专利名称：多材料微小制件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种多材料微小制件的制造方法。
背景技术：
高性能多材料微小制件以其独特的物理、力学性质在各种航空航天器中的微小结构、微型飞行器特殊部件、空间动力系统的载重部件以及核工业等领域具有广泛的应用前景和潜在市场。传统的金属多材料制件的制备方法主要有气相沉积法、涂镀法、激光熔敷法、粉末冶金法、自蔓延高温燃烧合成法等，但由于工艺的局限，均不能从设计的原型直接制备多材料制件，例如自蔓延高温燃烧合成法等需要模具，材料成分单一，不能成形如具有复杂内流道的微小金属多材料涡轮等复杂件。另外，由于另一些技术涉及到大功率的激光设备，加工成本昂贵，工序复杂。因此人们不断地探索多材料微小制件设计制造一体化的方法，实现多材料微小制件低成本，高效率制造。
均匀液滴喷射技术(UDS)是由美国麻省理工学院Droplet based Manufacture(DBM)实验室提出的一种新的金属快速原型制造方法，基本原理是使用机械扰动将层流毛细金属射流离散为均匀的金属熔滴，同时对产生的熔滴进行有选择充电，然后使用高压静电场精确定位金属熔滴，层层堆积成欲成形的制件。该方法能直接沉积金属，为金属零件以及金属基多材料件制备的快速制备提供了一条思路。但均匀液滴喷射沉积只能沉积铝、锌、铜一类熔点不是很高的金属，所以采用不同材料的均匀熔滴联合沉积制取多材料微小制件的方法只能用于制备有限的低熔点的金属多材料微小制件。
文献“W.B.Cao，S.Kirihara，Y.Miyamoto，K.Matsuura，M.Kudoh.evelopment of freeformfabrication method for Ti-Al-Ni intermetallics.Intermetallics 10 2002879-885.”介绍了一种将均匀金属熔滴喷射与熔滴/粉末高温自蔓延合成(SHS)技术结合的高温金属间化合物快速制备方法。其将铝熔滴，准确地沉积在铺有均匀钛粉体的基板上，利用均匀铝液滴沉积到预热300度的金属粉体中发生高温自蔓延合成(SHS)反应生铝-钛金属间化合物，然后进行再次的铺粉和沉积，经多次的铺粉和沉积制取铝-钛金属间化合物材料。此技术能够根据设计快速沉积金属间化合物材料，其熔点比钛金属更高。但其没有沉积制件，并且由于基板上的粉体材料不能在成形过程中按要求改变，无法成型多种复杂材料成分和分布的多材料微小制件。
发明内容
为了克服现有技术无法成型多种复杂材料成分的多材料微小制件的不足，本发明提供一种多材料微小制件的制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种多材料微小制件的制造方法，其特征在于包括下述步骤1)将金属材料装入坩埚密封并熔融待用，将多材料粉体分别装入粉末供给装置的容器中，调试粉末供给装置，使粉末喷嘴处充满粉末，整个制备过程在真空腔中进行；2)密封真空腔，启动喷射环境测控系统进行腔内气体除氧，经过2～4小时的除氧处理，将真空腔内的氧含量降低到10PPM以下；3)启动射流喷射控制系统，使坩埚喷射压力维持在40KPa，保证射流稳定，加上充电电压以及偏转电压，通过高速CCD摄像机观测熔滴流的形态，调整激振信号得到均匀熔滴流，使均匀金属熔滴流按照设计进行偏转沉积；4)启动熔滴/粉末联合沉积控制系统，控制喷嘴将粉末喷射到熔滴堆积过程形成的“熔池”中，同时依靠熔滴堆积产生的热量以及熔融的金属液体的表面张力与金属熔滴进行互溶或者将粉末直接嵌入熔融状态的金属中；5)在需要进行支撑的地方采用受热气化的粉末与金属熔滴进行联合喷射，形成泡沫状的金属支撑结构，成形完成以后，在无氧环境下将制件冷却，泡沫状的金属支撑结构由机械的方法去除，即得到多材料微小制件。
