CN106001572B - 一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法，该方法包括：计算多相合金成分、金属粉末和有机粘接剂粉末互混、成形件数模切片分层处理、激光选区烧结成形多孔坯件、多孔坯件脱粘处理、Sn‑Bi合金熔化且渗入坯件、后处理获得最终成形件。本发明通过将零膨胀、零收缩率这两种组织相混后，采用增材制造成形技术和渗金属的方法，可以获得具有零膨胀率和零收缩率金属件。该制备方法具有操作方便、性能可靠，综合成本低、金属成形件重量轻，表面光滑，能够满足使用要求、提高其使用寿命等优点，能够广泛被推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及金属激光增材制造技术领域，尤其涉及一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法。
背景技术
利用增材制造技术得到金属零件时，其中的金属或合金的微观组织通常是急冷的非平衡组织，一般而言它们均为热胀冷缩类型的。随着温度的变化，零件内部会产生热应力，造成出现微裂纹，从而影响了零件的使用性能，降低了其使用寿命。目前，尚无一种获得具有零膨胀率和零收缩率金属件的技术。而Sn-Bi合金是一种低熔点合金，其共晶点位于42％Sn和58％Bi成分处，共晶温度为138℃。其在一定温度范围内，受热收缩而冷却时膨胀。这与其凝固时的微观组织有关。目前尚无此方面的研究，因而提出一种制备方法以此能够获得具有零膨胀收缩率的金属件将具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中尚无获得具有零膨胀率和零收缩率金属件的技术，而实际应用中，对于这种金属件确有需求，本发明提出同时将这两种组织相混后，采用增材制造成形技术和渗金属的方法，可以获得具有零膨胀率和零收缩率金属件。该制备方法具有操作方便、性能可靠，综合成本低、金属成形件重量轻，表面光滑，能够满足使用要求、提高其使用寿命等优点，能够广泛被推广应用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
1.一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)具有零膨胀收缩率的金属件有多相合金组织，其中，Sn-Bi合金相是低熔点合金相，其共晶点位于42％Sn和58％Bi成分处，共晶温度为138℃，其在-30-138℃温度下受热时收缩、冷却时膨胀，而除Sn-Bi合金以外的合金相是热胀冷缩相，通过计算，可得在一定的成分配比下，金属件具有零膨胀收缩率；
2)选择不包括Sn-Bi的金属粉末和有机粘接剂粉末，其中金属粉末和有机粘接剂粉末的粒径范围为2.0-20μm，在混粉器中将金属粉末和有机粘接剂粉末进行混合均匀处理，制成混合粉末，金属粉末与有机粘接剂粉末的比例为2-5:1；将经过呼和均匀处理后的混合粉末进行保温处理，温度为80-150℃；
3)在计算机上利用CAD三维制图软件对金属件的STL三维模型进行修正、切片分层处理，层厚为0.3-3mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；
4)在激光选区烧结成形机的成形缸内，将步骤1)中的混合粉末铺平，并进行预热处理，此时温度控制在100-200℃；控制激光器的参数，激光器功率为200-400W，打印速率为0.05-0.1m/min，光斑直径为3-8mm，搭接率为10％-20％；启动保护气体供气装置，打印过程中，惰性保护气体的气压为0.1-0.5MPa；激光烧结的温度控制在金属粉末熔点绝对温度的2/3-4/5；最终生成三维实体成形件坯件；
