CN100506436C - 用梯度功能材料快速制造模具的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用梯度功能材料快速制造模具的方法，包括以下步骤：制备熔射模、在熔射模上熔射FGM工作层、在FGM工作层上熔射过渡背衬层、在过渡背衬层上浇铸后续背衬层、去除熔射模得到梯度功能材料模具。其工作层由成分和结构连续变化的梯度功能材料构成，背衬层材料亦呈梯度化的结构，使其达到连续渐变的连接，使不同材料得到合理使用，以适应在苛刻条件下模具性能的较好匹配，解决了以往快速模具材料成分分布突变且使用性能差和寿命低的问题。该模具使用性能高、寿命长，制造周期短、成本低，且实现了梯度功能材料成形和模具深加工一体化。

Description

用梯度功能材料快速制造模具的方法

技术领域

本发明属于快速制造技术领域，涉及一种工作面由陶瓷/金属、金属/金属梯度功能材料构成以及背衬材料亦呈梯度化的快速制造模具的方法。

背景技术

快速制模由于周期短、成本低等优点成为该领域学者研究的热点，并在一些场合得到了基础运用。现有技术中采用熔射成形方法制作模具，把高熔点的陶瓷、金属及金属合金作为工作层，然后再辅以中低熔点合金背衬补强工序快速制作耐久硬模具，但由于此类模具工作层与背衬层是分步制造的，结合处有突变的界面，工作条件下很容易产生较大的应力和应变而失效，影响了模具的工作性能和使用寿命。

模具在工作过程中工作面的受力和受热在内部传递是连续变化的，设计相应的梯度功能材料(FGM)可以缓和模具的受力和受热，提高模具的使用寿命。梯度功能材料的基本思想是根据模具工作要求选择不同性能材料，采用先进的材料复合技术，通过连续改变不同材料的组成和结构，使其内部界面消失，得到功能相应的、组成成分和微观结构缓变的非均质材料。从耐磨性、耐热性、耐腐蚀性以及强韧性来看，模具的工作条件和应用场合并不要求模具材料的均匀性和单一性，而梯度化的材料更适合模具本身发挥潜能，提高使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用梯度功能材料快速制造模具的方法，该方法成本低、周期短，能够实现梯度功能材料成形和模具深加工一体化。

本发明的技术方案是这样的：用梯度功能材料快速制造模具的方法，由以下步骤实现：

一、制备熔射模；

二、在熔射模上熔射FGM工作层；

三、在FGM工作层上熔射过渡背衬层；

四、在过渡背衬层上浇铸后续背衬层；

五、去除熔射模得到梯度功能材料模具。

对上述步骤一所得到的熔射模进行表面清洁或抛光处理，并预热至100℃～400℃。

上述FGM工作层第一相选用能提高模具强度和硬度或耐蚀性能的陶瓷或耐磨金属材料；第二相选用可以提高模具韧性以及作为后续背衬层的粘结相的金属材料；由FGM工作层的表面向内，第一相材料组分逐渐减少，而第二相材料组分逐渐增加。

上述第一相所指的陶瓷由W、Mo、Ti或Cr元素的碳化物或氮化物构成，所指的金属是镍基自熔性合金粉末、不锈钢粉末或镍铬合金粉末；上述第二相金属是由Ni、Cr、Al元素组成的金属合金粉末，或是Ni、Cr、Al元素组成的金属合金粉末添加B、Si或Y元素构成的复合粉末。

上述步骤二中，FGM工作层采用等离子熔射制备。

上述步骤三中，在FGM工作层背面采用等离子熔射和电弧熔射复合方法制备过渡背衬层。

上述复合方法制备过渡背衬层是在上述步骤二中第一相材料组分减少至零时，电弧喷枪开始熔射，材料选用Cu、Al、Zn或它们之间的合金或伪合金；而等离子熔射继续进行，选用的材料为上述步骤二中的第二相，材料组分由FGM工作层背面向内逐渐减少，直至为零为止，此时电弧仍然进行熔射，直至所需厚度为止；在熔射过渡背衬层之前在FGM工作层背面铺设形状与型腔面共形的冷却水管，复合熔射时将冷却水管包覆其中。

