一种基于激光诱导石墨烯的增材制造方法

摘要

本发明提出一种基于激光诱导石墨烯的增材制造方法，包括如下步骤：(1)增材制造、(2)胶水涂覆、(3)胶水干燥、(4)激光诱导石墨烯以及(5)石墨烯浓度检测五个主要步骤，循环执行步骤(1)～(5)可以实现石墨烯纳米复合材料的多层增材制造或者零部件的直接成型，本发明在提高石墨烯在金属基体中的掺杂质量和效率的同时，能够简化增材制造石墨烯纳米复合材料的制备流程，提高生产效率，有效提高材料的力学性能。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造的技术领域，尤其涉及一种基于激光诱导石墨烯的增材制造方法。

背景技术

增材制造技术是区别于传统的减材制造技术堆积制造技术，基于离散-堆积原理的增材制造技术能够实现构型复杂零件的直接成型零件以及受损零件的再制造。伴随着激光增材技术飞速发展的同时，增材制造的材料也随着直接成型零部件以及再制造修复的性能要求不断拓展。其中，2D纳米金属复合材料兼具优异的强度和塑性，能够较好的满足金属结构材料使用要求，在增材领域中展现出广阔的应用前景。

目前，2D纳米金属复合材料中掺杂的2D改性剂通常为石墨烯。而在增材制造领域中实现2D石墨烯纳米复合材料制备的方式主要为真空球磨或者湿化学混合。真空球磨的方式主要是通过将石墨烯粉末与金属基体粉末通过真空球磨的方式实现石墨烯与金属粉末的初步粘结，随后利用粘结后的复合粉末执行增材制造过程。然而，通过真空球磨制备复合粉末的耗时较长，球磨时间难以精确把控。2D石墨烯较大的比表面积往往使其在球磨过程中团聚在一起，导致复合粉末中的石墨烯分布不均匀，从而影响石墨烯增强金属复合材料的性能。而湿化学混合的方法涉及到石墨烯分散-悬浮液搅动混合-复合粉末干燥等多个流程，操作流程复杂，降低了增材制造金属基纳米复合材料的生产效率。因此，如何在增材制造金属基石墨烯复合材料的过程中高效率、高质量的引入石墨烯，仍是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种基于激光诱导石墨烯的增材制造方法，通过在增材制造过程中复合激光束辐射高分子薄膜制备石墨烯工艺的金属基石墨烯纳米复合材料，能够实现在提高石墨烯在金属基体中的掺杂质量和效率的同时，简化增材制造金属基石墨烯纳米复合材料的制备流程，提高生产效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于激光诱导石墨烯的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)增材制造；

S2)胶水涂覆：在已增材表面涂覆胶水；

S3)胶水干燥：利用热量使得胶水干燥成膜；

S4)激光诱导石墨烯：石墨烯诱导激光束沿扫描路径移动，激光诱导石墨烯；

S5)检测并控制产生的石墨烯的浓度；

S6)重复上述步骤S1～S5完成增材制造。

按上述技术方案，步骤S1中所述增材制造包括喷涂、固体粉末激光增材制造、液态3D打印。

按上述技术方案，步骤S2中所述胶水涂覆采用喷涂或刮抹或滴注的方式完成。

按上述技术方案，所述胶水为含富苯环的有机胶水。

按上述技术方案，步骤S3中所述热量通过加热装置或已增材层的热扩散过程提供。

按上述技术方案，步骤S4中所述石墨烯诱导激光束的移动通过移动激光器或移动工件平台或采用振镜实现。

按上述技术方案，步骤S5中包括如下内容：在自然光环境下通过光谱仪检测石墨烯的浓度，若浓度不满足要求，通过调整石墨烯诱导激光束的功率或胶水涂覆量或重复步骤S2～S5的实施次数实现；若浓度满足要求则完成增材制造。