5)完成上述步骤4)后，将三维实体成形件坯件先进行保温处理2-4h，其中温度控制在100-200℃，经过保温处理后进行冷却使烧结过程更加充分，将冷却后的三维实体成形件坯件由成形缸中取出，置入脱粘装置中进行物理脱粘和/或化学脱粘；其中脱粘装置包括脱粘室、加热系统、温控系统、脱粘剂添加系统、真空保护气体系统和控制系统；控制系统分别与加热系统、温控系统、脱粘剂添加系统、真空保护气体系统控制连接；温控系统还与加热系统相连接；
物理脱粘包括在脱粘室中，控制系统控制开启真空保护气体系统、加热系统和温控系统，对金属-粘结剂复合体坯件进行加热，使得粘接剂熔化，此时真空保护气体的气体压力范围为0.1-0.5MPa，加热系统的温度范围高于粘结剂熔化温度30-50℃，然后进行保温2-3h，使得物理脱粘过程充分得以完成；
化学脱粘也在脱粘室中进行；控制开启真空保护气体系统和脱粘剂添加系统，其中真空保护气体的气体压力范围同上，脱粘剂包括主要化学脱粘剂和辅助化学脱粘剂，主要化学脱粘剂包括由碱、螯合剂组成的碱性脱粘剂，辅助化学脱粘剂包括甲醛树脂，其中主要化学脱粘剂与辅助化学脱粘剂的重量份数比为3-5:1，控制反应时间为2-5h，可使化学脱粘过程得以充分完成；
6)为使最终的成形件具有零收缩膨胀率，将足量的Sn-Bi合金放置在熔化炉内加热至熔化，加热温度为140-160℃；保温时间为1-2h；
7)将上述步骤5)经过物理脱粘和/或化学脱粘处理后的三维实体坯件进行表面酸洗和、或水洗清洁处理后，放置于处理室内，并将该处理室保温并抽真空，此时压力范围为0.1-0.5个大气压；温度范围为140-160℃，以保证成形件的氧含量不超标，保温1-2h后，将其与上述步骤6)中熔化的Sn-Bi合金进行渗金属处理，这时处理室的压力升至2-3个大气压，以保证液态Sn-Bi合金的完全渗入；
8)完成上述步骤后，测量三维实体成形件所渗入的Sn-Bi合金实测重量，将该实测重量与在预定温度范围内计算得到所渗入的Sn-Bi合金理论重量进行对比，检查是否在±1wt％误差允许范围内，以保证制得的金属件在预定的温度范围内具有零膨胀率和零收缩率。将渗入Sn-Bi合金后的最终成形件进行打磨、抛光后处理。
作为上述技术方案的进一步优化，所述的一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法，其特征在于：上述步骤4)中采用的激光器类型为二氧化碳激光器或者光纤激光器。
作为上述技术方案的进一步优化，所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一种或者组合。
作为上述技术方案的进一步优化，所述的粘结剂包括羧甲基纤维素钠、环氧树脂、丙烯酸树脂、丙烯酰胺、有机硅中的一种或其组合。
与现有技术中制备技术相比，采用本发明的一种制备方法具有如下优点：
(1)在本发明中，因为金属件具有零膨胀收缩率，因此不会随着温度的变化而引起零件的尺寸变化，可保持零件的精度，而且不会由此引起零件的内应力和热应力。
(2)本发明获得的金属件具有多相组织，其中，热胀冷缩相可提供高强度和高硬度，而热缩冷胀相(即Sn-Bi合金相)较软，对韧性的贡献较大，两种相结合起来，可提供较好的综合机械性能。
(3)与一般的激光选区烧结方法相比，本发明通过渗金属的方法，使之成为密度接近100％的金属件，密度较原方法获得的金属件高。
附图说明
附图1为本发明一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法作具体说明。
一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法，该方法包括如下步骤：
1)具有零膨胀收缩率的金属件有多相合金组织，其中，Sn-Bi合金相是低熔点合金相，其共晶点位于42％Sn和58％Bi成分处，共晶温度为138℃，其在-30-138℃温度下受热时收缩、冷却时膨胀，而除Sn-Bi合金以外的合金相是热胀冷缩相，通过计算，可得在一定的成分配比下，金属件具有零膨胀收缩率；
