CN108543935B - 一种3d打印结合真空消失模制备金属基shs耐磨涂层的方法 - Google Patents

一种3d打印结合真空消失模制备金属基shs耐磨涂层的方法 Download PDF

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Abstract

一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，属于金属基复合材料制备技术领域。本发明采用3D打印打印出任意形状的空心模具，将其代替传统实心的泡沫模型的消失模模具，结合真空消失模铸造及自蔓延高温合成技术，实现耐磨涂层与金属铸件材料的同步制备。采用3D打印技术制备的空心模具形状尺寸不受限制，可以有效降低金属浇铸液在真空消失模铸造过程中的热量损失，有利于维持SHS反应完全，同时去除了泡沫塑料分解造成的碳残留及夹杂问题，从而保证了金属基体与涂层的力学与物理性能。具有操作简单、生产效率高、产品精度高、形状可复杂化、无污染与夹杂、基体与涂层性能优异等优点。

Description

一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，涉及一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法。
背景技术
很多金属及其合金，例如铝及铜合金等，由于其各自优异的特性广泛应用于航空、航天、汽车、机械装备等领域，但因其硬度低、耐磨损性能差等因素，又限制了其应用范围，对于耐高温、抗疲劳及耐高温气流冲刷的需求无法满足。
真空消失模SHS涂层制备是近年来发展起来的一种制备金属基复合材料的方法，将SHS技术和真空消失模铸造工艺相结合。一方面，利用浇铸过程金属液取代沙箱中的泡沫塑料位置实现特定形状铸件的特种铸造手段；另一方面，利用浇铸金属液的热量维持SHS反应的持续进行，在金属基体表面原位生成硬质颗粒强化涂层，具有生产成本低，生产效率高、基体与涂层结合强度高、等优势。其中，TiC具有优异物理化学性能，如高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特殊性能，是优良的耐磨涂层增强体材料，也是自蔓延形成的典型材料。
目前，主要采用实心泡沫塑料作为消失模模具，在金属液浇铸过程中，金属液的热量逐步将泡沫塑料分解，一方面吸收大量浇铸液的热量，导致维持SHS反应持续进行的热量大幅度降低，不足以维持铜基、铝基材料(熔炼温度相对较低)的SHS反应的完全进行，导致影响涂层质量较差；另一方面，泡沫塑料分解，在金属铸件中残留大量碳元素，形成夹杂，严重影响金属铸件的质量。因此，如何降低消失模模具分解的能量，去除碳元素夹杂，是制备高性能的金属基SHS耐磨涂层的关键之一。
3D打印技术是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。本发明提出一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，采用3D打印技术打印出的聚乳酸(PLA)的空心模具来代替传统的泡沫塑料消失模模具，实现高性能的金属基SHS耐磨涂层的制备。采用3D打印空心消失模模具，一方面，省去繁琐复杂的白区发泡制备泡沫塑料的工艺，另一方面，减少浇铸液热量损失及残碳问题，保证金属铸件的质量，从而能够制备任意复杂形状且表面具有更高精度的高性能的耐磨铸件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法。采用3D打印的空心模具作为真空消失模的铸造模具，大幅度减少金属浇铸液的热量损失，使到达SHS涂层的热量足够维持SHS自发进行完全。另外，减少实心泡沫塑料分解造成的碳残留问题，解决了碳化物在铸件中夹杂的问题。本发明方法操作简单、生产效率高、产品精度高、形状可复杂化、且强化相原位生成，避免了污染与夹杂，保证金属基体与强化涂层的力学与物理性能。
一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，其具体步骤为：
(1)3D打印空心模具：按照图纸尺寸要求，利用3D打印技术，打印出符合形状要求的聚乳酸(PLA)的空心模具；
(2)涂层合金粉制备：按照SHS反应Ti+C＝TiC进行配料，遵循反应式计量数配比，并加入总质量百分数5％-20％的助燃剂粉末，然后将复合粉末进行球磨混料，球料比5：1，混合1-24h，制成混合粉末；
(3)涂层膏状体制备：将步骤(2)中的混合粉末与饱和聚乙烯醇水溶液混合，饱和聚乙烯醇水溶液与混合粉末的质量比为1:50-1:100，并调制成膏状；
(4)涂覆与干燥：将步骤(3)中的膏状体均匀涂覆在步骤(1)中的空心模具表面，在烘箱中40-80℃干燥2-12h；
(5)挂涂料与埋砂：在步骤(4)中干燥后的膏状体与空心模具的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在40-80℃干燥5-24h后埋入砂箱，真空泵抽至真空度0.01～0.08MPa；
(6)合金熔炼与浇铸：在中频感应电炉中熔炼金属液，除渣除气后浇铸，并利用浇注金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应；
(7)卸真空冷却：铸件冷却一定时间后关闭真空泵，冷却至室温后出箱进行表面清理，得到表面生成耐磨涂层的金属铸件材料。
进一步地，步骤(1)中所述的空心模具利用3D打印技术打印，不受形状限制，可以是任意复杂形状的结构件的空心模具。
进一步地，步骤(2)所述混合粉末粒度为1-50um。
进一步地，步骤(2)所述的助燃剂粉末为聚四氟乙烯(PTFE)粉与Ti粉的混合粉末，质量配比为1:1～1:5。
进一步地，步骤(6)中所述的金属液，可为多种金属及合金，如铁及铁基合金、镍及镍合金、铜及铜合金或铝及铝合金等。
进一步地，步骤(7)中所述耐磨涂层的硬质相为TiC。
进一步地，步骤(7)中所述耐磨涂层的厚度为1-10mm。
本发明的优点：
(1)利用3D打印技术打印的空心模具代替传统实心泡沫塑料模具，模具的形状尺寸不受限制，可以生产任意复杂形状的铸件；
(2)省去繁琐复杂的白区发泡制备泡沫塑料的工艺，且表面精度提升；
(3)大幅度降低了金属浇铸液在真空消失模铸造过程中的热量损失，有利于维持SHS反应完全，从而保证涂层的力学与物理性能；
(4)有利于去除了泡沫塑料分解造成的碳残留及夹杂问题，保证了金属铸件的力学性能；
(5)操作简单、生产效率高、产品精度高、形状可复杂化、避免了污染与夹杂，有利于实现工业化生产。
具体实施方式
实施案例1：
(1)按照图纸尺寸要求，利用3D打印技术，打印出符合形状要求的聚乳酸(PLA)的空心模具；
(2)按重量配比称取粒度1-50um的Ti粉68％，1-50um的C粉17％，自制助燃剂粉末(质量比PTFE：Ti＝1：3)15％在球磨机中混料2小时；
(3)将混合均匀后的粉末与饱和聚乙烯醇水溶液混合并调制成膏状，饱和聚乙烯醇水溶液与混合粉末的质量比为1：70；
(4)将膏状体涂覆于空心模具的表面，厚度为8mm，45℃干燥10小时；
(5)在步骤(4)得到的干燥后涂覆有膏状体与空心模具的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在60℃烘干15小时后埋入砂箱，真空泵抽至真空度0.05MPa；
(6)在中频感应电炉中按牌号熔炼ZL107，除渣除气后进行浇铸，将砂箱内空心模样烧尽，实现真空消失模铸造，并利用浇注金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应，形成陶瓷硬质相TiC；
(7)铸件冷却一定时间后关闭真空泵，冷却至室温后出箱进行表面清理，得到表面生成TiC耐磨涂层的ZL107铸件材料，基体表面光洁规整，涂层与基体冶金结合，涂层厚度7.6mm。
实施案例2：
(1)按照图纸尺寸要求，利用3D打印技术，打印出符合形状要求的聚乳酸(PLA)的空心模具；
(2)按重量配比称取粒度1-50um的Ti粉76％，1-50um的C粉19％，自制助燃剂粉末(质量比PTFE：Ti＝1：1)5％在球磨机中混料2小时；
(3)将混合均匀后的粉末与饱和聚乙烯醇水溶液混合并调制成膏状，饱和聚乙烯醇水溶液与混合粉末的质量比为1：50；
(4)将膏状体涂覆于空心模具的表面，厚度为7mm，60℃干燥6小时；
(5)在步骤(4)得到的干燥后涂覆有膏状体与空心模具的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在45℃烘干24小时后埋入砂箱，真空泵抽至真空度0.08MPa；
(6)在中频感应电炉中熔炼纯铜，除渣除气后进行浇铸，将砂箱内空心模样烧尽，实现真空消失模铸造，并利用浇注金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应，形成陶瓷硬质相TiC：
(7)铸件冷却一定时间后关闭真空泵，冷却至室温后出箱进行表面清理，得到表面生成TiC耐磨涂层的纯铜铸件材料，基体表面光洁规整，涂层与基体冶金结合，涂层厚度6.7mm。

