熔融技术工艺参数包括激光光斑10~100μm,激光功率为10‑1200W,扫描速度为100‑3500mm/s,扫描间距为0.005‑0.08mm;
[0023] 所述步骤(4)中粘结剂喷射成型技术工艺参数包括打印层厚30~300μm,刮刀速度0.5~7cm/s,粘结剂饱和度为40~100%;
[0024] 优选的,所述步骤(4)中固化、脱脂、烧结工艺参数包括:
[0025] (a)所述具有复合涂层的陶瓷粉体与金属粉体的混合粉体或具有复合涂层的陶瓷粉体的粘结剂喷射打印成型坯体的固化工艺参数包括固化温度100~350℃,固化时间1~8小时;
[0026] 或/和(b)所述具有复合涂层的陶瓷粉体与金属粉体的混合粉体或具有复合涂层的陶瓷粉体的粘结剂喷射打印成型坯体的脱脂工艺参数包括在惰性气氛中,以0.5~10℃/分钟升温至250~600℃,保温时间1~5小时;
[0027] 或/和(c)所述具有复合涂层的陶瓷粉体与金属粉体的混合粉体或具有复合涂层的陶瓷粉体的粘结剂喷射打印成型坯体的烧结工艺(对于具有复合涂层的陶瓷粉体与金属粉体的混合粉体的粘结剂喷射打印成型坯体)参数包括在氢气气氛、惰性气氛或者真空‑1 ‑3(10 ~10 Pa)中以0.2~5℃/分钟升温至原料粉体中主要金属组元熔点以下50‑100℃,保温1~5小时,最后炉冷降温至室温;
[0028] 或/和(d)所述步骤(5)中所述具有复合涂层的陶瓷粉体的粘结剂喷射打印成型坯体的金属熔渗工艺包括:
[0029] 在真空度为10‑1~10‑3Pa的真空中,或者在常压的惰性气氛或者氢气气氛中,或者在1~20MPa的高压惰性气氛中,以0.1~5℃/分钟升温至熔渗金属熔点以上50‑300℃,保温1~12小时,最后炉冷降温至室温;所述熔融金属包括铜合金,铝合金,纯铝,纯铜中的至少一种。
[0030] 主要金属组元,是指金属粉体中占体积含量大的金属组分;如果金属粉体只包含单一金属组分,那么主要金属组元就是该金属粉体中的单一金属组分;如果所述金属粉体是混合金属粉体,比如是铝合金和铜合金体积比为6:4的混合粉体,那么主要金属组元可以理解为体积含量大的铝合金组分。
[0031] 该发明还包括金属陶瓷复合材料的应用,根据本发明所述的基于增材制造方法得到的所述金属陶瓷复合材料包括金属陶瓷复合材料元器件;所述金属陶瓷复合材料元器件包括金属陶瓷复合材料散热元器件及热沉材料。
[0032] 本发明的有益效果:
[0033] 1)一次涂层方法,因为形成的金属陶瓷层的界面热阻高,导致涂层后复合材料热导率下降,不适用于散热器件的制造;
[0034] 本申请的两次涂层方法,第一层涂层的金属陶瓷层厚度薄,第二层涂层的金属层导热性好,显著降低了陶瓷相与金属相的界面热阻,促进增材制造的金属陶瓷复合材料元器件的热导率等热学性能的提升,使得增材制造能够用于高效制造高精度和高复杂形状金属陶瓷复合材料散热元器件及热沉材料。
[0035] 2)为了降低界面热阻,一次涂层方法需要控制涂层厚度,这会导致涂层的结合性能不理想,复合材料的可打印性实际并不能得到提升;
[0036] 二次涂层方法利用第一层涂层的金属陶瓷层为第二层涂层的金属层提供更好的附着表面特性,同时利用第二层涂层的金属层与金属基体结合,可以显著提升涂层与涂层间的结合性能。
[0037] 3)一次涂层方法中,涂层元素的选择往往要与金属和陶瓷都具有一定浸润性;
[0038] 而二次涂层方法中,利用第一层涂层改善界面特性,第二层涂层避免与陶瓷粉体的直接接触,第二层涂层可以选择热学性能更好,与金属基体浸润性更好的元素进行二次涂层;二次涂层方法能够实现兼具提升热学性能和优化可打印性能的效果。
[0039] 4)针对单涂层,涂层厚度过厚必然引发高界面热阻;然而,针对双涂层,增加涂层厚度,却可以实现热导率提升。