上述步骤四中后续背衬层材料选用与过渡背衬层亲和力强的低熔点金属或它们之间的合金。

对上述步骤五所得的梯度功能材料模具工作面进行抛光处理。

本发明用梯度功能材料快速制造模具的方法，FGM工作层采用性能优异的材料，内部选用特殊功能的过渡性材料，外部采用一般性的材料，并在不同材料之间采用梯度化结构使其达到连续渐变的连接，使不同材料得到了合理的应用，以适应在苛刻条件下模具性能的较好匹配，解决了以往快速模具材料成分分布突变且使用性能差和寿命低的问题，达到了模具使用性能高、寿命长，制造周期短、成本低的目的。本发明中，为了避免工作状态下因材料性能的突变而产生的模具失效，采用了等离子与电弧复合熔射的方法使FGM工作层与过渡背衬层的界面结合处连续过渡产生梯度，有利于与后续背衬层的良好亲和，这样形成的快速模具既有整体模具的强度和刚度，又有独具特色的工作层梯度，整体性能梯度，为模具的制造提供了一种快速、经济、高使用性能和高寿命的方法和手段，实现了梯度功能材料成形和模具深加工一体化。

附图说明

图1为本发明用梯度功能材料快速制造模具的方法的工艺流程示意图。

图2为本发明梯度功能材料模具断面结构示意图。

图3为本发明梯度功能材料模具FGM工作层断面成分分布示意图。

具体实施方式

本发明用梯度功能材料快速制造模具的方法，如图1所示，先制备熔射模，然后在熔射模上熔射FGM工作层，再在FGM工作层上熔射过渡背衬层，再在过渡背衬层上浇铸后续背衬层，最后去除熔射模得到梯度功能材料模具。

熔射模的制作和选取是根据RP原型、实物样件或加工原型的材料耐热程度来决定的，如果RP原型或实物样件是耐热材料，可以直接作为熔射模，否则可以根据RP原型或实物样件直接翻制或者通过石膏模、硅胶模翻制成耐热性熔射模。耐热性熔射模材料可以选用粒度在240^#～320^#范围内的陶瓷粉末或热导率高的金属粉末以及两者的混合粉末构成。陶瓷粉末可以是莫莱石、锆粉、石英粉以及铝矾土，金属粉末可以是铜粉、铁粉、铝粉和锌粉。在熔射前熔射模需经过表面清洁或抛光处理并预热100℃～400℃。

FGM工作层采用陶瓷/金属或金属/金属材料，第一相选用具有性能优异熔点高的陶瓷或耐磨金属材料，以提高模具的强度和硬度或耐蚀性能；第二相选用可以提高模具的韧性以及作为后续背衬层的粘结相。FGM工作层中第一相所指的陶瓷可以是W、Mo、Ti或Cr元素的碳化物或氮化物构成，所指的金属可以是镍基自熔性合金粉末、不锈钢粉末或镍铬合金粉末，第二相可以是Ni、Cr、Al元素组成的金属合金粉末，或是Ni、Cr、Al元素组成的金属合金粉末添加B、Si或Y元素构成的复合粉末。由FGM工作层的表面向内，第一相材料组分逐渐减少，而第二相材料组分逐渐增加。

等离子熔射FGM工作层的方法可以采用单喷枪单送粉通道或双送粉通道实现，亦可以采用带有各自送粉通道的双喷枪熔射来实现。其中单喷枪单送粉通道采用的一种方法是根据梯度设计要求逐次按不同比例将两种粉末混合均匀并依次置入料斗经熔射沉积获得FGM工作层，另一种方法是精确计算并控制装有不同粉末的两个料斗的输出量经熔射沉积获得FGM工作层；而单喷枪双送粉通道可以精确控制不同通道的送粉率经熔射沉积获得FGM工作层；采用双喷枪熔射是将两种粉末分别由各自的喷枪单独熔射并通过控制各自的输入参数及送粉率同时熔射沉积获得FGM工作层。

