[发明专利]一种双金属材料的3D打印方法

说明书

本发明涉及一种双金属材料的3D打印方法，属于增材制造领域。包括铜浆料和铁浆料制备，打印时给铜浆料、铁浆料注射器压力，往复运动逐层成型，最终成型双金属材料三维零件，进行真空高温热处理包括：抽真空、粘结剂热解、金属颗粒烧结和冷却。优点是：调整了铁与铜金属浆料的粘结剂比例，使得铁与铜金属浆料能顺利挤出成型，并能使铁与铜金属浆料在烧结中保持收缩一致。在热处理成型工艺中根据铁与铜金属材料的性质，综合调整了烧结温度，真空度，烧结时长等因素，使铁与铜金属材料能够在同一烧结参数下高温烧结成型，并具备相同的收缩率，无氧化，变形，裂纹，强度低等问题，从而具备优异的性能，能够应用在实际生产应用中。

技术领域

本发明属于增材制造领域，尤其涉及一种双金属材料的3D打印方法，能进行定制化的、小批量的、传统制造工艺难以实现的、几何形状复杂，性能优异的双金属材料三维结构加工。

背景技术

双金属材料零部件在航空航天，电池，汽车等领域具有重要应用。例如在航空航天领域，飞机发动机上的铜阀内部需要是耐高温的铜材料，而外部则需要强度高的不锈钢材料；在电池领域，电极与固体电解质需要由两种不同的金属材料集成；在汽车领域，车身往往由密度降低的钛合金材料和其他金属材料集合而成，这样既满足了车身性能又减轻了车身质量，降低了能耗。为了实现应用价值，双金属材料零部件需要满足以下特性：(1)不同材料在设计区域的精确制造，无元素污染。(2)形状精度高(3)不同材料间结合强度高。(4)具备复杂几何形状。

传统的制造技术如冷压，铸造，焊接等难以制造这种性能优异的双金属材料零部件。3D打印技术具有能定制复杂几何形状，材料广泛，设计周期短，产品质量高等优点，特别是能定制这种性能优异的双金属材料零件。

然而，现有的金属增材制造技术如电化学增材制造(Electrochemical additivemanufacturing，ECAM)，粉床熔融(Powder bed fusion,PBF)和直接能量沉积(Directenergy deposition,DED)等无法制造同时具备上述特性的双材料零部件。电化学增材制造(ECAM)是一种相对较新的金属AM形式，它利用电解液中金属离子的局部电化学沉积来创建金属结构。该技术的优点是金属材料间结合力强。然而，由于金属离子沉积速度极慢以及沉积区间无法控制，该技术还存在以下缺点：无法实现复杂几何形状零件的增材制造；无法实现大尺寸零件的增材制造；由于电场扩散等因素，金属离子沉积区域不固定，无法实现不同材料在设定区域的精确沉积且制造精度低，零件表面粗糙，缺陷多。

粉床熔融(Powder bed fusion,PBF)和直接能量沉积(Direct energydeposition,DED)。粉床熔融(PBF)技术首先需要在加工台上铺上金属粉末，接着运用高能激光束扫描粉末，使粉末熔化后凝固成型，这个过程逐层重复直至目标零件加工完毕。直接能量沉积(DED)技术则通过送粉装置将金属粉末和保护气体输送到激光器的正下方，激光器发出高能激光束将金属粉末加热融化，激光束与粉末同步运行直到零件加工完毕。这两类方法都具有能加工致密度高的零件和一次成型等优点。然而，由于这两种技术都需要采用借住铺粉系统铺粉，再通过激光将金属材料融化成型，它们还存在着以下缺点：

1)激光加工系统造价高，成本昂贵，且存在安全隐患，加工活泼金属容易爆炸；

2)被加工区域的急速升降温，会加大金属的热效应，从而降低工件的机械性能，且使异种金属材料无法结合，该技术已被证明只能打印少量特殊金属组合。

3)打印过程中粉末材料无法更换或者更换后有多种粉末存在，导致无法实现在设定区域精确沉积特定材料。

4)打印精度低，零件尺寸大且表面粗糙，容易翘曲变形等。