[0040] 5)通过对陶瓷相粉体进行两次金属涂层,使得陶瓷相与金属相在增材制造过程中的浸润性得到有效改善,显著提升了陶瓷相与金属相的结合性能,同时双涂层可以有效保护陶瓷相粉体在选区激光熔融工艺过程中不被高能束激光破坏,进而保证复合材料组织结构完整性。附图说明
[0041] 图1为本发明所述表面金属复合涂层陶瓷颗粒的示意图。

具体实施方式

[0042] 为进一步清楚表达本发明的目的、技术方案及优点,以下结合具体实施方式,对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施例仅是用以解释本发明,并不限定本发明的保护范围。
[0043] 实施例1
[0044] (1)陶瓷粉体表面金属复合涂层工艺:
[0045] 将粒度为50‑100μm的碳化硅陶瓷粉体进行表面净化预处理;采用电工艺在粉体表面进行金属涂层;第一层涂层为钛金属,涂层厚度为100nm;第二层涂层为镍金属,涂层厚度为800nm。
[0046] (2)制备金属陶瓷复合材料原料粉体
[0047] 将具有钛‑镍复合涂层的碳化硅陶瓷粉体与粒度为15‑50μm的AlSi10Mg铝合金进行球磨混合,陶瓷相成分为55vol.%,制得原料粉体;
[0048] (3)金属陶瓷复合材料成型原件的选区激光熔融成型:
[0049] 将上述原料粉体倒入选区激光熔融成型打印机送粉仓,设置激光光斑为80μm,铺粉层厚100μm,激光功率为460W,扫描速度为300mm/s,扫描间距为0.03mm,制得金属陶瓷复合材料成型原件。
[0050] 经测试,该成型样品致密度为97.9%,热导率为285W/m.K;
[0051] 实施例2
[0052] (1)陶瓷粉体表面金属复合涂层工艺:
[0053] 将粒度为100‑150μm的金刚石陶瓷粉体进行表面净化预处理;采用磁控溅射工艺在粉体表面金属涂层;第一层涂层为钼金属,涂层厚度为80nm;第二层涂层为铜金属,涂层厚度为1μm。
[0054] (2)制备金属陶瓷复合材料原料粉体
[0055] 将具有钼‑铜复合涂层的金刚石陶瓷粉体与粒度为10‑45μm的CuZn12Sn2铜合金粉体进行球磨混合,陶瓷相含量为45vol.%,制得原料粉体;
[0056] (3)金属陶瓷复合材料成型原件的选区激光熔融成型:
[0057] 将上述原料粉体倒入选区激光熔融成型打印机送粉仓,设置激光光斑为60μm,铺粉厚度150μm,激光功率为480W,扫描速度为500mm/s,扫描间距为0.04mm,制得金属陶瓷复合材料成型原件。
[0058] 经测试,该成型样品致密度为98.5%,热导率为526W/m.K;
[0059] 实施例3
[0060] (1)陶瓷粉体表面金属复合涂层工艺:
[0061] 将粒度为100‑150μm的氮化硅陶瓷粉体进行表面净化预处理;采用化学气相沉积工艺在陶瓷粉体表面进行金属涂层;第一层涂层为钛,涂层厚度为200nm;第二层复合涂层为镍,涂层厚度为900nm。
[0062] (2)制备金属陶瓷复合材料原料粉体
[0063] 将具有钛‑镍复合涂层的氮化硅陶瓷粉体与粒度为10‑60μm的6061铝合金进行球磨混合,陶瓷相含量为60vol.%,制得原料粉体;
[0064] (3)金属陶瓷复合材料成型坯体的粘结剂喷射成型:
[0065] 将上述原料粉体与倒入粘结剂喷射成型打印机送粉仓,设置打印层厚为150μm,刮刀速度为3cm/s,粘结剂饱和度为75%,制得复合材料成型坯体。
[0066] (4)固化,脱脂及烧结工艺处理:
[0067] 将成型坯体放入固化炉中,设置固化温度为180℃,保温时间为5小时进行固化;将固化后坯体放入脱脂炉中,设置氮气气氛中,以3℃/分钟升温至400℃,保温时间3小时,随后以3℃/分钟升温至600℃,保温时间3小时,炉冷至室温;将脱脂后坯体放入烧结炉中,设‑3置真空气氛,真空度10 Pa,以5℃/分钟升温至800℃,保温时间2小时,最后炉冷降温至室温制得复合材料烧结原件;
