[发明专利]一种铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的成型装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料的成型技术，具体涉及一种铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的成型装置及方法。

背景技术

在金属基复合材料中，铝基碳化硅颗粒增强复合材料具有高导热性、低密度、与芯片相匹配的热膨胀系数，以及高硬度和高抗弯强度等特点，被广泛应用于电子封装和精密仪器关键部件的制造。目前铝基碳化硅颗粒增强复合材料的成型方法主要包括粉末冶金、搅拌铸造、压力铸造及喷射沉积四种方法。粉末冶金法存在工艺繁琐、成本高、产品形状受限、内部组织不均匀等缺点；搅拌铸造存在碳化硅颗粒易团聚、分布不均匀、搅拌过程易造成气体进入而形成孔洞等缺点；压力铸造存在预制件易崩溃、金属熔体不易充分渗入颗粒、成型工艺困难等缺点；喷射沉积存在碳化硅颗粒利用率低、工艺控制较复杂、沉积速度较慢、成本高等缺点。同时这四种方法制备的铝基碳化硅颗粒增强复合材料需要进行二次加工，由于碳化硅颗粒硬度高，导致材料加工困难，成本高。

3D打印技术是近年发展起来的一种新的成型技术。中国专利申请CN201310044604.1公开了一种金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制备方法，将金属3D打印技术、光固化快速成型技术、化学气相沉积技术、凝胶注模成型技术相结合，制备金属增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片。中国专利申请CN201310132690.1公开了一种基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，异种材料均为金属材料。上述二件专利均不适合用于陶瓷增韧金属基复合材料及其构件的成型。中国专利申请CN201310288137.7公开了一种金属零件的3D打印制造装置及方法，该装置包括加热系统，且送粉缸位于成型缸上方。针对铝基碳化硅颗粒增强复合材料的3D打印成型而言，所使用的粉末为碳化硅和铝合金的混合粉末，采用上送粉方式容易导致铺设于成型缸表面的混合粉末成分不均匀。同时由于铝基碳化硅颗粒增强复合材料比铝合金具有更高的弹性模量，抗变形能力强，在3D打印成型过程中可以承受更大的热应力，所以可以不要对混合后的粉末进行加热预热。因此，针对铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的成型技术，提出本发明。

发明内容

针对现有成型技术中存在的成型工艺复杂、内部组织疏松且不均匀、成本高、加工困难等问题，本发明提供一种铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的成型装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的成型装置包括激光系统、铺粉系统、惰性气氛系统和控制系统；所述成型装置还包括封闭的工作腔，工作腔内设有成形缸，成形缸的上方设有向成形缸发射激光的激光系统，所述激光系统包括激光器、扫描振镜和振镜控制卡；所述成形缸一侧设有送粉缸，另一侧设有粉末回收缸，所述成形缸、送粉缸和粉末回收缸的上表面位于同一水平面；所述送粉缸上表面设有铺粉系统，所述铺粉系统包括铺粉辊筒和驱动铺粉辊筒在送粉缸、成型缸及粉末回收缸上表面往复运动的辊筒驱动装置；所述成形缸和送粉缸下侧均设有驱动缸体底板相对于缸体上下往复运动的缸体驱动装置；所述工作腔一侧与惰性气氛系统连通，工作腔另一侧与真空泵连通；所述控制系统包括计算机，该计算机分别通过数据线与振镜控制卡、辊筒驱动装置和缸体驱动装置连接。当然，所述控制系统还包括对三维数字模型进行等厚度切片分层的软件以及控制激光系统、铺粉系统和工作腔内送粉缸和成型缸缸体底板运动的软件。这些软件的实现均为本领域常规技术手段。

其中，所述激光器为光纤激光器，激光器的激光输出功率为200W～400W。所述扫描振镜的扫描角度范围为±20°。所述成形缸下侧的缸体驱动装置通过丝杆与成形缸底板连接；所述送粉缸下侧的缸体驱动装置通过丝杆与送粉缸底板连接。所述惰性气氛系统为氩气瓶。

上述成型装置成型步骤为：首先把粉末材料装入工作腔中的送粉缸内，然后关闭工作腔，启动真空泵对工作腔抽真空，接着打开惰性气体罐往工作腔通入惰性气体。把所需成型零件的三维模型输入控制系统，控制软件生成指令通过数据线发送给激光系统及铺粉系统和驱动缸体底板运动的驱动装置。首先缸体底板驱动装置根据指令降低成型缸底板高度并升高送粉缸底板高度，接着铺粉系统驱动装置根据指令驱动铺粉辊筒在送粉缸、成型缸和粉末回收缸上表面滚动以推动送粉缸粉末均匀铺设于成型缸表面，然后激光系统根据指令在成型缸表面快速扫描，使粉末发生烧结。按上述步骤逐层铺粉，逐层激光烧结叠加方式完成零件的成型制造。

据此，本发明还提供了基于上述成型装置的制造铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）将铝合金粉末和碳化硅粉末混合均匀；