CN109940163B

CN109940163B - 一种强化3d打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法

Info

Publication number: CN109940163B
Application number: CN201910403931.9A
Authority: CN
Inventors: 黄春杰; 刘剑
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN109940163A

Abstract

本发明公开了一种强化3D打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法，首先用金属3D打印技术预先制备具有一定表面形状的金属零部件，其次根据金属零部件的表面形状采取相应的后处理工艺：对金属块材表面预制凹槽或者盲孔，清洗去污，将增强相添加至凹槽或盲孔，然后金属薄板盖面，或先对金属块材表面清洗和喷砂，再采用喷涂技术喷涂预先混合的粉末原料，在金属块材表面进行耐磨涂层的制备，最后用搅拌工具对金属块材表面进行相同方向的1、2、3道次对搅拌摩擦改性的表面增强处理。本发明大幅度提高机械零部件的耐磨性和使用寿命，搅拌摩擦加工和喷涂过程简单，实现不同尺寸金属3D打印板材或复杂零部件的表面防护，更有效、经济和易于实现自动化。

Description

一种强化3D打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法

技术领域

本发明涉及表面工程技术领域，具体涉及一种强化3D打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法。

背景技术

3D打印金属及合金中是目前最具前沿和潜力的行业之一，是先进金属材料制造技术的重点研究方向。其主要优点是成型零件致密度高、尺寸精度高，与传统减材制造相比，可节约大量材料，可直接用于制造各种复杂形状的精密金属零部件，在复杂模具、个性化医学零件、航空航天和汽车工业等领域具有突出的技术优势。

目前，金属3D打印已涵盖铝合金、不锈钢、钛合金和镍基高温合金等不同的材料体系，但金属合金材料存在摩擦系数高、耐磨性差等严重缺点，严重限制了金属零部件在先进的工业装备中的应用，进而严重影响工业装备技术水平的提高。由于目前金属3D打印设备和工艺的限制，难以直接精准的在腔室成型的金属零部件表面制备一层耐磨的陶瓷/金属材料，降低了金属零部件表面的耐磨性，且材料的摩擦、粘着、磨损等失效行为均为起源于金属部件表面并逐渐发展为断裂行为。因此，如何实现提高成型后金属零部件表面耐磨性能，同时保持基体的高强的特性，对扩大3D成型金属零部件的应用范围和应用寿命具有重大意义。

由于受金属低耐磨性的这一固有本性限制，采用发展新型的3D打印合金粉末材料设计思路，难以有效的解决3D打印金属零部件表面耐磨性能差的这一缺点。机械工业常采用耐磨涂层工艺对机械关键零部件进行金属表面涂层处理，可大幅度提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命，改善3D打印金属零部件表面性能，使之具有较高的硬度、良好的耐磨性和高温抗氧化性能。因此，通过采用先进的表面工程后处理技术，在3D打印零部件表面的实际承受接触摩擦磨损作用的特定部位上制备一层具有低摩擦系数、优异耐磨性能、且与部件材料之间结合牢固的陶瓷/金属基复合涂层，无疑是目前在保持3D打印金属零部件固有的高强度等优点的前提下，提高3D打印金属零部件表面耐磨性能最有效的方法之一，可从根本上解决3D打印金属零部件表面摩擦系数高和耐磨性低等固有性能缺点的最有效、最经济、最灵活和最具可设计性的方法之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种强化3D打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种强化3D打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法，首先用金属3D打印技术预先制备具有一定表面形状的金属零部件，其表面几何形貌可以是平面或简单曲面，也可以是复杂曲面；其次根据金属零部件的表面几何行貌采取相应的后处理工艺：1)针对待改性零部件表面是平面或简单曲面的几何行貌，采用机加工在待改性的3D打印金属基板表面沿中心线预制一道凹槽或者一排盲孔，并对块材表面清洗去污；然后将增强相添加至凹槽或盲孔，并采用同种和异种金属薄板进行盖面，最后利用搅拌工具对3D打印金属块材表面进行相同方向的1、2、3道次的表面耐磨涂层的搅拌摩擦加工；或先对待改性的3D打印金属块材表面进行清洗和喷砂处理，采用热喷涂或冷喷涂技术喷涂预先混合的粉末原料，在待改性的3D打印金属块材表面进行耐磨涂层的制备，最后利用搅拌工具对3D打印块材表面进行相同方向的1、2、3道次对搅拌摩擦改性的表面增强处理；2)针对零部件的表面形状是复杂曲面的几何行貌，首先对待改性的3D打印金属块材表面进行清洗和喷砂处理，预先设计喷枪的运动轨迹，采用热喷涂或冷喷涂技术喷涂预先混合的粉末，在待改性的3D打印金属块材表面进行耐磨涂层的制备。