[0068] 经测试,该成型样品致密度为96.8%,热导率为149W/m.K;
[0069] 实施例4
[0070] (1)陶瓷粉体表面金属复合涂层工艺:
[0071] 将粒度为100‑150μm的碳化硅陶瓷粉体进行表面净化预处理;采用电镀涂层工艺在碳化硅陶瓷粉体表面进行金属涂层;第一层涂层为铬金属,涂层厚度为50nm;第二层涂层为铜金属,涂层厚度为2μm。
[0072] (2)陶瓷成型坯体的粘结剂喷射成型:
[0073] 将具有铬‑铜复合涂层的碳化硅陶瓷粉体倒入粘结剂喷射成型打印机送粉仓,设置打印层厚为200μm,刮刀速度为7cm/s,粘结剂饱和度为90%,制得具有铬‑铜复合涂层的碳化硅陶瓷成型坯体。
[0074] (3)固化,脱脂工艺处理:
[0075] 将具有铬‑铜复合涂层的碳化硅陶瓷成型坯体放入固化炉中,设置固化温度为200℃,保温时间为2小时进行后固化;将固化后坯体放入脱脂炉中,设置氮气气氛中,以2℃/分钟升温至400℃,保温时间1小时,随后以2℃/分钟升温至600℃,保温时间2小时,炉冷至室温制得复合材料脱脂坯体。
[0076] (4)金属熔渗工艺处理
[0077] 将脱脂后坯体与纯铝放入坩埚内,将坩埚放入熔渗炉中,并抽真空至10‑3Pa,以3℃/分钟升温至800℃,随后通入高压氩气至10MPa,保温3小时,最后炉冷降温至室温,制得复合材料熔渗件。
[0078] 经测试,该成型样品中陶瓷含量为68vt%,致密度为98.9%,热导率为325W/m.K;
[0079] 实施例5
[0080] (1)陶瓷粉体表面金属复合涂层工艺:
[0081] 将粒度为100‑200μm的金刚石陶瓷粉体进行表面净化预处理;采用化学沉积涂层工艺在金刚石陶瓷粉体表面进行金属涂层;第一层涂层为钼,涂层厚度为80nm;第二层涂层为铜,涂层厚度为8μm。
[0082] (2)金属陶瓷复合材料的粘结剂喷射成型:
[0083] 将具有钼‑铜复合涂层的金刚石陶瓷粉体倒入粘结剂喷射成型打印机送粉仓,设置打印层厚为250μm,刮刀速度为4cm/s,粘结剂饱和度为98%,制得陶瓷成型坯体。
[0084] (4)固化,脱脂及熔渗工艺处理:
[0085] 将具有钼‑铜复合涂层的金刚石陶瓷成型坯体放入固化炉中,设置固化温度为200℃,保温时间为2小时进行固化;将固化后坯体与纯铜一起放入脱脂‑熔渗炉中,设置氮气气氛中,以2℃/分钟升温至400℃,保温时间1小时,随后以2℃/分钟升温至600℃,保温时间2小时;随后以5℃/分钟升温至1200℃,保温时间3小时,最后炉冷降温至室温制得复合材料熔渗原件。
[0086] 经测试,该成型样品中金刚石陶瓷含量为70vol.%,致密度为99.1%,热导率为621W/m.K;
[0087] 对比例1
[0088] (1)制备金属陶瓷复合材料原料粉体
[0089] 将粒度为50‑100μm的碳化硅粉体与粒度为15‑50μm的AlSi10Mg铝合金球磨混合制得原料粉体,碳化硅陶瓷含量为55vol.%;
[0090] (2)金属陶瓷复合材料成型原件的选区激光熔融成型:
[0091] 将上述原料粉体倒入选区激光熔融成型打印机送粉仓,设置激光光斑为80μm为,铺粉层厚100μm,激光功率为460W,扫描速度为300mm/s,扫描间距为0.03mm,制得金属陶瓷复合材料成型原件。
[0092] 经测试,该成型样品致密度73.9%,热导率为45W/m.K;
[0093] 对比例2
[0094] (1)制备金属陶瓷复合材料原料粉体
[0095] 将粒度为100‑150μm的金刚石粉体与粒度为10‑45μm的CuZn12Sn2铜合金球磨混合制得原料粉体,金刚石陶瓷相成分为45vol.%,;
