CN111633209A - 一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法，解决了钢/铝双金属复合铸造界面容易生成硬脆的金属间化合物，使得界面结合强度降低的问题。本发明方法首先是对合金钢粉末进行烘干和预筛处理，然后利用三维绘图软件设计带有复杂多孔结构的基体模型，通过选区激光熔化技术制备得到带有复杂多孔结构的基体，接着对得到的带有复杂多孔结构的基体进行清理，去除基体上的杂质，最后将处理后的基体放置在砂箱中，再将熔融的金属铝液注入到砂箱中，通过固‑液复合铸造，实现机械结合，最终得到钢/铝双金属复合材料。本发明是利用选区激光熔化技术与铸造相结合的方法来制备钢/铝双金属复合材料，实现了双金属界面高强度的机械结合。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种3D打印与铸造相结合的增材制造方法，具体是一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法。
背景技术
双金属复合材料是将两种或者两种以上物理、化学等方面不同的金属结合制备出的材料，具有良好的综合力学性能。例如：钢具有强度高、耐磨等优点；铝具有质量轻、耐腐蚀等优点；钢/铝双金属复合材料结合钢、铝优良的力学性能已经广泛应用于汽车制造、机械加工、航空航天等领域。
钢/铝双金属复合材料通常是利用固-液复合铸造制备。传统上是将铝液浇注在钢基体上，但是钢、铝之间互溶度低，界面处容易产生缝隙等缺陷，结合效果差；采用电镀或者热浸镀对固体基体进行预处理提高基体的润湿度，但是当铝液与钢基体复合时要对基体进行预热，预热的温度难以控制，并且大型、多砂芯零件很难进行预热处理；采用电镀或者热浸镀预处理制备的双金属界面容易生成硬脆的金属间化合物，使得界面结合强度降低，并且制备的双金属不能进行热处理。所以对基体表面进行处理使双金属实现机械结合是一个新的发展方向。
为实现双金属的机械结合，现有技术中有将基体表面设计成均匀分布的小凸起，金属液流过基体表面，将基体表面的凸起结构包裹起来形成机械结合，但是金属液凝固会发生收缩，结合处会产生缝隙，依然会影响其结合强度。
发明内容
本发明的目的是为了解决钢/铝双金属复合铸造界面容易生成硬脆的金属间化合物，使得界面结合强度降低的问题，而提供一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法。该方法采用选区激光熔化技术（3D打印技术）与铸造相结合，能够解决双金属复合铸造界面强度低、成型工件尺寸受限制等问题，最终提高双金属界面结合强度。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法，包括如下步骤：
1）对合金钢粉末进行烘干和预筛处理；
2）利用三维绘图软件设计带有复杂多孔结构的基体模型，通过选区激光熔化技术制备得到带有复杂多孔结构的基体；
3）对得到的带有复杂多孔结构的基体进行清理，去除基体上的杂质；
4）将处理后的基体放置在砂箱中，再将熔融的金属铝液注入到砂箱中，通过固-液复合铸造，实现机械结合，最终得到钢/铝双金属增/等材复合材料。
作为优选的技术方案，步骤1）的具体操作为：将合金钢粉末放置在烘干箱中进行烘干，烘干箱温度设置为100-200℃，烘干时间设置为2-4h，待粉末冷却后利用200#的网筛进行筛粉。
作为优选的技术方案，步骤2）的具体操作为：利用三维绘图软件设计带有复杂多孔结构的基体模型，并生成STL文件；利用切片软件对基体模型进行切片处理，保存处理后的文件，将文件导入选区激光熔化成型设备中；选择合金钢基板并进行固定，将处理好的合金钢粉末铺放在送粉平台上，对选区激光熔化成型设备进行抽真空并且充氩气保护；随着氩气的充入，当设备中氧气体积含量不超过0.1％时，设置选区激光熔化成型的工艺参数，开始制备带有复杂多孔结构的基体部分；成形结束后，将合金钢基板取下来，利用线切割将基体从基板上切下来，从而获得带有复杂多孔结构的基体。