优选地、搅拌摩擦加工制备耐磨涂层添加原料是纯陶瓷粉末或者金属合金粉末与陶瓷粉末充分混合的混合物。

优选地、金属3D打印技术是选择性激光熔化技术、电子束增材制造、电弧增材制造技术或者其它金属增材制造工艺。

优选地、3D打印金属材料是铝合金、不锈钢、钛合金、或者镍基高温合金。

优选地、热喷涂技术是大气等离子喷涂、超音速火焰喷涂、真空等离子喷涂或者低压等离子喷涂。

优选地、热喷涂原料是纯陶瓷粉末或同种/异种金属合金粉末与增强相粉末充分混合的混合物，冷喷涂原料是同种/异种金属合金粉末与增强相粉末充分混合的混合物。

优选地、搅拌摩擦加工中的增强相是SiC、TiN、WC、Al₂O₃、碳纳米管或者石墨烯材料；热喷涂步骤中的陶瓷相是SiC、TiN、WC、Al₂O₃、或YSZ悬浮液；冷喷涂步骤的陶瓷相是SiC、TiN、WC、Al₂O₃、碳纳米管或石墨烯材料。

优选地、热喷涂步骤金属粉末是Co、W、Ti或Ni及其合金；所述的冷喷涂步骤金属粉末是Al合金、Mg合金、不锈钢、青铜、Co、W、Ti合金或Ni基合金。

优选地、喷枪运动轨迹是基于喷枪与零部件距离、喷枪或零部件的移动速度、喷枪与零部件件的角度以及喷涂气体介质来确定的。

优选地、搅拌工具是热作磨具钢、高速钢、WC-Co合金、W-Re合金、或者多晶立方BN材料的搅拌头。

本发明的有益效果是：采用强化3D打印金属表面耐磨性能的表面耐磨涂层制备内容和方法，通过搅拌摩擦加工、热喷涂和冷喷涂等表面涂层制备方法在3D打印的金属表面制备一层陶瓷或陶瓷/金属基耐磨涂层，可大幅度提高机械零部件的耐磨性和使用寿命。本发明可针对3D打印金属零部件表面特定的磨损作用部位制备一层具有低摩擦系数、优异耐磨性能、且与部件材料之间结合牢固的陶瓷或者陶瓷/金属基复合涂层，保持3D打印金属零部件固有的高强度的前提下，提高3D打印金属零部件表面耐磨性能最有效的方法之一，可从根本上解决3D打印金属零部件表面摩擦系数高和耐磨性低等固有性能缺点的最有效、最经济、最灵活和最具可设计性的方法之一，搅拌摩擦加工和喷涂过程简单，可实现不同尺寸金属3D打印板材或者复杂零部件的表面防护，易于实现自动化。

附图说明

图1是3D打印金属表面机加工凹槽示意图

图2是3D打印金属表面机加工盲孔示意图

图3是搅拌摩擦加工在平面或简单曲面3D打印金属表面制备耐磨涂层示意图

图4是搅拌摩擦加工强化3D打印金属表面热喷涂陶瓷/金属复合涂层示意图

图5是搅拌摩擦加工强化3D打印金属表面冷喷涂陶瓷/金属复合涂层示意图

图6是热喷涂在复杂曲面3D打印金属表面制备陶瓷或陶瓷/金属复合涂层示意图

图7是冷喷涂在复杂曲面3D打印金属表面制备陶瓷/金属复合涂层示意图

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

如图1-3所示，首先用金属3D打印技术预先制备具有平面或简单曲面形状的金属零部件；其次根据金属零部件的表面形状采取相应的后处理工艺：采用机加工在待改性的3D打印金属基板表面沿中心线预制一道凹槽或者一排盲孔，并对块材表面清洗去污；然后将增强相添加至凹槽或盲孔，并采用同种和异种金属薄板进行盖面，最后利用搅拌工具对3D打印金属块材表面进行相同方向的1、2、3道次的表面耐磨涂层的搅拌摩擦加工做表面增强处理。

搅拌摩擦加工制备耐磨涂层添加原料是纯陶瓷粉末或者金属合金粉末与陶瓷粉末充分混合的混合物，金属3D打印技术是选择性激光熔化技术、电子束增材制造、电弧增材制造技术或者其它金属增材制造工艺，3D打印金属材料是铝合金、不锈钢、钛合金、或者镍基高温合金，搅拌摩擦加工中的增强相是SiC、TiN、WC、Al₂O₃、碳纳米管或者石墨烯材料，搅拌工具是热作磨具钢、高速钢、WC-Co合金、W-Re合金、或者多晶立方BN材料的搅拌头。

