CN109351918B - 一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，本发明涉及微构件液态成形方法领域。本发明要解决现有单一力场成形过程中，微构件成形不完整、机械性能不稳定的技术问题。方法：制做微模型，组模；多物理场辅助制备石膏铸型；脱蜡，铸型焙烧；电场辅助金属熔化；多物理场辅助浇注成形；脱模，清理，获得金属微构件。本发明方法无需后续加工，可一次成形，微构件成形完整，表面质量优异。本发明方法用于金属微构件成形领域。

Description

一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法
技术领域
本发明涉及微构件液态成形方法领域。
背景技术
随着各类商业化的微型产品在军用、民用以及航空航天领域的应用的不断深入，微构件的加工方法也在不断丰富。从最初应用于硅基材料的表面刻蚀技术、LIGA技术，到适用于金属材料的微细电火花技术、超精密加工技术及微成形技术等。并且，随着金属材料在微产品中的比例不断增加，可用于金属微构件加工成形的微成形技术也更受到关注。在上述技术中，微液态成形方法作为一种能够高效、快速加工高复杂程度金属微构件的近终成形技术，一直是研究的重点。
目前的微液态成形方法多是从传统的铸造工艺演变而来，都是单一的力场成形(重力场或压力场)，并且金属的熔炼与铸型的浇注过程是分开进行的，这样就导致不能在一个最佳的浇注温度区间进行浇注，且在微构件成形过程中，由于表面效应以及气体反压等因素的影响，微构件很难完整成形。此外，为保证铸型有足够的强度(尤其在压力场下)，需要在铸型材料中加入填料，制作工艺相对复杂。
发明内容
本发明要解决现有单一力场成形过程中，微构件成形不完整、机械性能不稳定的技术问题，而提出的一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法。
一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，具体按以下步骤进行：
一、利用增材制备技术制作塑料微模型，采用石蜡制作浇注系统蜡模；
二、将步骤一制备的塑料微模型与浇注系统蜡膜焊联，得到塑料微模型；
三、将超细精密铸造石膏粉、石膏缓凝剂、消泡剂和去离子水混合，充分搅拌，得到石膏浆料；
四、采用步骤三制备的石膏浆料包埋步骤二得到的塑料微模型，得到石膏铸型，然后将石膏铸型放置到真空环境中，在超声作用下凝固成形；然后自然干燥，再放入预热温度为70～350℃的电阻炉中进行脱蜡、脱模，然后继续加热到500～1000℃，烧结石膏型，再保温1～2h，得到预制铸型；
五、将合金放入石墨坩埚中，进行熔炼，熔炼过程引入电磁搅拌，得到合金液；
六、将步骤四制备的预制铸型放入铸造室，在真空环境下，采用步骤五得到的合金液浇注成形，然后进行凝固，凝固过程施加超声场和压力场；冷却到室温，即可开模、清理，获得金属微构件，完成所述多物理场复合作用的微构件液态成形方法。
本发明中步骤五和步骤六的操作是同时进行的，实现熔铸一体成形。
本发明的有益效果是：
本发明实现了真空条件下多物理场复合作用下微构件的微液态成形，微构件从制模到成形都是在各种物理场的辅助下进行，由于微构件尺寸在亚毫米及微米量级，在成形过程中会受到型腔内气体反压力以及金属液与铸型之间表面张力的影响，真空环境可最大限度减小气体反压力的影响，施加压力可消除表面张力的影响，保证微构件成形的完整性；超声场可细化金属微构件的显微组织，提高机械性能，因此本发明解决了现有单一力场成形过程微构件成形不完整、机械性能不稳定等弊端，且工艺成本低廉、高效，熔铸一体成形，减少后续加工，是目前最适合成形复合微构件的微成形方法。
本发明在现有的单一力场成形的微细加工体系之外，提出了真空条件下多物理场复合作用微构件液态成形方法，并能够实现根据使用要求进行不同物理场的交叉设计、使用，微构件一次成形，无需后续加工，微构件成形完整，表面质量优异，是目前最适合成形具有三维复杂结构的金属微构件的微成形方法。
本发明用于制备金属微构件。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的多物理场复合作用的微构件液态成形方法的过程简图，其中1代表熔炼室(真空环境)，2代表漏液口，3代表浇注室(真空环境)，4代表电磁搅拌装置；5代表超声波发生装置，6代表预制铸型，7代表压力发生装置。
图2为实施例一制备的石膏铸型的扫描电镜图。
图3为实施例一制备的金属微构件的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，具体按以下步骤进行：
一、利用增材制备技术制作塑料微模型，采用石蜡制作浇注系统蜡模；
二、将步骤一制备的塑料微模型与浇注系统蜡膜焊联，得到塑料微模型；
三、将超细精密铸造石膏粉、石膏缓凝剂、消泡剂和去离子水混合，充分搅拌，得到石膏浆料；
四、采用步骤三制备的石膏浆料包埋步骤二得到的塑料微模型，得到石膏铸型，然后将石膏铸型放置到真空环境中，在超声作用下凝固成形；然后自然干燥，再放入预热温度为70～350℃的电阻炉中进行脱蜡、脱模，然后继续加热到500～1000℃，烧结石膏型，再保温1～2h，得到预制铸型；
五、将合金放入石墨坩埚中，进行熔炼，熔炼过程引入电磁搅拌，得到合金液；
六、将步骤四制备的预制铸型放入铸造室，在真空环境下，采用步骤五得到的合金液浇注成形，然后进行凝固，凝固过程施加超声场和压力场；冷却到室温，即可开模、清理，获得金属微构件，完成所述多物理场复合作用的微构件液态成形方法。
本实施方式在现有的单一力场成形的微细加工体系之外，提出了真空条件下多物理场复合作用微构件液态成形方法，并能够实现根据使用要求进行不同物理场的交叉设计、使用，微构件一次成形，无需后续加工。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中超细精密铸造石膏粉的目数大于200目。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中石膏缓凝剂为柠檬酸，消泡剂为有机硅油。其它与具体实施方式一或二相同。
石膏铸型不需要添加传统石膏铸型中常用的填料(如石英粉、玻璃纤维等)。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中按照质量份数，超细精密铸造石膏粉为100份，石膏缓凝剂为0.5份，消泡剂为0.5～1份，去离子水为36～42份。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中搅拌时间为1～5min。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中超声功率为100～300W，频率为20KHz～100KHz。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中保温温度低于合金熔点100～150℃。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤五中熔炼温度高于合金熔点40℃。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤五中合金为锌合金、铝合金、铜合金或镁合金。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤六中超声场的超声功率为100～300W，频率为20KHz～100KHz。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤六中压力场的外场压力为0～0.3MPa。其它与具体实施方式一至十之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，具体按以下步骤进行：
一、利用增材制备技术制作塑料微模型，采用浇注系统制作蜡模；
二、将步骤一制备的塑料微模型与浇注系统蜡膜焊联，得到塑料微模型；
三、将超细精密铸造石膏粉、石膏缓凝剂、消泡剂和去离子水混合，充分搅拌，得到石膏浆料；其中超细精密铸造石膏粉的目数大于200目，步骤三中石膏缓凝剂为柠檬酸，消泡剂为有机硅油，按照质量份数，超细精密铸造石膏粉为100份，石膏缓凝剂为0.5份，消泡剂为0.5份，去离子水为40份；
四、采用步骤三制备的石膏浆料包埋步骤二得到的塑料微模型，得到石膏铸型，然后将石膏铸型放置到真空环境中，在超声作用下凝固成形，超声功率为200W，频率为60KHz；然后自然干燥，再放入预热温度为350℃的电阻炉中进行脱蜡、脱模，然后继续加热到1000℃，烧结石膏型，再保温2h，保温温度为1000℃，得到预制铸型；
五、将合金放入石墨坩埚中，进行熔炼，熔炼温度620℃，熔炼过程引入电磁搅拌，得到合金液；合金为铝合金；
六、将步骤四制备的预制铸型放入铸造室，在真空环境下，采用步骤五得到的合金液浇注成形，然后进行凝固，凝固过程施加超声场和压力场，超声场的超声功率为300W，频率为100KHz；冷却到室温，即可开模、清理，获得金属微构件，完成所述多物理场复合作用的微构件液态成形方法。
本实施例制备的石膏铸型的扫描电镜图如图2所示。
本实施例制备的金属微构件的扫描电镜图如图3所示。
由图可以看出微构件完美的复制了铸型结构，形状完整，表面光洁，证明多物理场复合作用的微液态成形方法能够完美制备微尺度构件。

