[发明专利]一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法

摘要

一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法，本发明涉及3D打印焊接制造方法。本发明要解决陶瓷金属异质结构复杂形状成型困难，且金属与陶瓷材料钎焊形成的焊接结构件接头存在较大应力的问题。方法：一、三维模型建立；二、Si3N4陶瓷料浆的制备；三、Ti金属料浆的制备；四、引发剂的制备；五、输送浆料及打印；六、逐层打印；七、烧结；八、GMAW 3D打印焊接；九、去应力处理，即完成陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。本发明用于一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。

主权项

1.一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法，其特征在于一种陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法是按以下步骤进行：一、三维模型建立：通过Auto CAD软件建立零件结构的三维模型，模型经分层切片处理，设定打印层厚度为0.5mm～1mm，打印时，浆料喷头与引发剂喷头的移动速度为20mm/s～50mm/s，将数据传输到3D冷打印设备中；二、Si3N4陶瓷料浆的制备：将丙烯酰胺、N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液A，向预混液A中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Si3N4陶瓷粉末混合搅拌，再加入Al2O3，在N2气氛下球磨20h，得到Si3N4陶瓷料浆；所述的Si3N4陶瓷料浆中Si3N4陶瓷粉末的固相体积分数为40％～50％；所述的N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量百分数为25％～28％的氨水与预混液A的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液A的质量比为(0.1～0.3):100；所述的Al2O3与Si3N4陶瓷粉末的质量比为(2～5):100；三、Ti金属料浆的制备：将丙烯酰胺、N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中，得到预混液B，向预混液B中加入质量百分数为25％～28％的氨水和异辛醇，然后加入Ti金属粉末混合搅拌，在N2气氛下球磨20h，得到Ti金属料浆；所述的Ti金属料浆中Ti金属粉末的固相体积分数为40％～60％；所述的N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的质量比为(0.2～0.3):100；所述的丙烯酰胺与去离子水的质量比为(20～30):100；所述的质量百分数为25％～28％的氨水与预混液B的质量比为(0.4～1.0):100；所述的异辛醇与预混液B的质量比为(0.1～0.3):100；四、引发剂的制备：将偶氮二异丁基脒盐酸盐与水混合，得到质量百分数为20％～30％的引发剂水溶液；五、输送浆料及打印：保持Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆的温度为50℃～60℃，采用两套送料系统分别输送Si3N4陶瓷料浆及Ti金属料浆至同一浆料喷头中，采用另一套送料系统输送引发剂水溶液至引发剂喷头，且浆料喷头与引发剂喷头同时输送，设输送Si3N4陶瓷料浆系统的流速V1及输送Ti金属料浆系统的流速V2，且V1＝V2，V1及V2恒定，设浆料喷头的挤出体积流量为Q，设Si3N4陶瓷料浆输送体积流量为Q1，设输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，设Ti金属料浆输送体积流量为Q2，设输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，Q＝Q1+Q2，保持Q恒定，设引发剂喷头的挤出体积流量为Q3，Q:Q3＝1:(0.05～0.3)；室温下，由陶瓷打印开始，保持Q1＝Q，Q2＝0，直至打印至陶瓷与金属的过渡区域，在V1恒定的条件下，通过改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，通过改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1＝Q2时，在Q1＝Q2的条件下，保持200s～300s，保持后，在V1恒定的条件下，继续以改变输送Si3N4陶瓷料浆系统出口的截面积为S1，使Q1与时间的函数呈线性变化，S1变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q1降低，在V2恒定的条件下，改变输送Ti金属料浆系统出口的截面积S2，使Q2与时间的函数呈线性变化，S2变化率为2mm2/s～5mm2/s，随时间增加，Q2增大，当Q1降低至0，Q2增大至Q时，然后以Q2＝Q的速度打印Ti金属，直至一层打印完成；六、逐层打印：在室温条件下，按步骤五逐层打印成零件坯体，得到3D冷打印坯体；七、烧结：将3D冷打印坯体干燥，然后在温度为600℃下脱脂，再在温度为1550℃～1650℃下进行烧结2h，最后以冷却速度为8℃/min冷却至室温，得到陶瓷金属异质结构件；八、GMAW 3D打印焊接：将陶瓷金属异质结构件待焊接部位预热至温度为200℃，在预热后的待焊接部位利用GMAW 3D打印焊接技术确定预定轨迹，并进行3D打印焊接，采用直径为1mm的铝焊丝，采用脉动送丝的方式，焊接电流范围为80A～120A，保护气体为Ar与CO2的混合气体，通过运动控制，将铝焊丝熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，得到完整的陶瓷金属异质结构；保护气体中Ar占混合气体体积分数的85％，保护气体中CO2占混合气体体积分数的15％；九、去应力处理：将完整的陶瓷金属异质结构加热至温度为300℃～400℃，并在温度为300℃～400℃的条件下，保温2h，随后随炉缓慢冷却至室温，即完成陶瓷金属异质结构3D打印焊接制造方法。