2)选择不包括Sn-Bi的金属粉末和有机粘接剂粉末，其中金属粉末和有机粘接剂粉末的粒径范围为2.0-20μm，在混粉器中将金属粉末和有机粘接剂粉末进行混合均匀处理，制成混合粉末，金属粉末与有机粘接剂粉末的比例为2-5:1；将经过呼和均匀处理后的混合粉末进行保温处理，温度为80-150℃；
3)在计算机上利用CAD三维制图软件对金属件的STL三维模型进行修正、切片分层处理，层厚为0.3-3mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；
4)在激光选区烧结成形机的成形缸内，将步骤1)中的混合粉末铺平，并进行预热处理，此时温度控制在100-200℃；控制激光器的参数，激光器功率为200-400W，打印速率为0.05-0.1m/min，光斑直径为3-8mm，搭接率为10％-20％；启动保护气体供气装置，打印过程中，惰性保护气体的气压为0.1-0.5MPa；激光烧结的温度控制在金属粉末熔点绝对温度的2/3-4/5；最终生成三维实体成形件坯件；
5)完成上述步骤4)后，将三维实体成形件坯件先进行保温处理2-4h，其中温度控制在100-200℃，经过保温处理后进行冷却使烧结过程更加充分，将冷却后的三维实体成形件坯件由成形缸中取出，置入脱粘装置中进行物理脱粘和/或化学脱粘；其中脱粘装置包括脱粘室、加热系统、温控系统、脱粘剂添加系统、真空保护气体系统和控制系统；控制系统分别与加热系统、温控系统、脱粘剂添加系统、真空保护气体系统控制连接；温控系统还与加热系统相连接；
物理脱粘包括在脱粘室中，控制系统控制开启真空保护气体系统、加热系统和温控系统，对金属-粘结剂复合体坯件进行加热，使得粘接剂熔化，此时真空保护气体的气体压力范围为0.1-0.5MPa，加热系统的温度范围高于粘结剂熔化温度30-50℃，然后进行保温2-3h，使得物理脱粘过程充分得以完成；
化学脱粘也在脱粘室中进行；控制开启真空保护气体系统和脱粘剂添加系统，其中真空保护气体的气体压力范围同上，脱粘剂包括主要化学脱粘剂和辅助化学脱粘剂，主要化学脱粘剂包括由碱、螯合剂组成的碱性脱粘剂，辅助化学脱粘剂包括甲醛树脂，其中主要化学脱粘剂与辅助化学脱粘剂的重量份数比为3-5:1，控制反应时间为2-5h，可使化学脱粘过程得以充分完成；
6)为使最终的成形件具有零收缩膨胀率，将足量的Sn-Bi合金放置在熔化炉内加热至熔化，加热温度为140-160℃；保温时间为1-2h；
7)将上述步骤5)经过物理脱粘和/或化学脱粘处理后的三维实体坯件进行表面酸洗和、或水洗清洁处理后，放置于处理室内，并将该处理室保温并抽真空，此时压力范围为0.1-0.5个大气压；温度范围为140-160℃，以保证成形件的氧含量不超标，保温1-2h后，将其与上述步骤6)中熔化的Sn-Bi合金进行渗金属处理，这时处理室的压力升至2-3个大气压，以保证液态Sn-Bi合金的完全渗入；
8)完成上述步骤后，测量三维实体成形件所渗入的Sn-Bi合金实测重量，将该实测重量与在预定温度范围内计算得到所渗入的Sn-Bi合金理论重量进行对比，检查是否在±1wt％误差允许范围内，以保证制得的金属件在预定的温度范围内具有零膨胀率和零收缩率。将渗入Sn-Bi合金后的最终成形件进行打磨、抛光后处理。
上述步骤4)中采用的激光器类型为二氧化碳激光器或者光纤激光器。所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一种或者组合。所述的粘结剂包括羧甲基纤维素钠、环氧树脂、丙烯酸树脂、丙烯酰胺、有机硅中的一种或其组合。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)具有零膨胀收缩率的金属件有多相合金组织，其中，Sn-Bi合金相是低熔点合金相，其共晶点位于42％Sn和58％Bi成分处，共晶温度为138℃，其在-30-138℃温度下受热时收缩、冷却时膨胀，而除Sn-Bi合金以外的合金相是热胀冷缩相；