[0096] (2)金属陶瓷复合材料成型原件的选区激光熔融成型:
[0097] 将上述原料粉体倒入选区激光熔融成型打印机送粉仓,设置激光光斑为60μm,铺粉厚度150μm,激光功率为480W,扫描速度为500mm/s,扫描间距为0.04mm,制得金属陶瓷复合材料成型原件。
[0098] 发现无法成型,打印失败;
[0099] 对比例3
[0100] (1)制备金属陶瓷复合材料原料粉体
[0101] 将粒度为100‑150μm的氮化硅粉体与粒度为10‑60μm的6061铝合金球磨混合,陶瓷相含量为60vol.%,制得原料粉体;
[0102] (2)金属陶瓷复合材料成型坯体的粘结剂喷射成型:
[0103] 将上述原料粉体与倒入粘结剂喷射成型打印机送粉仓,设置打印层厚为150μm,刮刀速度为3cm/s,粘结剂饱和度为75%,制得复合材料成型坯体。
[0104] (3)固化,脱脂及烧结工艺处理:
[0105] 将成型坯体放入固化炉中,设置固化温度为180℃,保温时间为5小时进行固化;将固化后坯体放入脱脂炉中,设置氮气气氛中,以3℃/分钟升温至400℃,保温时间3小时,随后以3℃/分钟升温至600℃,保温时间3小时,炉冷至室温;将脱脂后坯体放入烧结炉中,设‑3置真空气氛,真空度10 Pa,以5℃/分钟升温至800℃,保温时间2小时,最后炉冷降温至室温制得复合材料烧结原件;
[0106] 经测试,该成型样品致密度为72.5%,热导率为35W/m.K;
[0107] 对比例4
[0108] (1)陶瓷粉体表面金属单层涂层工艺:
[0109] 将粒度为100‑150μm的氮化硅陶瓷粉体进行表面净化预处理;采用化学气相沉积工艺在陶瓷粉体表面进行单层金属涂层;涂层为钛,涂层厚度为200nm;
[0110] (2)制备金属陶瓷复合材料原料粉体
[0111] 将具有钛单层涂层的氮化硅陶瓷粉体与粒度为10‑60μm的6061铝合金进行球磨混合,陶瓷相含量为60vol.%,制得原料粉体;
[0112] (3)金属陶瓷复合材料成型坯体的粘结剂喷射成型:
[0113] 将上述原料粉体与倒入粘结剂喷射成型打印机送粉仓,设置打印层厚为150μm,刮刀速度为3cm/s,粘结剂饱和度为75%,制得复合材料成型坯体。
[0114] (4)固化,脱脂及烧结工艺处理:
[0115] 将成型坯体放入固化炉中,设置固化温度为180℃,保温时间为5小时进行固化;将固化后坯体放入脱脂炉中,设置氮气气氛中,以3℃/分钟升温至400℃,保温时间3小时,随后以3℃/分钟升温至600℃,保温时间3小时,炉冷至室温;将脱脂后坯体放入烧结炉中,设‑3置真空气氛,真空度10 Pa,以5℃/分钟升温至800℃,保温时间2小时,最后炉冷降温至室温制得复合材料烧结原件;
[0116] 经测试,该成型样品致密度为81.2%,热导率为68W/m.K;
[0117] 对比例5
[0118] (1)金属陶瓷复合材料的粘结剂喷射成型:
[0119] 将粒度为100‑150μm碳化硅陶瓷粉体倒入粘结剂喷射成型打印机送粉仓,设置打印层厚为200μm,刮刀速度为7cm/s,粘结剂饱和度为90%,制得陶瓷成型坯体。
[0120] (2)后固化,脱脂及烧结工艺处理:
[0121] 将陶瓷成型坯体放入固化炉中,设置固化温度为200℃,保温时间为2小时进行后固化;将固化后坯体放入脱脂炉中,设置氮气气氛中,以2℃/分钟升温至400℃,保温时间1小时,随后以2℃/分钟升温至600℃,保温时间2小时,炉冷至室温制得烧结原件;
[0122] (3)金属熔渗工艺处理
[0123] 将烧结原件与纯铝放入坩埚内,将坩埚放入熔渗炉中,并抽真空至10‑3Pa以3℃/分钟升温至800℃,随后通入高压氩气至10MPa,保温3小时,最后炉冷降温至室温。