实施例2

如图4-5所示，首先用金属3D打印技术预先制备具有平面或简单曲面形状的金属零部件；其次根据金属零部件的表面形状采取相应的后处理工艺：对待改性的3D打印金属块材表面进行清洗和喷砂处理，采用热喷涂或冷喷涂技术喷涂预先混合的粉末原料，然后在待改性的3D打印金属块材表面进行耐磨涂层的制备，最后利用搅拌工具对3D打印块材表面进行相同方向的1、2、3道次对搅拌摩擦改性的表面增强处理。

金属3D打印技术是选择性激光熔化技术、电子束增材制造、电弧增材制造技术或者其它金属增材制造工艺，3D打印金属材料是铝合金、不锈钢、钛合金、或者镍基高温合金，热喷涂技术是大气等离子喷涂、超音速火焰喷涂、真空等离子喷涂或者低压等离子喷涂，热喷涂原料是纯陶瓷粉末或同种/异种金属合金粉末与增强相粉末充分混合的混合物，冷喷涂原料是同种/异种金属合金粉末与增强相粉末充分混合的混合物，搅拌摩擦加工中的增强相是SiC、TiN、WC、Al₂O₃、碳纳米管或者石墨烯材料，热喷涂步骤中的陶瓷相是SiC、TiN、WC、Al₂O₃、或YSZ悬浮液，冷喷涂步骤的陶瓷相是SiC、TiN、WC、Al₂O₃、碳纳米管或石墨烯材料，热喷涂步骤金属粉末是Co、W、Ti或Ni及其合金，冷喷涂步骤金属粉末是Al合金、Mg合金、不锈钢、青铜、Co、W、Ti合金或Ni基合金，喷枪运动轨迹是基于喷枪与零部件距离、喷枪或零部件的移动速度、喷枪与零部件件的角度以及喷涂气体介质来确定的，搅拌工具是热作磨具钢、高速钢、WC-Co合金、W-Re合金、或者多晶立方BN材料的搅拌头。

实施例3

如图6-7所示，首先用金属3D打印技术预先制备具有复杂曲面形状的金属零部件；其次根据金属零部件的表面形状采取相应的后处理工艺：首先对待改性的3D打印金属块材表面进行清洗和喷砂处理，预先设计喷枪的运动轨迹，采用热喷涂或冷喷涂技术喷涂预先混合的粉末，在待改性的3D打印金属块材表面进行耐磨涂层的制备。

金属3D打印技术是选择性激光熔化技术、电子束增材制造、电弧增材制造技术或者其它金属增材制造工艺，3D打印金属材料是铝合金、不锈钢、钛合金、或者镍基高温合金，热喷涂技术是大气等离子喷涂、超音速火焰喷涂、真空等离子喷涂或者低压等离子喷涂，热喷涂原料是纯陶瓷粉末或同种/异种金属合金粉末与增强相粉末充分混合的混合物，冷喷涂原料是同种/异种金属合金粉末与增强相粉末充分混合的混合物，热喷涂步骤中的陶瓷相是SiC、TiN、WC、Al₂O₃、或YSZ悬浮液，冷喷涂步骤的陶瓷相是SiC、TiN、WC、Al₂O₃、碳纳米管或石墨烯材料，热喷涂步骤金属粉末是Co、W、Ti或Ni及其合金，冷喷涂步骤金属粉末是Al合金、Mg合金、不锈钢、青铜、Co、W、Ti合金或Ni基合金，喷枪运动轨迹是基于喷枪与零部件距离、喷枪或零部件的移动速度、喷枪与零部件件的角度以及喷涂气体介质来确定的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种强化3D打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法，其特征在于：首先用金属3D打印技术预先制备具有一定表面形状的金属零部件，其表面几何形貌是平面或简单曲面，或者是复杂曲面；其次根据金属零部件的表面几何形貌采取相应的后处理工艺：对待改性零部件表面是平面或简单曲面的几何形貌，采用机加工在待改性的3D打印金属基板表面沿中心线预制一道凹槽或者一排盲孔，并对块材表面清洗去污；然后将增强相添加至凹槽或盲孔，并采用同种或异种金属薄板进行盖面，最后利用搅拌工具对3D打印金属块材表面耐磨涂层进行相同方向1、2、3道次的搅拌摩擦加工。

2.根据权利要求1所述的强化3D打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法，其特征在于：所述的金属3D打印技术是选择性激光熔化技术、电子束增材制造或电弧增材制造技术。

3.根据权利要求1所述的强化3D打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法，其特征在于：所述的3D打印金属块材是铝合金、不锈钢、钛合金、或者镍基高温合金。

4.根据权利要求1所述的强化3D打印金属零部件表面耐磨性能的后处理方法，其特征在于：所述的搅拌工具是热作磨具钢、高速钢、WC-Co合金、W-Re合金、或者多晶立方BN材料的搅拌头。