金属基复合材料3D冷打印技术

供稿|张欣悦，郭志猛，杨薇薇，柏鉴玲，叶 青，张 超，朱国锋，刘 娜，王靖元

金属基复合材料3D冷打印技术

供稿|张欣悦，郭志猛*，杨薇薇，柏鉴玲，叶 青，张 超，朱国锋，刘 娜，王靖元

内容导读

3D冷打印技术是一种在室温或低温(＜100℃)条件下打印金属零件的新型3D打印技术。3D冷打印技术突破了传统制造工艺在外形上的限制和普通金属3D打印技术在原材料选择上的局限，可高效率、一体化地生产形状十分复杂的金属零部件。3D冷打印技术以低黏度的金属料浆为打印原料，通过打印机喷头将金属料浆喷射到打印平台上，同时以不同的加热方式引发金属料浆中有机体的聚合反应形成三维网状结构，将金属粉体固定，使金属料浆迅速固化，实现金属零件的逐层打印。文章重点介绍利用该核心技术——3D冷打印技术制造GT35钢结硬质合金封闭式叶轮和YG8硬质合金角度铣刀的过程，并提出通过3D冷打印技术一体化成型结构混杂复合材料的设计理念——借鉴多喷头彩色打印的原理，以多个喷头交替喷射不同成分和含量的金属料浆，即可同步打印结构混杂复合材料，使得交替贴合、单面贴层、双面贴层以及表面嵌条等结构混杂类型中一种或多种组合构成的复合材料能够一体化成型。

3D冷打印技术

技术原理

3D冷打印技术是一种可打印成型金属零件的新型3D打印技术。它以低黏度、高固相含量的金属料浆作为打印时的“墨水”，通过打印机喷头将金属料浆喷射到打印平台上，同时以化学引发、热引发等方式引发料浆中有机单体的聚合反应，形成三维网状结构将金属粉体原位包覆固定[1-4]，使金属料浆迅速固化，实现金属零件坯体的逐层打印[5-6]。坯体经干燥、脱脂和烧结得到致密金属零件。整个打印过程在室温或低温(＜100℃)条件下进行，因此被称为“冷成型”。3D冷打印技术的原理如图1所示，其中：(a) 图为利用两个喷头交替作用使金属料浆和化学引发剂混合，引发料浆原位固化；(b)图为通过热源使金属料浆固化。

技术特点

3D冷打印技术建立在料浆浇注技术和增材制造理论的基础之上，通过控制金属料浆逐层固化、堆叠，来成型金属零件坯体，其主要工艺特点如下：

1) 原材料范围广。3D冷打印技术对原料粉末要求低，大部分金属粉末和陶瓷粉末都已开发出了较为成熟的料浆体系，配制的料浆性能满足3D冷打印技术要求。并且可较为方便地在料浆中添加所需组元粉末，利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种复合材料和特殊性能材料。

图 1 3D冷打印技术原理示意图：(a) 化学引发；(b) 热引发

2) 卓越的成型能力。3D冷打印技术能一体化成型具有任意复杂空间结构的金属零件坯体，坯体经干燥、脱脂和烧结制得致密的金属零件。

3) 产品精度高。3D冷打印设备打印精度可达到0.1mm，打印成型的零件坯体尺寸精度和表面精度高。

4) 设备造价低。冷打印过程中不使用高能束加热熔融金属粉末，因此无需高能束加热融化系统和配套的高纯惰性气氛或高真空保护装置，设备造价大幅度降低。

5) 生产效率高。通过对引发作用的调节，可以实现料浆即时固化，生产周期短。技术的主要部分仅为成型和烧结，工序简单，无需繁杂的后续处理，易集成化，技术成熟后投入工业化生产可能性高。

