CN103878369B - 一种三维多孔金属材料烧结成型装置及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维多孔金属材料烧结成型装置及成型方法。其中成型装置包括真空室以及置于真空室内的工作台，在工作台上方设置有布粉机构和电子束烧结装置，在真空室内还设置有吹扫机构和粉末回收机构，吹扫机构和粉末回收机构分别位于工作台的两侧，电子束烧结装置包括电子束发射器以及偏转线圈，偏转线圈使所述电子束发射器发出的电子束射到工作台上需要烧结的位置，在作台的下方设置有使所述工作台振动的超声波发生装置。本发明所提供的技术在电子束选区烧结粉末金属制造多孔金属材料的工作间隙，通过超声波的作用将未烧结布粉的金属粉末从已成型的多孔结构中分离出来，清除孔隙内残留的金属粉末，提高了多孔金属材料的成型精度。

Description

一种三维多孔金属材料烧结成型装置及成型方法

技术领域

本发明涉及一种多孔金属材料的快速成型装置及成型方法，属于多孔金属材料加工领域。

背景技术

多孔金属材料是指在金属制品内部随机分布很多形状各异孔洞的金属材料。材料的孔洞之间可以是相互联通（开孔）或者是相互独立（闭孔）两种结构。因为多孔金属材料中含有大量的空隙，所以密度比相同金属材料要小很多，加上其特有的比强度好，吸振、吸音性能好等一系列优点，使得多孔金属材料具有功能材料和结构材料双重特性。近些年来，多孔材料被应用于气体分离、流体过滤、机械的消音吸震、电化学电极以及换热装备等诸多方面，具有广阔的市场前景。

在多孔金属的制造工艺方面，国内外学者经过多年的研究发展，提出了多种不同的制备工艺。比较传统方法的有液态成型工艺，这种方法是让液态金属在凝固过程中形成多孔金属结构，包括直接发泡法、共晶凝固法、渗流铸造法等等。直接发泡法是在液态金属溶液中吹入气体或者投入发泡剂来制造孔隙。乌克兰冶金学家Shapovalov提出利用一些金属和氢气的共晶系统发生共晶转变来形成气固两相的多孔金属材料。渗流铸造法是将液态金属注入无机或有机颗粒形成的空隙中形成金属和非金属材料的复合体，再通过合适溶液或者热处理的方法把原来的有机或者无机颗粒去除从而得到多孔金属材料。沉积制造法是把气态或者离子态等形态的金属通过溅射、电化学、溅射等技术手段沉降到聚合物泡沫表面，在通过化学或者热处理手段去除聚合物得到泡沫金属的一直手段。这种方法操作条件要求高，投资大、生产成本高。

除了通过液态金属制备和沉积制造法来制造多孔金属材料，人们还发展了以固态粉末金属为原料的多孔材料制备工艺。其中典型的是把金属和粘结剂的混合物在常压或者施加一定压力条件下通过反应烧结得到多孔状的金属材料。

随着3D打印技术、激光快速成型技术等精密制造技术的快速发展，多孔材料制备工艺也有了新一轮的革新。通过先进的三维成型技术可以对平铺在工作平台上的金属粉末在二维平面上有选择性的进行黏结或烧结，从而形成一个二维的多孔金属网膜。然后工作平台下移一层在多孔网膜上重新平铺金属粉末在按预定设计的结构进行黏结或者烧结。如此循环层层叠加形成所需要的三维多孔结构。然而，在烧结或者黏结工艺完成后，原先平铺的金属分层未烧结的部分会残留在已成型的多孔金属结构的孔隙内，这可能会堵塞多孔材料的孔隙，影响材料的成型精度。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种孔隙内无残留金属粉末的三维多孔金属材料的烧结成型装置和成型方法。

本发明所采用的技术方案具体是这样实现的：

一种三维多孔金属材料烧结成型装置，包括真空室以及置于真空室内的工作台，在所述工作台上方设置有布粉机构和电子束烧结装置，在所述真空室内还设置有吹扫机构和粉末回收机构，所述吹扫机构和粉末回收机构分别位于工作台的两侧，所述的布粉机构包括移动驱动机构以及与移动驱动机构连接的布粉头，所述的电子束烧结装置包括电子束发射器以及偏转线圈，所述的偏转线圈使所述电子束发射器发出的电子束射到工作台上需要烧结的位置，在所述工作台的下方设置有使所述工作台振动的超声波发生装置。

一种三维多孔金属材料烧结成型方法，步骤如下：

（1）将经过筛选的金属粉末和添加剂投放入布粉机构中；

（2）调节真空室内的压力达到预定的真空度1～10Pa，控制布粉机构在同一个高度条件下在二维方向移动，将金属粉末和添加剂形成的混合粉末均匀地涂抹到工作台表面；

（3）启动电子束发射器的控制电源，控制电子束偏转射到工作台上需要烧结的金属粉末层预定区域进行烧结成形；

（4）烧结成形后，关闭电子束发射器的控制电源，启动超声波发生装置使得未烧结区域的金属粉末从工作台上弹出，同时，启动吹扫机构向工作台方向吹入惰性气体，将金属粉末吹入粉末回收机构中；