按上述技术方案，所述石墨烯诱导激光束为不同波长的CO

按上述技术方案，所述波长为405nm或450nm或532nm或1064nm。

本发明的有益效果是：提供一种基于激光诱导石墨烯的增材制造方法，避免了传统增材制造石墨烯纳米复合材料中的复合粉末制备环节，能够在保证石墨烯掺杂质量和效率的同时，提高生产效率，简化制造流程，有效提高材料的力学性能；能够应用于喷涂、激光熔覆、3D打印等多种增材制造工艺中，适用范围广阔；通过在原有增材制造设备的喷嘴上外加石墨烯诱导激光束和胶水喷覆装置搭建基于激光诱导石墨烯的增材制造装置即可实现，该装置结构简单，不需要对正常使用的增材制造设备做大规模的改装。

附图说明

图1为本发明一个实施例的工艺流程图。

图2为本发明一个实施例的工艺示意图。

图3为本发明一个实施例的有无激光诱导的拉曼光谱对比图。

图4为本发明一个实施例的增材表面的硬度变化对比图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。

如图1所示，一种基于激光诱导石墨烯的增材制造方法，通过在增材制造过程中复合激光束辐射高分子薄膜制备石墨烯工艺的金属基石墨烯纳米复合材料的激光增材制造方法，具体包括(1)增材制造、(2)胶水涂覆、(3)胶水干燥、(4)激光诱导石墨烯以及(5)石墨烯浓度检测五个主要步骤，循环执行步骤(1)～(5)可以实现石墨烯纳米复合材料的多层增材制造或者零部件的直接成型。

增材制造为常规的增材制造过程，例如喷涂、固体粉末激光增材制造、液态3D打印等。

胶水涂覆为已增材表面胶水涂覆过程，涂覆可以通过喷涂、刮抹、滴注等多种方式完成，所用胶水为含富苯环的有机胶水，如酚醛树脂，聚酰亚胺，纤维素等。

胶水干燥为已涂覆胶水干燥成膜过程，该步骤可以通过加热装置或者已增材层的热扩散过程完成，通过加热装置额外的热量供应或依靠已增材层的热扩散过程实现已涂覆高分子胶水的快速干燥成膜。

石墨烯诱导激光束为不同波长的CO

激光诱导石墨烯所产生的石墨烯的浓度控制如下：在自然光环境下通过光谱仪检测石墨烯的浓度，若浓度不满足要求，通过调整石墨烯诱导激光束的功率或胶水涂覆量或重复步骤S2～S5的实施次数实现；若浓度满足要求则完成增材制造。

实施例一

步骤(1)增材制造通过激光熔覆工艺执行，如图2所示，增材制造激光束1执行激光增材制造过程，增材制造激光束的功率设置为500W，扫描速度为200mm/min，保护气为氩气，材选用316不锈钢板，熔覆材料为CoCrFeNi高熵合金。

步骤(2)胶水涂覆通过胶水喷覆装置2以喷涂的方式执行，胶水选用为聚酰亚胺高分子胶水。

步骤(3)胶水干燥通过已增材层的热扩散过程完成。

步骤(4)激光诱导石墨烯通过石墨烯诱导激光束3实现，石墨烯诱导激光束3选用为CO2激光，功率为5W。

步骤(5)石墨烯浓度检测环节在自然光环境下通过光谱仪执行。，循环执行步骤(1)～(5)三次。

实验结果如图3和图4所示，从图3中的拉曼光谱可以看出，通过一种基于激光诱导石墨烯的增材制造方法所制备的增材表面的拉曼光谱呈现出典型的石墨烯拉曼图谱特征，说明本发明提出的一种基于激光诱导石墨烯的材制造方法能够有效地在增材制造中实现石墨烯的生成以及的纳米复合材料的制备。此外，对比图4中的显微硬度数据可以看出，未实施一种基于激光诱导石墨烯的增材制造方法所制备的增材层的硬度与基材相近，大约为220HV

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。