3D冷打印技术以低黏度、高固相含量的金属料浆为打印原料，打印成型的零件坯体成分均匀、密度高、尺寸精度和表面精度高；在干燥、脱脂和烧结过程中，坯体收缩均匀，烧成密度高，不易出现开裂、翘曲和变形等缺陷，产品性能良好。3D冷打印技术突破了传统制造工艺在外形上的限制和普通金属3D打印技术在原材料选择上的局限，可高效率、一体化地生产形状十分复杂的金属零部件。

3D冷打印金属基复合材料

金属基复合材料(metal matrix composites，简称MMC)是以金属或合金为基体，以不同材料的颗粒或纤维作为强化相的一种复合材料[7]。大多数金属基复合材料都有一个共同点，即增强相分布相对均匀。但也有一些增强相特殊分布的金属基复合材料，如原料混杂复合材料和结构混杂复合材料[8]。本文通过3D冷打印技术制造了GT35钢结硬质合金封闭式叶轮和YG8硬质合金角度铣刀，并提出采用3D冷打印技术同步打印结构混杂复合材料设想。

GT35钢结硬质合金封闭式叶轮

通过AutoCAD软件建立如图2所示封闭式叶轮三维模型，将封闭式叶轮模型三维线性尺寸按118%(烧结收缩比18%)放大，叶轮模型经分层切片处理后，将数据传输到3D冷打印设备中。

图 2 封闭式叶轮三维模型

将有机单体丙烯酰胺(AM)、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)以适当浓度溶解于去离子水中，制成有机单体AM质量分数为20%的预混液；向预混液中加入分散剂氨水后与适量的GT35钢结硬质合金粉末混合搅拌，在N2气氛下球磨12 h，制得固相含量(体积分数)为57%的悬浮料浆，并对料浆进行脱气处理。

将GT35钢结硬质合金料浆输送到3D冷打印设备中，打印机主喷头按截面形状将料浆连续定量地喷射到打印平台上，同时控制辅助喷头喷射一定量的催化剂N,N,N′,N′-四甲基乙二胺和引发剂过硫酸铵混合液体。喷射到打印平台上的金属料浆在20 s内完全固化，如此层层堆叠，直至完全成型整个封闭式叶轮坯体。打印层厚为0.1 mm，打印速度为70 mm/s。以相同的GT35钢结硬质合金料浆和打印参数，打印出力学性能试样坯体。

GT35钢结硬质合金封闭式叶轮坯体和力学性能试样坯体于120℃真空干燥2 h。随后在真空炉中400℃保温2 h脱脂，并在800、1000和1100℃各保温1 h排气，最终升至烧结温度1420℃保温1 h。测试烧结态GT35钢结硬质合金力学性能试样的密度、硬度和断裂强度等性能。

图3为通过3D冷打印技术制造的GT35钢结硬质合金封闭式叶轮。3D冷打印成型时打印层厚为0.1mm，因此封闭式叶轮坯体的尺寸精度和表面精度较高。烧结过程中坯体收缩均匀，整个封闭式叶轮除叶片连接处有稍许不平整外，其余部分表面光滑，形状、尺寸和结构均满足设计的目的及要求。

烧结态GT35钢结硬质合金性能如表1所示，表中一同列出了传统粉末冶金工艺制造的GT35钢结硬质合金性能。对比可知3D冷打印成型的GT35钢结硬质合金力学性能与粉末冶金制品性能相近。

图 3 GT35钢结硬质合金封闭式叶轮

表 1 烧结态GT35钢结硬质合金性能

YG8硬质合金角度铣刀

使用ProE Wildfi re 5.0建立如图4所示硬质合金角度铣刀三维模型，将角度铣刀模型三维线性尺寸按120%(烧结收缩比20%)放大，角度铣刀模型经分层切片处理后，将数据传输到3D冷打印设备中。

图 4 角度铣刀三维模型

将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)按体积比1∶1的比例混合，加入质量分数为0.05%的交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺和0.03%的催化剂二甲基苯胺，充分溶解混合均匀，制得有机单体(HEMA)体积分数为50%的预混液。在其中加入适量YG8硬质合金粉末搅拌均匀，为控制其黏度低于1 Pa·s，使用超分散剂Solsperse-6000分散料浆中的YG8粉末，降低料浆黏度，提高其流动性[10]，随后在N2气氛下球磨10 h获得固相含量(体积分数)为58%的YG8硬质合金悬浮料浆，并进行真空脱气处理。

