CN114908266A - 一种用于3d打印的铝基复合材料线材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，属于3D打印技术领域。本发明将B4C、Ti和Al粉末进行高能球磨混粉得到混合粉，混合粉压制成型得到预制体；将纯铝加热熔融得到铝液，将预制体浸入铝液中，在机械搅拌和超声条件下反应20～60min，取出后冷却即得混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料；将混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料加入到连续挤压设备中，进行连续挤压成型得到用于3D打印的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材。本发明采用原位自生法制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料，利用连续挤压减少铝基复合材料的组织缺陷，使材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率较基体得到了提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，属于爆轰压力测试技术领域。
背景技术
“3D打印”又称三维增材快速制造，是以数字建模等数字化技术为基础，运用粉末、线材、液体等材料，通过逐层增加材料打印出三维实物产品。3D打印技术与传统的制备手段相比，具有成本低、设计空间无限、没有副产品、实体模型准确等特点。
随着数字经济时代到来，3D打印技术不断实现突破，为制造业的更快更好发展提供了新的方向，极大地推动了制造业向数字化方向的转型升级。虽然3D打印技术在不断发展，但是最大的制约因素无疑是材料问题。即便是已经成熟应用的材料，也存在材料制备困难、价格高昂的难题。
发明内容
针对现有3D打印材料存在材料制备困难、价格高昂问题，本发明提供一种用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，即采用原位自生法制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料，再通过连续挤压成型，多方向压力使铝基复合材料坯料内部组织均匀、细化，减少铝基复合材料的组织缺陷，提高铝基复合材料的抗拉强度和屈服强度。
本发明创新的将传统的铸造方法与连续挤压技术相结合，通过传统的铸造方法制备出铝基复合材料坯料，再借助连续挤压技术，通过多方向压力使铝基复合材料坯料内部组织均匀、细化；这两种方法的结合可实现高效率、低成本、大批量、自动化的生产铝基复合材料线材，再将制备好的铝基复合材料线进行3D打印，即利用3D打印技术制备出具有高性能的铝基复合材料，可极大扩展铝基复合材料的应用空间；
传统挤压铸造的工艺流程为：
(1)设定挤压参数；
(2)检查装置是否正常；
(3)预热模具，涂脱模涂料；
(4)向模具内浇注金属液，进行挤压，制得挤压铸件；
(5)脱模，取出铸件。
本发明采用连续挤压的工艺，其工艺流程为：
(1)升温挤压阶段：以较低速度(4-10r/m)下运转升温，保证模具可以逐渐均匀地达到挤压所需的挤压温度，特别是挤压模腔的温度一定要达到挤压温度，进入稳定挤压阶段；
(2)稳定挤压阶段：保证设备放入挤压工艺参数保持稳定，保证连续挤压生成的正常进行。
本发明制备3D打印用的线材，若采用传统挤压工艺，无法制得长度较长且连续的线材；其次挤压技术需要对模具进行加热，每制备一个零件都需要刷涂料防止粘模；而采用连续挤压，首先无需加热，只需要预先添加部分原料进行预热即可；其次连续挤压可以连续的进行制备，无需脱模，可以连续高效的制备出长度符合要求的线材。
一种用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，具体步骤如下：
(1)将B4C、Ti和Al粉末进行高能球磨混粉得到混合粉，混合粉压制成型得到预制体；
(2)将纯铝加热熔融得到铝液，将预制体浸入铝液中，在机械搅拌和超声条件下反应20～60min，取出后冷却即得混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料；
(3)混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料加入到连续挤压设备中，进行连续挤压成型得到用于3D打印的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材。
所述步骤(1)中B4C、Ti和Al粉末的质量比为1:3:4～7。
所述步骤(2)铝液的温度为800～950℃。
所述步骤(2)机械搅拌的转速为150-250r/min，超声功率为2000～3000W，机械搅拌和超声结合以细化晶粒，使组织分布更为均匀；
所述步骤(3)连续挤压的挤压比为10～2:1；
所述步骤(3)连续挤压设备的转速为4～10r/min；
所述步骤(3)连续挤压设备的模具出口处温度为400～500℃；
所述步骤(3)连续挤压成型过程中，在距模具出口1-3m处对挤压成型的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材进行水冷。
本发明的有益效果是：
(1)为了降低原材料制备成本、拓展材料体系，本发明将具有低密度、高弹性模量、低膨胀系数、高强度、高刚度以及高耐蚀性等优良性能的铝基复合材料制成3D打印所用的线材原料；
(2)本发明用原位自生法制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料，再通过连续挤压成型，多方向压力使铝基复合材料坯料内部组织均匀、细化，减少铝基复合材料的组织缺陷，提高铝基复合材料的抗拉强度、屈服强度等；
(3)本发明方法可实现高效率、低成本、大批量、自动化生产3D打印用铝基复合材料线材的制备，该3D打印用铝基复合材料线材可通过3D打印生产出高性能的铝基复合材料产品，极大扩展了铝基复合材料的应用空间。
附图说明
图1为铝基复合材料线材微观结构示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，具体步骤如下：
(1)将粒度为10μm的B4C、Ti和Al粉末按照质量比为1:3:4的比例进行高能球磨混粉得到混合粉，混合粉压制成型得到直径10mm的预制棒体；其中高能球磨的转速为300r/min，时间为2h，球料比为10:1；
(2)将纯铝加热熔融得到铝液，铝液温度为900℃，将预制棒体浸入铝液中，在机械搅拌(搅拌速率为200r/min)和超声条件下反应30min，取出后冷却即得直径10mm的混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料；其中超声功率为2500W；机械搅拌和超声结合以细化晶粒，使组织分布更为均匀；