本发明的有益效果是，由于采用了喷射环境测控系统、射流喷射控制系统、熔滴/粉末联合沉积控制系统同时控制熔滴和至少两种不同的粉末，可成形具有复杂材料分布或材料成份的多材料微小制件的集成制造。该方法工序简单，无昂贵设备，可突破现阶段金属多材料微小制件制造成本的瓶颈，实现多材料微小制件的低成本、高效率的制备。
图1是本发明多材料微小制件的制造方法所用装置结构示意图。
图中，1.激振源 2.坩埚 3.电阻丝 4.射流 5.充电电极 6.偏转电极 7.粉末存储容器 8.粉末喷头 9.制件 10.三维基板 11.循环冷却水 12.回收槽 13.高速CCD摄像机14.熔滴/粉末联合沉积控制系统 15.喷射环境测控系统 16.射流喷射控制系统 17.真空腔。
具体实施例方式
实施例1参考图1，成形具有耐磨和抗疲劳裂纹扩散的Al-Li-Si多材料运动承载微小部件。制件为1×1×1cm正方体，局部为耐磨部分，由于高硅铝合金具有优良的耐磨性和耐腐蚀性能材料，材料选为Al-18Si合金；然后材料逐渐过渡到另外部分的Al-3.8Li合金，Al-3.8Li合金为低密度高锂合金，不仅极大地减轻了部件重量，而且具有很好的抗疲劳裂纹扩散能力，可以用作循环承载部件；首先根据制件的形状和材料的分布建立制件的数字化模型，根据模型生成快速沉积系统的离散文件，结合熔滴沉积系统，生成三维基板运动轨迹数据文件；同时根据材料的类型以及分布状态制定粉末供给和熔滴充电偏转沉积的数据文件。将铝锭放入坩埚2中，将硅粉和锂粉放入粉末供给装置的粉末存储容器7中，调试粉末供给装置，使粉末喷嘴处充满粉末；启动喷射环境测控系统15，密封真空腔17，进行气体除氧，直至氧含量降低为10PPM以下；密封坩埚2，给电阻丝3通电，加热坩埚2到650度，并保持该温度不变；对坩埚施加40KPa的气压，建立射流4，然后在由激振1产生3KHz的正弦扰动，通过高速CCD摄像机13观测熔滴流的形态，调整正弦信号的频率，直到产生的均匀熔滴流；对充电电极5加上充电电压，对偏转电极6加上偏转电压，射流喷射控制系统16启动熔滴/粉末联合沉积控制系统14，按照设计将欲沉积的铝熔滴偏转到三维基板10上，多余铝熔滴进入回收槽12；控制喷嘴将粉末喷射到熔滴堆积过程形成的“熔池”中，同时依靠熔滴堆积产生的热量以及熔融的金属液体的表面张力与金属熔滴进行互溶或者将粉末直接嵌入熔融状态的金属中；同时经粉末的喷头8将欲沉积的硅粉喷射到熔滴沉积点，通过控制粉末喷射的速率控制送粉量，实现铝硅的结合，得到Al-18Si合金；联合沉积过程按照三维基板10运动轨迹数据文件、粉末供给和熔滴充电偏转沉积的数据文件进行。逐渐控制粉末的量控制材料中硅含量梯度变化，到铝锂合金部分时粉末供给装置更换粉末材料为锂粉，同样重复上述过程，得到Al-3.8Li合金。在需要进行支撑的地方采用受热气化的粉末与金属熔滴进行联合喷射，形成泡沫状的金属支撑结构，成形完成以后，泡沫状的金属支撑结构由机械的方法去除，即得到多材料微型制件。在多材料沉积过程中，利用基板上的循环冷却水11和喷射粉末的气流进行双重冷却，可确保合金成分无偏析。完成件的沉积，在无氧环境下将制件冷却，得到具有部分耐磨、部分抗疲劳裂纹扩散的Al-Li-Si多材料微小制件9。
