一种多层壳芯复合结构零件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多层壳芯复合结构零件的制备方法，包括下列步骤：（１）分别配制芯层、过渡层和壳层的注射成形用喂料；芯层和壳层喂料中的粉末选自金属粉末、陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末中的一种或多种的混合物，且两者不相同，过渡层喂料中的粉末为梯度复合材料粉末；（２）采用粉末注射成形方法分别逐层制作多层壳芯复合结构零件的生坯；（３）对生坯进行脱脂处理；（４）对生坯进行烧结，获得所述多层壳芯复合结构零件。本发明专利技术通过采用粉末注射成形方法，制备获得了多层壳芯复合结构的零件，零件表面硬度高、耐磨，壳层厚度均匀，性能稳定持久，壳层和芯层经过渡层结合，结合力强，整体抗弯强度好，冲击韧性好，不易开裂。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多层壳芯结构零件的制备，尤其涉及球状、半球状、半球壳状、柱状、筒状或异形状的多层壳芯复合结构零件的制备。
技术介绍
球状、半球状、半球壳状、柱状或筒状零件以及其它异形状零件，被广泛应用于多种领域，其中，在很多应用场合要求零件一方面具有良好的耐磨、耐蚀、耐热性能及极高的尺寸配合精度和光洁度，另一方面具有高强韧性、高力学承载能力和可加工性。常见的这类零件包括，如，球状的人工股骨头、半球壳状人工髋臼、柱状的柱塞、筒状的球阀体和异形状的股骨髁假体等。陶瓷材料具有表面硬度高、耐磨和耐腐蚀等特点，但是其抗弯强度和冲击韧性低，力学承载能力差，使用过程中容易发生脆性开裂，因而独立应用于制作上述零件时受到限制。现有技术中，有多种复合增韧陶瓷，可以提高陶瓷的冲击韧性，但在增韧的同时，陶瓷的其它性能却受到影响，例如，添加ZrO2的氧化铝陶瓷，其表面硬度和抗压强度会发生下降；添加晶须、纤维的陶瓷，会引起密度的下降和耐磨性能下降等。为解决上述问题，现有技术中，有采用各种物理或化学方法在金属表面形成陶瓷薄膜，以增强零件表面的耐磨、耐蚀和耐热性能的报道，由此，使这类零件形成了壳层为陶瓷，芯层为金属的壳芯结构。壳芯结构的零件芯层为金属，具有较好的抗弯强度、很高的冲击韧性和机加工性能，使用中不易开裂；壳层为陶瓷，表面硬度高，具有良好的耐磨、耐蚀和耐热性能，从而兼具金属和陶瓷的优点。然而，这些报道中的陶瓷薄膜层常采用物理沉积或化学沉积等方法制备，其厚度仅为几个至几十个微米，存在壳层过薄，且壳层与芯层的结合强度低，力学承载能力差和耐磨、耐蚀的持久性和稳定性差等缺陷。为增加陶瓷壳层的厚度，增强壳层与芯层之间的结合强度，现有方法一是采用陶瓷、金属粉末及它们不同配比的混合粉末与有机载体等混合形成一定固含量的浆料，经流延、叠层和冷压成形得到壳层-过渡层-芯层的多层壳芯复合结构零件生坯，然后将其进行烧结获得多层壳芯复合结构零件。现有方法二是采用陶瓷、金属粉末及它们不同配比的混合粉末经多次干粉冷压成形得到壳层-过渡层-芯层的多层壳芯复合结构零件生坯，然后将其进行烧结获得多层壳芯复合结构零件。现有方法三是采用陶瓷、金属粉末及它们不同配比的混合粉末与去离子水等溶剂混合形成一定固含量的悬浮液，经多次分步静电沉积成形得到壳层-过渡层-芯层的多层壳芯复合结构零件生坯，然后将其进行烧结获得多层壳芯复合结构零件。然而，上述各种成形技术或不能用于制作异形状多层壳芯复合结构零件，或不能获得层厚大和层厚均匀的多层壳芯复合结构零件，或不能对各层厚度和多层壳芯复合结构零件的组织、性能进行精确控制，而难以应用于本专利技术所涉及的多层壳芯复合结构零件的制作，即，应用现有技术，具有表面硬度高，耐磨、耐蚀和耐热性能良好，壳层与芯层的结合强度高，力学承载能力好，冲击韧性高，性能持久-->性和稳定性高等优点的多层壳芯复合结构零件是难以获得的。