作为优选的技术方案，步骤3）的具体操作为：对基体进行打磨以去除基体表面的氧化层，利用酒精对基体进行清洗以去除基体表面的油污。
作为优选的技术方案，步骤4）的具体操作为：设计并制作砂箱，将基体放置在砂箱中，根据铸件的特点进行浇冒口设计；将熔融的金属铝液通过浇口注入砂型中，浇注完毕后，将浇注后的砂型冷却至室温，然后进行退砂处理，将铸件表面的型砂清理干净，最后即获得钢/铝双金属增/等材复合材料。
作为优选的技术方案，选区激光熔化成型的工艺参数具体为：基板的预热温度为200℃，激光功率为200W，扫描速率为600-1000mm/s，扫描间距为100μm，层厚为50μm，扫描方向与上一层扫描方向顺时针旋转90°，每层粉末激光扫描一次，开始逐层成型，直至完成带有复杂多孔结构的基体部分。
本发明方法为解决双金属间机械结合强度低的问题，创造性的将基体表面设计成复杂的通孔结构，当金属液流过时与基体形成紧密结合从而增加界面结合强度。由于带有多孔结构的基体结构复杂，采用铸造方法制备比较困难而且制备成形件精度低，所以采用了选区激光熔化技术，该技术能够实现复杂结构金属零件的精准成形，不受模具的限制。选区激光熔化技术是一种3D打印技术，借鉴了快速原型技术“离散+堆积”的原理，以激光为热源，在三维模型切片数据的指导下，利用高功率的激光扫描将金属粉末以及基材表面部分材料熔化使之混合，激光扫描后凝固形成冶金结合，以此逐层扫描堆积最终得到三维零件。利用选区激光熔化技术与铸造相结合制备的双金属能够实现机械结合，提高结合强度。选区激光熔化技术可以精准的成形出带有多孔结构的基体，成形过程不受模具限制；传统铸造工艺成本低，将两种工艺的特点结合起来是制备双金属复合材料的理想方法。
本发明方法的有益效果如下：
1）利用选区激光熔化技术制备带有多孔结构的基体，成型过程不受模具限制并且可以精准的制备出复杂的结构件，缩短生产周期，提高生产效率；
2）增材制造和砂型铸造相结合，充分发挥各自的优势，降低生产成本，为双金属复合铸造提供新的发展方向；
3）双金属界面实现紧密的机械结合，解决了两种金属由于互溶度低生成硬脆的金属间化合物，导致界面结合强度低的问题，大幅度提高双金属界面的抗剪切性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明方法制备得到的复合材料的铸造界面微观组织图一。
图2为本发明方法制备得到的复合材料的铸造界面微观组织图二。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法，包括如下步骤：
1）对合金钢粉末进行烘干和预筛处理；
具体操作为：将合金钢粉末放置在烘干箱中进行烘干，烘干箱温度设置为100-200℃，烘干时间设置为2-4h，待粉末冷却后利用200#的网筛进行筛粉。
2）利用三维绘图软件设计带有复杂多孔结构的基体模型，通过选区激光熔化技术制备得到带有复杂多孔结构的基体；
具体操作为：利用三维绘图软件ProE设计带有复杂多孔结构的基体模型，并生成STL文件；根据工艺和精度要求利用切片软件对基体模型进行切片处理，保存处理后的文件，将文件导入选区激光熔化成型设备中；选择合金钢基板并进行固定，将处理好的合金钢粉末铺放在送粉平台上，合金钢粉末粒径为25μm，对选区激光熔化成型设备进行抽真空并且充氩气保护；随着氩气的充入，当设备中氧气体积含量不超过0.1％时，设置选区激光熔化成型的工艺参数，开始制备带有复杂多孔结构的基体部分，选区激光熔化成型的工艺参数具体为：基板的预热温度为200℃，激光功率为200W，扫描速率为600-1000mm/s，扫描间距为100μm，层厚为50μm，扫描方向与上一层扫描方向顺时针旋转90°，每层粉末激光扫描一次，开始逐层成型，直至完成带有复杂多孔结构的基体部分；成形结束后，将合金钢基板取下来，利用线切割将基体从基板上切下来，从而获得带有复杂多孔结构的基体。
3）对得到的带有复杂多孔结构的基体进行清理，去除基体上的杂质；