为了使FGM工作层与过渡背衬层在界面结合处连续过渡，避免工作状态下因材料性能的突变而产生模具失效，在获得的FGM工作层背面采用等离子与电弧复合熔射的方法制备过渡背衬层。在制备FGM工作层时，当第一相材料减少至零时，电弧喷枪开始熔射，考虑到高热导率、高抗压和抗弯等性能且易沉积厚涂层的需要，材料选用Cu、Al、Zn或它们之间的合金或伪合金；而等离子熔射继续进行，选用的材料为制备FGM工作层中的第二相，材料组分由FGM工作层背面向内逐渐减少，直至为零时，此时电弧仍然进行熔射，直至所需厚度为止。这样制备的过渡背衬层有利于与后续背衬层的良好亲和。当模具需要低温工作时，可以在熔射过渡背衬层之前设计和铺设冷却水管，然后进行熔射将水管包覆其中，这样可以使水管的铺设形状与型腔面共形(如图2所示)，使得整体型腔冷却速率均匀，减少了冷凝收缩不一致产生的收缩应力。

后续背衬层一般选用低熔点金属或它们之间的合金，比如锌基合金、巴氏合金等浇铸成形，或选用树脂添加热导率较好的铁、铝或锌等粉末进行浇铸成形，以提高整体模具的强度和刚度。

对模具表面质量要求高的使用环境，梯度功能材料模具工作面需要进行抛光处理。

本发明用梯度功能材料快速制造的模具如图2所示，由内到外依次包括FGM工作层1、过渡背衬层2和后续背衬层3。

本发明用梯度功能材料快速制造模具的方法，提供以下两种实施方式：

实施例1：

本发明用梯度功能材料快速制造模具的方法，由以下步骤实现：

(1)用RP技术制作的树脂鞋模翻制硅橡胶鞋模，称取325^#锆粉1250克，270^#铁粉350克，膨润土50克，氧化镁30克，将上述粉料充分混合后倒入已配制好的58％硅酸乙酯40水解液700毫升中制成浆料，迅速将制成的浆料倒入装有硅橡胶鞋模的模框内，固化后脱去模框和硅橡胶鞋模经喷烧或焙烧后制得耐热陶瓷熔射模。

(2)采用单喷枪双送粉通道熔射技术，选用WC-12％Co粉末和NiCrAl粉末进行材料梯度设计，在预热300℃的陶瓷熔射模表面进行熔射，由预先编制的程序分别控制两个通道的送粉率实现两种材料的输送比例变化，其中，WC-12％Co粉末的输送速度函数为k[1-v(t)]，而NiCrAl粉末的输送速度函数为kv(t)，其中k为任意实数，t为熔射时间，v(t)为线性分布函数，0≤v(t)≤1，型腔面表层向内WC-12％Co粉末组分从100％～0％变化，而NiCrAl粉末组分从0％～100％变化，最终形成FGM工作层的厚度为1.2mm。

(3)先在FGM工作层背面仿形铺设如图2所示用于冷却的外径5mm的铜管4，然后采用等离子与电弧复合同时进行熔射，预热温度为300℃。等离子熔射选用的材料是NiCrAl粉末，送粉速度函数为k[1-v(t)]，参数含义同上述步骤(2)；电弧熔射选用的材料是ZnAl合金丝，送丝速度为3米/分钟。随着NiCrAl粉末送粉量的逐渐减少至零，等离子枪停止工作，而电弧喷枪继续工作，最终靠电弧熔射实现过渡背衬层厚度8mm。

(4)在过渡背衬层的背面再用电弧熔射1.5mm的锌基合金层，为后续背衬层提供一个亲和性良好的熔射层表面，最后采用锌基合金浇铸，完成后续背衬层整体补强。

(5)经破坏性脱模法去除陶瓷熔射模，将型腔表面抛光后得到梯度功能材料塑料注塑鞋模。

实施例2：

本发明用梯度功能材料快速制造模具的方法，由以下步骤实现：

(1)用不锈钢餐盒样件表面涂脱模剂，四周设置模框，然后将270^#莫莱石粉2500克，氧化镁50克充分混合后倒入已配制好的55％硅酸乙酯32水解液1000毫升中制成浆料，固化15分钟后，脱去模框和样件，得到陶瓷模，表面喷烧或焙烧后制得熔射模。