Claims (6)

1.一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、利用增材制备技术制作塑料微模型，采用石蜡制作浇注系统蜡模；
二、将步骤一制备的塑料微模型与浇注系统蜡膜焊联，得到微模型；
三、将超细精密铸造石膏粉、石膏缓凝剂、消泡剂和去离子水混合，充分搅拌，得到石膏浆料；
四、采用步骤三制备的石膏浆料包埋步骤二得到的微模型，得到石膏铸型，然后将石膏铸型放置到真空环境中，在超声作用下凝固成形；然后自然干燥，再放入预热温度为70~350℃的电阻炉中进行脱蜡、脱模，然后继续加热到500~1000℃，烧结石膏型，再保温1~2h，得到预制铸型；
五、将合金放入石墨坩埚中，进行熔炼，熔炼过程引入电磁搅拌，得到合金液；
六、将步骤四制备的预制铸型放入铸造室采用重力浇注，在真空环境下，采用步骤五得到的合金液浇注成形，然后进行凝固，凝固过程施加超声场和压力场；冷却到室温，即可开模、清理，获得金属微构件，完成所述多物理场复合作用的微构件液态成形方法；
步骤四中超声功率为100~300W，频率为20 KHz ~100KHz；
步骤五中合金为锌合金、铝合金、铜合金或镁合金；
步骤六中超声场的超声功率为100~300W，频率为20 KHz ~100KHz；
步骤六中压力场的外场压力为0.3MPa。
2.根据权利要求1所述的一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，其特征在于步骤三中超细精密铸造石膏粉的目数大于200目。
3.根据权利要求1所述的一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，其特征在于步骤三中按照质量份数，超细精密铸造石膏粉为100份，石膏缓凝剂为0.5份，消泡剂为0.5~1份，去离子水为36~42份。
4.根据权利要求1所述的一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，其特征在于步骤三中搅拌时间为1~5min。
5.根据权利要求1所述的一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，其特征在于步骤四中保温温度低于合金熔点100~150℃。
6.根据权利要求1所述的一种多物理场复合作用的微构件液态成形方法，其特征在于步骤五中熔炼温度高于合金熔点40℃。
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