具体操作为：对基体进行打磨以去除基体表面的氧化层，利用酒精对基体进行清洗以去除基体表面的油污。
4）将处理后的基体放置在砂箱中，再将熔融的金属铝液注入到砂箱中，通过固-液复合铸造，实现机械结合；
具体操作为：设计并制作砂箱，将基体放置在砂箱中，根据铸件的特点进行浇冒口设计；将熔融的金属铝液通过浇口注入砂型中，浇注完毕后，将浇注后的砂型冷却至室温，然后进行退砂处理，将铸件表面的型砂清理干净，最后即获得钢/铝双金属增/等材复合材料。
图1和图2为本发明方法制备得到的复合材料的界面微观组织图。从图1中可以看到钢/铝界面处存在明显的黑色缝隙和氧化层，称之为机械结合，这是因为钢和铝之间的物理、化学性能差异较大，铝合金熔体对钢表面的的润湿性低，并且钢表面在除油除锈后在空气中很容易被氧化形成氧化层，在浇注过程中阻碍原子之间的扩散。从图2中可以看出钢/铝界面处也存在冶金结合，这是由于在温度高的部位液体凝固慢，高温环境促进了原子间的扩散，使得钢/铝之间发生冶金结合生成中间相层。根据EDS能谱分析得出中间相层分为两相，靠近钢基体侧的为Al5Fe2相，靠近铝基体侧的为Al8Fe2Si相。
上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）对合金钢粉末进行烘干和预筛处理；
2）利用三维绘图软件设计带有复杂多孔结构的基体模型，通过选区激光熔化技术制备得到带有复杂多孔结构的基体；
3）对得到的带有复杂多孔结构的基体进行清理，去除基体上的杂质；
4）将处理后的基体放置在砂箱中，再将熔融的金属铝液注入到砂箱中，通过固-液复合铸造，实现机械结合，最终得到钢/铝双金属增/等材复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法，其特征在于，步骤1）的具体操作为：将合金钢粉末放置在烘干箱中进行烘干，烘干箱温度设置为100-200℃，烘干时间设置为2-4h，待粉末冷却后利用200#的网筛进行筛粉。
3.根据权利要求1所述的一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法，其特征在于，步骤2）的具体操作为：利用三维绘图软件设计带有复杂多孔结构的基体模型，并生成STL文件；利用切片软件对基体模型进行切片处理，保存处理后的文件，将文件导入选区激光熔化成型设备中；选择合金钢基板并进行固定，将处理好的合金钢粉末铺放在送粉平台上，对选区激光熔化成型设备进行抽真空并且充氩气保护；随着氩气的充入，当设备中氧气体积含量不超过0.1％时，设置选区激光熔化成型的工艺参数，开始制备带有复杂多孔结构的基体部分；成形结束后，将合金钢基板取下来，利用线切割将基体从基板上切下来，从而获得带有复杂多孔结构的基体。
4.根据权利要求1所述的一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法，其特征在于，步骤3）的具体操作为：对基体进行打磨以去除基体表面的氧化层，利用酒精对基体进行清洗以去除基体表面的油污。
5.根据权利要求1所述的一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法，其特征在于，步骤4）的具体操作为：设计并制作砂箱，将基体放置在砂箱中，根据铸件的特点进行浇冒口设计；将熔融的金属铝液通过浇口注入砂型中，浇注完毕后，将浇注后的砂型冷却至室温，然后进行退砂处理，将铸件表面的型砂清理干净，最后即获得钢/铝双金属增/等材复合材料。
6.根据权利要求3所述的一种钢/铝双金属增/等材复合制造方法，其特征在于，选区激光熔化成型的工艺参数具体为：基板的预热温度为200℃，激光功率为200W，扫描速率为600-1000mm/s，扫描间距为100μm，层厚为50μm，扫描方向与上一层扫描方向顺时针旋转90°，每层粉末激光扫描一次，开始逐层成型，直至完成带有复杂多孔结构的基体部分。
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