[0124] 发现无法成型,打印失败;
[0125] 对比例6
[0126] (1)金属陶瓷复合材料的粘结剂喷射成型:
[0127] 将粒度为100‑200μm金刚石陶瓷粉体倒入粘结剂喷射成型打印机送粉仓,设置打印层厚为250μm,刮刀速度为4cm/s,粘结剂饱和度为98%,制得陶瓷成型坯体。
[0128] (2)后固化,脱脂及烧结工艺处理:
[0129] 将陶瓷成型坯体放入固化炉中,设置固化温度为200℃,保温时间为2小时进行后固化;将固化后坯体放入脱脂炉中,设置氮气气氛中,以2℃/分钟升温至400℃,保温时间2小时;将固化后坯体与纯铜一起放入脱脂‑熔渗炉中,设置氮气气氛中,以2℃/分钟升温至400℃,保温时间1小时,随后以2℃/分钟升温至600℃,保温时间2小时;随后以5℃/分钟升温至1200℃,保温时间3小时,最后炉冷降温至室温;
[0130] 发现无法成型,打印失败;
[0131] 对比例7
[0132] (1)陶瓷粉体表面金属单层涂层工艺:
[0133] 将粒度为100‑200μm的金刚石陶瓷粉体进行表面净化预处理;采用化学沉积涂层工艺在金刚石陶瓷粉体表面进行单层金属涂层,涂层材料为钼,涂层厚度为80nm。
[0134] (2)金属陶瓷复合材料的粘结剂喷射成型:
[0135] 将具有钼单层涂层的金刚石陶瓷粉体倒入粘结剂喷射成型打印机送粉仓,设置打印层厚为250μm,刮刀速度为4cm/s,粘结剂饱和度为98%,制得陶瓷成型坯体。
[0136] (4)固化,脱脂及熔渗工艺处理:
[0137] 将具有钼‑铜复合涂层的金刚石陶瓷成型坯体放入固化炉中,设置固化温度为200℃,保温时间为2小时进行固化;将固化后坯体与纯铜一起放入脱脂‑熔渗炉中,设置氮气气氛中,以2℃/分钟升温至400℃,保温时间1小时,随后以2℃/分钟升温至600℃,保温时间2小时;随后以5℃/分钟升温至1200℃,保温时间3小时,最后炉冷降温至室温制得复合材料熔渗原件。
[0138] 经测试,该成型样品中金刚石陶瓷含量为70vol.%,致密度为89.9%,热导率为205W/m.K。
[0139] 所述实施/对比例中所得金属陶瓷复合材料的致密度通过阿基米德排法进行测量,通过导热系数仪在室温条件下测量金属陶瓷复合材料的热导率,测试样品尺寸为10mm×10mm×2mm(长×宽×高)。
[0140] 表1实施例制备样品性能参数及对比参数
[0141]
[0142] 表1实施例制备样品性能参数及对比参数,其中SLM为选区激光熔融技术,BJ为粘结剂喷射成型技术;由表可知,本发明所述的针对陶瓷粉体表面进行金属复合涂层的方法有效适用于金属陶瓷复合材料的增材制造且成型致密度高,尤其是选区激光熔融和粘结剂喷射成型技术;而采用直接无涂层陶瓷粉体的金属陶瓷混合粉体增材制造则难以实现高致密度成型,甚至不成型;采用单层涂层陶瓷粉体的金属陶瓷混合粉体增材制造也难以实现高致密度成型。
[0143] 尤其,采用本发明将表面钼‑铜金属复合涂层金刚石进行BJ打印后熔渗纯铜时,金刚石陶瓷体积含量为70%时,制得金属陶瓷复合材料的致密度可达99.1%,热导率可达621W/m.K;而将未涂层金刚石进行BJ打印时则无法成型。
[0144] 通过实施例3的双涂层和对比例4的单涂层比较,以及实施例5的双涂层和对比例7的单涂层比较,可知:相比单涂层,双涂层方法得到的烧结件致密度和热导性均表现优异;根据文献的普遍报道,针对单涂层,涂层厚度过厚必然引发高界面热阻,也即热导率降低。
[0145] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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