（5）在完成一层多孔结构的成形后，控制工作台下降一层或控制所述布粉机构上升一层，并重复上述步骤一到步骤四在上一层多孔金属材料平面上烧结新一层金属粉末。

本发明的技术利用超声波的的作用，使得未烧结的金属粉末与已经成型的多孔金属结构在烧结过程中及时分离，提高了多孔金属材料的成型精度。

附图说明

图1是有超声波辅助作用的三维多孔金属材料电子束烧结成型装置示意图。

其中：1、电子束发射器，2、偏转线圈，3、布粉机构，4、粉末回收机构，5、超声波发生装置，6、吹扫机构，7、工作台，8、控制系统。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

如图1所示，本发明的三维多孔金属材料烧结成型装置，包括真空室以及置于真空室内的工作台7，在工作台7上方设置有布粉机构3和电子束烧结装置，在真空室内工作台7的两侧分别设置有吹扫机构6和粉末回收机构4，布粉机构3包括移动驱动机构以及与移动驱动机构连接的布粉头，电子束烧结装置包括电子束发射器1以及偏转线圈2，偏转线圈使电子束发射器发出的电子束射到工作台上需要烧结的位置，在工作台的下方设置有使工作台振动的超声波发生装置5。

本发明三维多孔金属材料的成型方法，步骤如下：

（1）将经过筛选的金属粉末（可以是钢、镍、钴基或者其他适用于烧结工艺的金属粉末）和添加剂投放入如图1所示装置的布粉机构3中。

（2）调节装置真空室内的压力达到预定的真空度为1～10Pa，在控制系统8的控制下布粉机构3在同一高度条件下在二维方向移动，将混合粉末均匀地涂抹到工作台7表面。

（3）启动电子束发射器的控制电源1，同时偏转线圈2在控制系统8的控制下连续的调节电流大小，从而控制电子束偏转射到工作台7上需要烧结的金属粉末位置进行烧结成型。

（4）在对工作台7上过的平铺的金属粉末进行烧结成型完成后关闭电子束发射器的控制电源1。启动工作台7下的超声波发生装置5，在20kHz频率，声能密度范围在0.1~1.0W/ml的超声波作用下，使得未烧结区域的金属粉末从工作台7上弹出，从而实现与已烧结完毕的多孔金属网的分离。同时，启动吹扫机构6向工作台7方向吹入惰性气体，将金属粉末吹入粉末回收机构4中。

（5）在完成一层多孔结构的成形后，通过控制系统8将工作台7下降一层或控制所述布粉机构3上升一层，重新调节真空室内的真空度至1～10Pa。利用布粉机构3在上一层多孔金属材料平面上重新铺一层粉末金属与添加剂的混合粉末，开始新一层的多孔结构的烧结成型工作。

在本发明的多孔金属材料烧结成型装置中，粉末回收机构4中回收的粉末可以拿来继续使用，这大大提高了金属粉末的使用率。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的一个较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于此描述的其它方式或其它装置来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种基于三维多孔金属材料烧结成型装置的三维多孔金属材料烧结成型方法，所述三维多孔金属材料烧结成型装置包括真空室以及置于真空室内的工作台，在所述工作台上方设置有布粉机构和电子束烧结装置，在所述真空室内还设置有吹扫机构和粉末回收机构，所述吹扫机构和粉末回收机构分别位于工作台的两侧，所述的布粉机构包括移动驱动机构以及与移动驱动机构连接的布粉头，所述的电子束烧结装置包括电子束发射器以及偏转线圈，所述的偏转线圈使所述电子束发射器发出的电子束射到工作台上需要烧结的位置，在所述工作台的下方设置有使所述工作台振动的超声波发生装置，其特征在于，步骤如下：

步骤（1）将经过筛选的金属粉末和添加剂投放入布粉机构中；

步骤（2）调节真空室内的压力达到预定的真空度1～10Pa，控制布粉机构在同一高度条件下在二维方向移动，将金属粉末和添加剂形成的混合粉末均匀地涂抹到工作台表面；

步骤（3）启动电子束发射器的控制电源，控制电子束偏转射到工作台上需要烧结的金属粉末位置进行烧结成形；

步骤（4）烧结成形后关闭电子束控制电源，启动超声波发生装置，使得未烧结的金属粉末从工作台上弹出，同时，启动吹扫机构向工作台方向吹入惰性气体，将金属粉末吹入粉末回收机构中；

步骤（5）完成一层多孔结构的成型后，控制工作台下降一层或者控制所述布粉机构上升一层，并重复步骤（1）到步骤（4）在上一层多孔金属材料平面上烧结新一层金属粉末。