[发明专利]采用叠层法制备功能梯度材料的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种叠层法燃烧合成技术制造TiC-Ni功能梯度材料。

背景技术：

现有的功能梯度材料是一种新型材料设计概念。功能梯度材料的组成和结构呈现梯度分布，因此性能也呈现持续变化。作为非均质材料，功能梯度材料在特定条件下具有均质材料所不具备的优良性能。功能梯度材料是一种显微组分、结构、性能阶梯变化的高性能材料。具有较高机械强度、抗热冲击、耐高温性能等特点。在电子部件、人造牙、汽车发动机、制动器、化工部件等有广泛的应用。FGM的制备方法有：气相沉积法、粒子排列法、电沉积法等。气相沉积和电沉积法不能制备大厚度块材，粒子排列法工序复杂、成分梯度控制困难。

功能梯度材料分为两步制造，分别是成型过程和合成过程。前者包括堆积，溅射沉积，浇注成型和涂层过程。后者包括物理气相沉积，化学气相沉积，电镀，粉末烧结和燃烧合成技术(或者叫自蔓燃高温合成技术)。

分层实体造型是一种快速成型制造技术。在快速成型制造过程中，传统的材料余量的去除被一种通过逐渐增加材料而成型的方法所替代。快速成型制造方法能够与CAD，激光，光化学以及聚合物技术相结合实现一体化制造过程。分层实体造型制造过程是从传统的三维CAD文档开始，该文档被转化成制造用的标准格式(*.STL文件)，然后再通过分离程序将材料模型片解成很多非常薄的断面。根据这些断面的轮廓设计的扫描路径控制成形台和激光扫描仪的移动。不同的材料带经过的时候被激光束根据一片一片的断面进行切除，这些断面堆垛形成要求尺寸的元件。

发明内容：

本发明的目的是针对TiC-Ni功能梯度材料，提供-种低成本，高效率的叠层法制造技术。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

采用叠层法制备功能梯度材料的方法，其组成包括：坯体的设计、素坯的制备，然后进行坯体的分层、片层的制备、坯体的制备、坯体自蔓延燃烧合成，所述的坯体的分层是用三维图形软件将设计好的坯体输入至计算机内，并生成标准格式*.STL文件，使用分离程序将已经生成的STL文件中的坯体分割为一定厚度的片层。

所述的采用叠层法制备功能梯度材料的方法，所述的素坯的制备是将无定形石墨和钛粉以相同的摩尔数混合，质量比为1∶4，然后在石墨与钛粉的混合粉体中根据梯度的要求加入Ni粉，使Ni粉在混合物中的质量百分比为0.1～50％，从而形成Ni含量不同的粉体，将这些Ni含量不同的粉体分别放入球磨罐中进行球磨10～20小时后转移至烘干箱中进行烘干，待充分干燥后用轧膜机将其轧制成一定厚度的素坯带。

所述的采用叠层法制备功能梯度材料的方法，所述的片层的制备是采用数控加工设备将已经制备好的素坯带加工片层。所述的采用叠层法制备功能梯度材料的方法，所述的坯体的制备是使用有机粘结剂将生成的片层按一定的次序粘结在一起，形成坯体。

所述的采用叠层法制备功能梯度材料的方法，所述的坯体自蔓延燃烧合成是先将已经粘结在一起的坯体加热到200～400℃，以去除坯体中的有机物，达到脱脂的目的，然后将坯体转移至模具内，将Ni含量较小的一端向下，向模具内加入二氧化硅作为填充物，用制备素坯的无定形石墨和钛的混合粉作为点火剂，点火剂的质量为5～15g，点火方式则使用电阻丝加热的方式，当点火后10～20s使用高压120t的对素坯进行压制，形成功能梯度材料。

这个技术方案有以下有益效果：

1.本发明产生的高反应温度能够挥发低沸点的不纯杂质，产生较为纯净的产品。

2.本发明自蔓燃反应的发热本质避免了对昂贵的设备和仪器的需求

3.本发明相当短的发生反应时间降低了操作和处理的成本

4.本发明高热梯度和快速冷却率产生了非均衡或者叫亚稳态相

5.本发明能够利用反应化学能一步完成无机材料的合成和加固。

6.本发明能制备出完全相同的功能梯度材料，而其他方法是很难或不可能做到这一点。

附图说明：

附图1是本发明制备原理示意图。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

采用叠层法制备功能梯度材料的方法，其组成包括：坯体的设计、素坯的制备、坯体的分层、片层的制备、坯体的制备、坯体自蔓延燃烧合成，所述的坯体的分层是用三维图形软件将设计好的坯体输入至计算机内，并转化为标准格式文件(*.STL)。使用分离程序将已经生成的STL文件中的坯体分割为一定厚度的片层。

所述的采用叠层法制备功能梯度材料的方法，所述的坯体的设计是根据对功能梯度材料的要求，设计功能材料的梯度及各组分(无定形石墨、钛粉和Ni粉)的含量。