实施例2参照图1，成形材料梯度变化的Al-Cu/SiC颗粒增强金属基多材料微小制件。由于SiC体积分数不同的Al-Cu合金具有不同的力学性能，如随着SiC的体积分数的上升，Al-Cu合金的弹性模量E直线上升，而伸长率δ单调下降，控制SiC颗粒的体积分数变化可以制成材料性能按要求变化的多材料微小制件。制件为1×1×1cm正方体，首先根据制件的形状和材料的分布建立制件的数字化模型，根据模型生成快速沉积系统的离散文件，结合熔滴沉积系统，生成三维基板运动轨迹数据文件；同时根据材料的类型以及分布状态制定粉末供给和熔滴充电偏转沉积的数据文件。将含铜量为5％的铝铜合金放入坩埚2中，将SiC粉放入粉末供给装置的粉末存储容器7中；启动喷射环境测控系统15，密封真空腔17，进行气体除氧，直至氧含量降低为10PPM以下；密封坩埚，加热坩埚到900度，并保持该温度不变；对坩埚施加50KPa的气压，建立射流，然后在由激振1产生3KHz的正弦扰动，通过高速CCD摄像机13观测熔滴流的形态，调整正弦信号的频率，直到产生的均匀熔滴流；加上充电电压以及偏转电压，按照设计将欲沉积的铝熔滴偏转到三维基板10上，同时经粉末的喷头8将欲沉积的SiC粉以一定的初速度喷射到熔滴沉积点，通过控制粉末喷射的速率控制送粉量，实现增强相的注入，得到AL-Cu/SiC颗粒增强金属材料；联合沉积过程按照三维基板10运动轨迹数据文件、粉末供给和熔滴充电偏转沉积的数据文件进行。逐渐控制粉末的量控制材料中SiC含量梯度变化，得到SiC体积分数不同的Al-Cu/SiC颗粒增强金属基多材料微小制件，利用基板上的循环冷却水和喷射粉末的气流进行双重冷却，可确保合金熔滴的及时冷却。完成件的沉积，在无氧环境下将制件冷却，得到材料梯度变化的Al-Cu/SiC颗粒增强金属基多材料微小制件。
根据需要粉末存储容器7中可存储两种以上的金属或者非金属粉末。
权利要求
1.一种多材料微小制件的制造方法，其特征在于包括下述步骤1)将金属材料装入坩埚密封并熔融待用，将多材料粉体分别装入粉末供给装置的容器中，调试粉末供给装置，使粉末喷嘴处充满粉末，整个制备过程在真空腔中进行；2)密封真空腔，启动喷射环境测控系统进行腔内气体除氧，经过2～4小时的除氧处理，将真空腔内的氧含量降低到10PPM以下；3)启动射流喷射控制系统，使坩埚喷射压力维持在40KPa，保证射流稳定，加上充电电压以及偏转电压，通过高速CCD摄像机观测熔滴流的形态，调整激振信号得到均匀熔滴流，使均匀金属熔滴流按照设计进行偏转沉积；4)启动熔滴/粉末联合沉积控制系统，控制喷嘴将粉末喷射到熔滴堆积过程形成的“熔池”中，同时依靠熔滴堆积产生的热量以及熔融的金属液体的表面张力与金属熔滴进行互溶或者将粉末直接嵌入熔融状态的金属中；5)在需要进行支撑的地方采用受热气化的粉末与金属熔滴进行联合喷射，形成泡沫状的金属支撑结构，成形完成以后，在无氧环境下将制件冷却，泡沫状的金属支撑结构由机械的方法去除，即得到多材料微小制件。
全文摘要
本发明公开了一种多材料微小制件的制造方法，包括下述步骤将金属基材料装入坩埚密封并熔融待用，将多材料粉体分别装入粉末供给装置的容器中，密封真空腔，启动喷射环境测控系统、射流喷射控制系统、熔滴/粉末联合沉积控制系统，使坩埚喷射压力维持在40KPa，加充电电压以及偏转电压，使均匀金属熔滴流按照设计进行偏转沉积；控制喷嘴将粉末喷射到熔滴堆积过程形成的“熔池”中，同时依靠熔滴堆积产生的热量以及熔融的金属液体的表面张力与金属熔滴进行互溶或者将粉末直接嵌入熔融状态的金属中；在无氧环境下冷却制件。由于采用了多个控制系统同时控制熔滴和至少两种不同的粉末，可成形具有复杂材料分布或材料成份的多材料微小制件的低成本制造。
文档编号C23C4/00GK1944713SQ20061010468
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月8日 优先权日2006年10月8日
发明者齐乐华, 罗俊, 杨方, 黄华, 蒋小珊 申请人:西北工业大学