2)选择不包括Sn-Bi的金属粉末和有机粘接剂粉末，其中金属粉末和有机粘接剂粉末的粒径范围为2.0-20μm，在混粉器中将金属粉末和有机粘接剂粉末进行混合均匀处理，制成混合粉末，金属粉末与有机粘接剂粉末的比例为2-5:1；将经过混和均匀处理后的混合粉末进行保温处理，温度为80-150℃；
3)在计算机上利用CAD三维制图软件对金属件的STL三维模型进行修正、切片分层处理，层厚为0.3-3mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；
4)在激光选区烧结成形机的成形缸内，将步骤2)中的混合粉末铺平，并进行预热处理，此时温度控制在100-200℃；控制激光器的参数，激光器功率为200-400W，打印速率为0.05-0.1m/min，光斑直径为3-8mm，搭接率为10％-20％；启动保护气体供气装置，打印过程中，惰性保护气体的气压为0.1-0.5MPa；激光烧结的温度控制在金属粉末熔点绝对温度的2/3-4/5；最终生成三维实体成形件坯件；
5)完成上述步骤4)后，将三维实体成形件坯件先进行保温处理2-4h，其中温度控制在100-200℃，经过保温处理后进行冷却使烧结过程更加充分，将冷却后的三维实体成形件坯件由成形缸中取出，置入脱粘装置中进行物理脱粘和/或化学脱粘；其中脱粘装置包括脱粘室、加热系统、温控系统、脱粘剂添加系统、真空保护气体系统和控制系统；控制系统分别与加热系统、温控系统、脱粘剂添加系统、真空保护气体系统控制连接；温控系统还与加热系统相连接；
物理脱粘包括在脱粘室中，控制系统控制开启真空保护气体系统、加热系统和温控系统，对三维实体成形件坯件进行加热，使得粘接剂熔化，此时真空保护气体的气体压力范围为0.1-0.5MPa，加热系统的温度范围高于粘接剂熔化温度30-50℃，然后进行保温2-3h，使得物理脱粘过程充分得以完成；
化学脱粘也在脱粘室中进行；控制开启真空保护气体系统和脱粘剂添加系统，其中真空保护气体的气体压力范围为0.1-0.5MPa，脱粘剂包括主要化学脱粘剂和辅助化学脱粘剂，主要化学脱粘剂包括由碱、螯合剂组成的碱性脱粘剂，辅助化学脱粘剂包括甲醛树脂，其中主要化学脱粘剂与辅助化学脱粘剂的重量份数比为3-5:1，控制反应时间为2-5h，可使化学脱粘过程得以充分完成；
6)为使最终的成形件具有零收缩膨胀率，将足量的Sn-Bi合金放置在熔化炉内加热至熔化，加热温度为140-160℃；保温时间为1-2h；
7)将上述步骤5)经过物理脱粘和/或化学脱粘处理后的三维实体成形件坯件进行表面酸洗和/或水洗清洁处理后，放置于处理室内，并将该处理室保温并抽真空，此时压力范围为0.1-0.5个大气压；温度范围为140-160℃，以保证成形件的氧含量不超标，保温1-2h后，将其与上述步骤6)中熔化的Sn-Bi合金进行渗金属处理，这时处理室的压力升至2-3个大气压，以保证液态Sn-Bi合金的完全渗入；
8)完成上述步骤后，测量三维实体成形件所渗入的Sn-Bi合金实测重量，将该实测重量与在预定温度范围内计算得到所渗入的Sn-Bi合金理论重量进行对比，检查是否在±1wt％误差允许范围内，以保证制得的金属件在预定的温度范围内具有零膨胀率和零收缩率；将渗入Sn-Bi合金后的最终成形件进行打磨、抛光后处理。
2.根据权利要求1所述的一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法，其特征在于：上述步骤4)中采用的激光器类型为二氧化碳激光器或者光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法，其特征在于：所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一种或者组合。
4.根据权利要求1所述的一种制备零膨胀收缩率金属件的激光选区烧结方法，其特征在于：所述的粘接剂包括羧甲基纤维素钠、环氧树脂、丙烯酸树脂、丙烯酰胺、有机硅中的一种或其组合。
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