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种多层壳芯复合结构零件的制备方法，实现多层壳芯复合结构的球状、半球状、柱状、筒状、半球壳状及其它异形状精密零件的制备，提高壳层和芯层间的结合强度，以及提高壳层的耐磨、耐蚀及耐热性能，芯层的强韧及抗断裂性能。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多层壳芯复合结构零件的制备方法，包括下列步骤：(1)分别配制芯层、过渡层和壳层的注射成形用喂料，所述喂料由粉末与粘结剂和添加剂混炼制成，所述添加剂包括表面活性剂和增塑剂；芯层喂料中的粉末选自金属粉末、陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末中的一种或多种的混合物，壳层喂料中的粉末选自金属粉末、陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末中的一种或多种的混合物，芯层喂料中的粉末和壳层喂料中的粉末不相同，过渡层喂料中的粉末为梯度复合材料粉末；(2)采用粉末注射成形方法分别用步骤(1)中配制的三种喂料制作包括芯层、过渡层、壳层的多层壳芯结构零件的生坯；(3)对步骤(2)获得的生坯进行脱脂处理；(4)根据壳层、芯层和过渡层使用的材料特性，对步骤(3)中处理过的生坯进行烧结，获得所述多层壳芯复合结构零件。上述技术方案中，所述过渡层的材料根据壳层与芯层的膨胀系数差异和两者间不良化学反应的程度进行选择，其作用是，减少壳层和芯层由于膨胀系数不同而导致的层间界面应力失配、层间结合力下降甚至开裂等情况的发生，避免壳层材料和芯层材料间直接接触后在一定条件下(例如高温烧结时)发生化学反应。本领域技术人员根据上述作用要求能够选择合适的过渡层材料。过渡层的厚度通常可以在0.1毫米～20毫米之间。添加剂中根据需要可以含有表面活性剂和增塑剂。步骤(2)中获得零件生坯后，可以对生坯进行适当的整形，以保证产品的质量；在烧结后，还可以对零件进行微量加工和表面抛光，例如，采用SiC超细粉和金刚石研磨膏对陶瓷表面进行微量加工和表面抛光研磨，得到具有一定表面光洁度和尺寸配合良好的多层壳芯复合结构零件。所述的粘结剂包括：热塑性粘结剂、热固性粘结剂、胶化粘结剂和聚合物粘结剂。步骤(3)的脱脂工艺包括：催化脱脂、加热脱脂、溶解萃取脱脂、超临界流体萃取脱脂或虹吸脱脂；步骤(4)的烧结工艺包括：在空气、氮气、氩气、真空或氢气等还原性或惰性气氛中进行的高温常压烧结、真空烧结、气氛保护烧结、热压烧结或热等静压烧结。本专利技术中的粉末注射成形技术可以有两种不同的工艺方法。包括，步骤(2)中，所述粉末注射成形方法为，采用多套模具在普通粉末注射机上分别多次逐层注射成形壳层-过渡层-芯层复合结构零件的生坯。或者，步骤(2)中，所述粉末注射成形方法为，采用一套模具，在多材料粉末共注射专用机上通过滑块驱动的注射机构一次共注射成形壳层-过渡层-芯层复合结构零件的生坯。其中的过渡层可以是一层，也可以是多层结构，制备多层结构的过渡层时，分-->别配制过渡层中各层的喂料，并分别逐层注射成形。上述技术方案中，所述陶瓷粉末选自氧化铝、氧化锆、碳化钛、碳化铬、碳化硅、碳化硼、碳化锆、碳化钽、碳化钨、氮化钛、氮化铬、氮化硼、氮化硅、氮化锆和氮化钽粉末中的一种或多种混合物；所述金属粉末选自铌、锆、钛、钼、钽、钴、铬、钒、铝、铁粉末中的一种或其中至少两种的混合物。通常，芯层选用金属粉末制备，壳层选用陶瓷粉末制备；但根据情况，也可以壳层选用陶瓷粉末制备，芯层选用另一种陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末制备；或者，壳层用金属粉末制备，芯层用陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末制备。过渡层则用于保证壳层和芯层间的良好结合。