(2)将100％的不锈钢，75％不锈钢+25％镍包铝，50％不锈钢+50％镍包铝，25％不锈钢+75％镍包铝，100％的镍包铝，分别各自混合均匀，采用单喷枪单送粉通道熔射技术，用等离子熔射设备依次分层(从表层至内层)熔射沉积形成FGM工作层(如图3所示)，最终形成FGM工作层的厚度为2mm。

(3)FGM工作层制备完成后，马上启动电弧熔射设备，电弧熔射选用的材料是ZnAl合金丝，送丝速度为3米/分钟，此时步骤(2)的等离子熔射设备在不停机的状态下继续熔射，选用的材料是镍包铝粉末，送粉速度函数为k[1-v(t)]，参数含义同实施例1；随着镍包铝粉末送粉量的逐渐减少至零，等离子喷枪停止工作，而电弧喷枪继续工作，直至过渡背衬层厚度为6mm为止。

(4)将铁粉、固化剂、环氧树脂按重量比为5：1：3的比例混合进行真空搅拌并浇注在过渡背衬层上形成后续背衬层，实现整体模具补强。

(5)经破坏性脱模法去除陶瓷熔射模，将型腔表面抛光后得到梯度功能材料餐盒冲压模具。

Claims (9)

1、用梯度功能材料快速制造模具的方法，其特征在于：由以下步骤实现：

一、制备熔射模；

二、在熔射模上熔射FGM工作层；

三、在FGM工作层上熔射过渡背衬层；

四、在过渡背衬层上浇铸后续背衬层；

五、去除熔射模得到梯度功能材料模具。

2、根据权利要求1所述的用梯度功能材料快速制造模具的方法，其特征在于：对上述步骤一所得到的熔射模进行表面清洁或抛光处理，并预热至100℃～400℃。

3、根据权利要求1所述的用梯度功能材料快速制造模具的方法，其特征在于：上述FGM工作层第一相选用能提高模具强度和硬度或耐蚀性能的陶瓷或耐磨金属材料；第二相选用可以提高模具韧性以及作为后续背衬层的粘结相的金属材料；由FGM工作层的表面向内，第一相材料组分逐渐减少，而第二相材料组分逐渐增加。

4、根据权利要求3所述的用梯度功能材料快速制造模具的方法，其特征在于：上述第一相所指的陶瓷由W、Mo、Ti或Cr元素的碳化物或氮化物构成，所指的金属是镍基自熔性合金粉末、不锈钢粉末或镍铬合金粉末；上述第二相金属是由Ni、Cr、Al元素组成的金属合金粉末，或是Ni、Cr、Al元素组成的金属合金粉末添加B、Si或Y元素构成的复合粉末。

5、根据权利要求1所述的用梯度功能材料快速制造模具的方法，其特征在于：上述步骤二中，FGM工作层采用等离子熔射制备。

6、根据权利要求3所述的用梯度功能材料快速制造模具的方法，其特征在于：上述步骤三中，在FGM工作层背面采用等离子熔射和电弧熔射复合方法制备过渡背衬层。

7、根据权利要求6所述的用梯度功能材料快速制造模具的方法，其特征在于：上述复合方法制备过渡背衬层是在上述步骤二中第一相材料组分减少至零时，电弧喷枪开始熔射，材料选用Cu、Al、Zn或它们之间的合金或伪合金；而等离子熔射继续进行，选用的材料为上述步骤二中的第二相，材料组分由FGM工作层背面向内逐渐减少，直至为零为止，此时电弧仍然进行熔射，直至所需厚度为止；在熔射过渡背衬层之前在FGM工作层背面铺设形状与型腔面共形的冷却水管，复合熔射时将冷却水管包覆其中。

8、根据权利要求1所述的用梯度功能材料快速制造模具的方法，其特征在于：上述步骤四中后续背衬层材料选用与过渡背衬层亲和力强的低熔点金属或它们之间的合金。

9、根据权利要求1所述的用梯度功能材料快速制造模具的方法，其特征在于：对上述步骤五所得的梯度功能材料模具工作面进行抛光处理。

Images