(3)混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料加入到连续挤压设备中，进行连续挤压成型得到直径为1mm的用于3D打印的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材；其中连续挤压设备的转速为5r/min，连续挤压设备的模具出口处温度为450℃，连续挤压成型过程中，在距模具出口2m处对挤压成型的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材进行水冷，即得到陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材；
本实施例制备的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度510Mpa，屈服强度461MPa，延伸率9.7％和基体材料相比，抗拉强度提高了6.25％,屈服强度提高了7.2％，延伸率提高了46.9％。
实施例2：一种用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，具体步骤如下：
(1)将粒度为20μm的B4C、Ti和Al粉末按照质量比为1:3:5的比例进行高能球磨混粉得到混合粉，混合粉压制成型得到直径20mm的预制棒体；其中高能球磨的转速为350r/min，时间为2h，球料比为10:1；
(2)将纯铝加热熔融得到铝液，铝液温度为850℃，将预制棒体浸入铝液中，在机械搅拌(搅拌速率为150r/min)和超声条件下反应60min，取出后冷却即得直径20mm的混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料；其中超声功率为2000W；机械搅拌和超声结合以细化晶粒，使组织分布更为均匀；
(3)混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料加入到连续挤压设备中，进行连续挤压成型得到直径为1mm的用于3D打印的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材；其中连续挤压设备的转速为4r/min，连续挤压设备的模具出口处温度为450℃，连续挤压成型过程中，在距模具出口2m处对挤压成型的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材进行水冷，即得到陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材；
本实施例制备的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度519Mpa、屈服强度480MPa，延伸率9.0％，和基体材料相比，抗拉强度提高了8.1％,屈服强度提高了10.4％，延伸率提高了36.3％。
实施例3：一种用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，具体步骤如下：
(1)将粒度为30μm的B4C、Ti和Al粉末按照质量比为1:3:6的比例进行高能球磨混粉得到混合粉，混合粉压制成型得到直径30mm的预制棒体；其中高能球磨的转速为400r/min，时间为1.5h，球料比为10:1；
(2)将纯铝加热熔融得到铝液，铝液温度为950℃，将预制棒体浸入铝液中，在机械搅拌(搅拌速率为200r/min)和超声条件下反应30min，取出后冷却即得直径30mm的混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料；其中超声功率为2500W；机械搅拌和超声结合以细化晶粒，使组织分布更为均匀；
(3)混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料加入到连续挤压设备中，进行连续挤压成型得到直径为1.5mm的用于3D打印的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材；其中连续挤压设备的转速为6r/min，连续挤压设备的模具出口处温度为450℃，连续挤压成型过程中，在距模具出口2m处对挤压成型的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材进行水冷，即得到陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材；
本实施例制备的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度525Mpa、屈服强度471MPa，延伸率8.5％，和基体材料相比，抗拉强度提高了9.3％,屈服强度提高了9.5％，延伸率提高了28.7％。
以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)将B4C、Ti和Al粉末进行高能球磨混粉得到混合粉，混合粉压制成型得到预制体；
(2)将纯铝加热熔融得到铝液，将预制体浸入铝液中，在机械搅拌和超声条件下反应20～60min，取出后冷却即得混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料；
(3)混合陶瓷颗粒增强铝基复合材料坯料加入到连续挤压设备中，进行连续挤压成型得到用于3D打印的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材。
2.根据权利要求1所述用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，其特征在于：步骤(1)中B4C、Ti和Al粉末的质量比为1:3:4～7。
3.根据权利要求1所述用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，其特征在于：步骤(2)铝液的温度为800～950℃。
4.根据权利要求1所述用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，其特征在于：步骤(2)机械搅拌的转速为150-250r/min，超声功率为2000～3000W。
5.根据权利要求1所述用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，其特征在于：步骤(3)连续挤压的挤压比为10～2:1。
6.根据权利要求1所述用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，其特征在于：步骤(3)连续挤压设备的转速为4～10r/min。
7.根据权利要求1所述用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，其特征在于：步骤(3)连续挤压设备的模具出口处温度为400～500℃。
8.根据权利要求1所述用于3D打印的铝基复合材料线材的制备方法，其特征在于：步骤(3)连续挤压成型过程中，在距模具出口1-3m处对挤压成型的陶瓷颗粒增强铝基复合材料线材进行水冷。
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| GR01 | Patent grant | ||
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