通过3D冷打印设备打印成型YG8硬质合金角度铣刀坯体，打印层厚为0.2 mm，打印速度为90 mm/s。打印过程中整个打印室温度为60℃，使料浆固化反应在30 s内充分进行。以相同的YG8硬质合金料浆和打印参数，打印出力学性能试样坯体。

将角度铣刀坯体和力学性能试样坯体放置于真空干燥箱中，在80℃真空干燥6 h。随后在真空环境中400℃保温2 h进行脱脂处理，脱脂后的坯体升温至1400℃保温1 h烧结。对力学性能试样进行相关测试，检测烧结态YG8硬质合金性能。

图5是经过烧结处理的YG8硬质合金角度铣刀。烧结成品收缩均匀，尺寸精度高，棱角分明，无明显缺陷。

表2为本实验制得的YG8硬质合金性能，可见其性能与传统压制烧结工艺制品的性能接近。

图 5 3D冷打印YG8硬质合金角度铣刀

结构混杂复合材料

混杂是获得高性能复合材料有效而且经济的方法，因为混杂可以兼顾两种或多种复合材料的特点，使之起到相互弥补的作用，从而扩大材料设计的自由度。通过在金属料浆中添加不同种类的增强相，可以很容易地实现原材料的混杂；而借鉴多喷头彩色打印的原理，以多个喷头交替喷射不同成分和含量的金属料浆，能够同步打印结构混杂复合材料。

同理，3D冷打印技术还能够一体化成型交替贴合、单面贴层、双面贴层和表面嵌条等结构混杂类型中一种或多种组合构成的复合材料，如图6所示。

表 2 3D冷打印YG8合金性能与传统工艺性能比较

图 6 结构混杂复合材料：(a) 交替贴合；(b) 单面贴层；(c) 双面贴层；(d) 表面嵌条

结束语

本文采用3D冷打印技术制造的GT35钢结硬质合金封闭式叶轮和YG8硬质合金角度铣刀，其形状、尺寸、结构均满足设计目的及要求，性能与粉末冶金同类制品相近。烧结态GT35钢结硬质合金密度为6.22g/cm3，硬度值HRC67，断裂强度为1410MPa；YG8硬质合金密度为14.71g/cm3，硬度达到HRA91，断裂强度为2380MPa。

通过控制冷打印设备多个喷头同步组合打印不同的金属料浆，3D冷打印技术为宏观结构混杂复合材料的一体化制造提供了一种高可行性、高效率、低成本的工艺手段。

3D冷打印技术将低黏度、高固相含量的金属料浆作为打印原料，适用于全部颗粒增强和短纤维增强的金属基复合材料，产品外形无限制，使更多金属基复合材料异形件的批量生产成为现实。

北京科技大学的3D冷打印技术可应用原材料范围广、成型能力强、产品精度高，并且设备造价低、生产效率高、系统易集成、投入工业化生产可能性高。经北京国际高技术中心评估，认为该技术经熟化后具备极大的投资 价值，已经具备商业开发条件。联系人：王靖元，项目经理，北京国际高技术中心，联系电话：18610010155。

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[6] 杨继全, 戴宁, 侯丽雅. 三维打印设计与制造. 北京: 科学出版社, 2013：1-20.

[7] 王玲, 赵浩峰. 金属基复合材料及其浸渗制备的理论与实践. 北京:冶金工业出版社，2005：51-53.

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Metal Matrix Composite 3D Cold Printing Technology

/ ZHANG Xin-yue, GUO Zhi-

meng*, YANG Wei-wei, BAI Jian-ling, YE Qing, ZHANG Chao, ZHU Guo-feng, LIU Na, WANG Jing-yuan

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.03.23

北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083