Claims (4)

1.一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，其特征在于：将3D打印与真空消失模铸造、SHS技术相结合，实现耐磨涂层与金属铸件材料的同步制备，具体步骤如下：
(1)3D打印空心模具：按照图纸尺寸要求，利用3D打印技术，打印出符合形状要求的聚乳酸(PLA)的空心模具；
(2)涂层合金粉制备：按照SHS反应Ti+C＝TiC进行配料，遵循反应式计量数配比，并加入总质量百分数5％-20％的助燃剂粉末，然后将复合粉末进行球磨混料，球料比5：1，混合1-24h，制成混合粉末；
(3)涂层膏状体制备：将步骤(2)中的混合粉末与饱和聚乙烯醇水溶液混合，饱和聚乙烯醇水溶液与混合粉末的质量比为1:50-1:100，并调制成膏状；
(4)涂覆与干燥：将步骤(3)中的膏状体均匀涂覆在步骤(1)中的空心模具表面，在烘箱中40-80℃干燥2-12h；
(5)挂涂料与埋砂：在步骤(4)中干燥后的膏状体与空心模具的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在40-80℃干燥5-24h后埋入砂箱，真空泵抽至真空度0.01～0.08MPa；
(6)合金熔炼与浇铸：在中频感应电炉中熔炼金属液，除渣除气后浇铸，并利用浇注金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应；
(7)卸真空冷却：铸件冷却一定时间后关闭真空泵，冷却至室温后出箱进行表面清理，得到表面生成耐磨涂层的金属铸件材料；
步骤(1)中所述的空心模具利用3D打印技术打印，不受形状限制，可以是任意复杂形状的结构件的空心模具；
步骤(2)所述混合粉末粒度为1-50um；
步骤(2)所述的助燃剂粉末为聚四氟乙烯(PTFE)粉与Ti粉的混合粉末，质量配比为1:1～1:5。
2.按照权利要求1所述一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，其特征在于：步骤(6)中所述的金属液，为多种金属及合金，包括铁及铁基合金、镍及镍合金、铜及铜合金或铝及铝合金。
3.按照权利要求1所述一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，其特征在于：步骤(7)中所述耐磨涂层的硬质相为TiC。
4.按照权利要求1所述一种3D打印结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，其特征在于：步骤(7)中所述耐磨涂层的厚度为1-10mm。
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