上述技术方案中，所述的增韧陶瓷包括由上述陶瓷、金属所组成的金属基、陶瓷基金属陶瓷，以及氧化锆、晶须或纤维增韧陶瓷。它们包括：(1)金属陶瓷。(a)氧化物基金属陶瓷。以氧化铝、氧化锆为基体与金属铌、钛、锆、钼、钽、钴、铬、钒、铝、铁复合而成。(b)碳化物基金属陶瓷。以碳化钛、碳化铬、碳化硅、碳化硼、碳化锆、碳化钽、碳化钨等为基体与金属铌、钛、锆、钼、钽、钴、铬、钒、铝、铁复合而成的金属陶瓷。(c)氮化物基金属陶瓷。以氮化钛、氮化铬、氮化硼、氮化硅、氮化锆和氮化钽为基体与金属铌、钛、锆、钼、钽、钴、铬、钒、铝、铁复合而成的金属陶瓷。(d)金属基金属陶瓷。以金属铌、钛、锆、钼、钽、钴、铬、钒、铝、铁为基体与氧化物或非氧化物细粉复合而成的金属陶瓷。(2)ZrO2增韧陶瓷，包括：MgO、CeO2或Y2O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层壳芯复合结构零件的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：（１）分别配制芯层、过渡层和壳层的注射成形用喂料，所述喂料由粉末与粘结剂和添加剂混炼制成，所述添加剂包括表面活性剂和增塑剂；芯层喂料中的粉末选自金属粉末、陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末中的一种或多种的混合物，壳层喂料中的粉末选自金属粉末、陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末中的一种或多种的混合物，芯层喂料中的粉末和壳层喂料中的粉末不相同，过渡层喂料中的粉末为梯度复合材料粉末，所述梯度复合材料粉末由壳层喂料中的粉末与芯层喂料中的粉末混合而成；（２）采用粉末注射成形方法分别用步骤（１）中配制的三种喂料制作包括芯层、过渡层、壳层的多层壳芯结构零件的生坯；（３）对步骤（２）获得的生坯进行脱脂处理；（４）根据壳层、芯层和过渡层使用的材料特性，对步骤（３）中处理过的生坯进行烧结，获得所述多层壳芯复合结构零件。

【技术特征摘要】
1.一种多层壳芯复合结构零件的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)分别配制芯层、过渡层和壳层的注射成形用喂料，所述喂料由粉末与粘结剂和添加剂混炼制成，所述添加剂包括表面活性剂和增塑剂；芯层喂料中的粉末选自金属粉末、陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末中的一种或多种的混合物，壳层喂料中的粉末选自金属粉末、陶瓷粉末或增韧陶瓷粉末中的一种或多种的混合物，芯层喂料中的粉末和壳层喂料中的粉末不相同，过渡层喂料中的粉末为梯度复合材料粉末，所述梯度复合材料粉末由壳层喂料中的粉末与芯层喂料中的粉末混合而成；(2)采用粉末注射成形方法分别用步骤(1)中配制的三种喂料制作包括芯层、过渡层、壳层的多层壳芯结构零件的生坯；(3)对步骤(2)获得的生坯进行脱脂处理；(4)根据壳层、芯层和过渡层使用的材料特性，对步骤(3)中处理过的生坯进行烧结，获得所述多层壳芯复合结构零件。2.根据权利要求1所述的多层壳芯复合结构零件的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述粉末注射成形方法为，采用多套模具在普通粉末注射机上分别多次逐层注射成形壳层-过渡层-芯层复合结构零件的生坯。3.根据权利要求1所述的多层壳芯复合结构零件的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述粉末注射成形方法为，采用一套模具，在多材料粉末共注射专用机上通过滑块驱动的注射机构...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚东，李亚军，
申请(专利权)人：李亚东，李亚军，
类型：发明
国别省市：32