CN113909490A - 一种金属零件及其近净成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种金属零件及其近净成形方法，所述近净成型方法包括以下步骤：(1)以金属粉末及粘结剂为原料，采用粘结剂喷射工艺喷印成形金属初坯，并将所述金属初坯进行脱脂预烧结；(2)将得到的所述预烧结件包覆上硅橡胶以形成包套；接着，先后进行冷等静压处理及烧结致密化，继而得到金属零件。所述方法可在较低温度下实现致密化，解决粘结剂喷射金属零件中烧结密度低、收缩率大、不均匀、尺寸难控制的问题，并可以减少尺寸孔隙出现的几率，改善微观组织的均匀性，实现高性能金属零件快速无模制造，降低了成本。

Description

一种金属零件及其近净成形方法
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种金属零件及其近净成形方法。
背景技术
粘结剂喷射技术利用阵列式喷头根据二维截面信息将粘结剂选择性喷射在铺平的金属粉末床上以形成当前层，然后下降一个层厚，再在铺粉棍或者刮刀的运动下铺平下一层需要的粉末，继续选择性喷射粘结剂，并于上一层粘合在一起，依次逐层累加循环至打印完成；打印后经加热固化并清理粉末得到金属初坯，金属初坯经过后续烧结便可以直接成形金属零件。使用粘结剂喷射技术可以实现金属零件的高效率、低成本、快速无模制造，有效节约零件开发、生产时间和金钱成本。
尽管粘结剂喷射金属零件有在工业生产领域大范围应用的前景，然而该技术还存在以下问题需要解决：1.粘结剂喷射成形的金属初坯内部存在大量大尺寸孔隙(孔隙尺寸数倍于粉末颗粒直径，层与层之间分布更多)，通过直接烧结无法高效率的去除，残留孔隙率大于10％，金属零件烧结密度较低，减弱了粘结剂喷射烧结件的动静态力学性能和腐蚀性能；2.由于金属初坯堆积密度较低(40％～60％)，远低于金属注射成形(大于65％)和模压(大于80％)的初坯密度，因此需要在很高的烧结温度致密化，而温度越高，材料软化影响越明显，发生高温蠕变，不利于粘结剂喷射零件形状控制；3.金属初坯的低堆积密度还会导致高温烧结过程中线收缩较大(12％～20％)，当成形较大尺寸零件时，金属零件下底面由于与烧结炉膛接触摩擦，限制了下底面烧结收缩，出现“象脚型”烧结缺陷，导致零件报废；4.初坯内部孔隙大小和位置分布的不均匀导致高温烧结致密化程度不同，由此会引起微观组织的不均匀，如孔隙沿着层厚度方向呈带状分布，个别晶粒异常长大，对金属零件力学性能也有负面影响。
冷等静压技术通过以密闭容器中的高压液体作为传力介质作用在包套上，包套内粉末颗粒在压力作用下发生颗粒重排和塑性变形。冷等静压是常用于硬质合金和陶瓷材料的一种烧结坯料准备工艺，可以制备简单形状的高密度初坯，便于后续烧结致密化。然而常规冷等静压技术需要设计模具，且无法成形复杂形状的金属零件，一般作为一种材料制备技术。此外，目前少有的冷等静压与喷射工艺结合的技术方案中，制备工艺繁琐，包套需要提前制备，时间成本等较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属零件及其近净成形方法，所述方法可在较低温度下实现致密化，解决粘结剂喷射金属零件中烧结密度低、收缩率大、不均匀、尺寸难控制的问题，并可以减少大尺寸孔隙出现的几率，改善微观组织的均匀性，实现高性能金属零件快速无模制造。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属零件的近净成形方法，所述方法包括以下步骤：
(1)以金属粉末及粘结剂为原料，采用粘结剂喷射工艺喷印成形金属初坯，并将所述金属初坯进行脱脂预烧结；
(2)将得到的所述预烧结件浸入液态硅橡胶，待硅橡胶固化后形成包套；接着，先后进行冷等静压处理及烧结致密化，继而得到金属零件。
进一步地，以金属粉末和粘结剂作为原料，并制备待成形的金属零件的三维模型；接着，使用粘结剂喷射设备按照所述三维模型喷印成形金属初坯。
进一步地，粘结剂喷射时的层厚为30μm～200μm，粘结剂喷射饱和度为5％～100％。
进一步地，脱脂所采用的最高温度为金属粉末固相线温度的0.65倍～0.82倍，保温时间选择为0.1h～24h，预烧结过程中线收缩控制在3％以内，密度增加控制在10％以内。
进一步地，将得到的预烧结件在抽真空条件下浸入液态A/B混合常温自固化硅橡胶，硬度选择邵氏硬度10～45，固化时间为6h～24h，待硅橡胶固化后形成冷等静压包套，然后进行冷等静压处理。
进一步地，冷等静压过程中的升压及降压速率为0.1MPa/min～50MPa/min，最高压强为200MPa～600MPa，保压时间为1min～20min，常温下进行。
进一步地，烧结致密化时烧结气氛选择为真空、氢气、氮气、氩气及氩气-氢气混合气体中的一种，最高温度选择为金属粉末固相线温度的0.85倍～0.98倍，保温时间选择0.5h～12h，升温速率为0.1℃/min～20℃/min。
进一步地，所述金属粉末为气雾化、水雾化或者等离子雾化的球形粉末，粒径为0.1μm～103μm。
进一步地，所述金属粉末包括Ti、Ti6Al4V、NI625、NI718、纯Fe、17-4PH、316及420合金粉末中的任一种或者多种。
按照本发明的另一个方面，提供了一种采用如上所述的金属零件的近净成形方法成形得到的金属零件。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的金属零件及其近净成形方法主要具有以下有益效果：
1.本发明通过冷等静压处理粘结剂喷射的金属预烧结件，预烧结件在压力作用下颗粒重排及塑性变形，进而大尺寸孔隙量减少，经过后续高温烧结致密化处理后孔隙率降低，还可以提高金属烧结件密度，改善微观组织均匀性，提高了最终金属零件的性能。
2.现有粘结剂喷射成形金属零件初坯密度较低，需要更高的烧结温度来提高原子运动活性，以晶粒长大的代价减少大尺寸孔隙的存在，便于获得尽量高的致密度。而本发明预烧结件经过冷等静压处理，提高了高温烧结致密化之前坯体的致密度，增加了粉末颗粒的配位数，可以在低于直接粘结剂喷射-高温烧结温度20℃～100℃的情况下进行烧结致密化，在更低的烧结温度下获得更高的致密度，减弱了金属材料高温软化蠕变对零件保持的不利影响，提高了最终金属零件的尺寸精度。
3.本发明采用粘结剂喷射金属零件预烧结后再进行冷等静压处理，与现有的直接冷等静压相比，可以自己包覆硅橡胶形成密封包套后进行冷等静压处理，不需要提前制作冷等静压包套，可以成形复杂形状的金属零件。
4.本发明中的预烧结过程用于去除粘结剂，使得金属颗粒之间形成原子结合，为后续包裹硅橡胶-冷等静压处理提供了良好的强度和塑性，保障了冷等静压处理时零件的完整度。
5.本发明通过冷等静压处理的预烧结件相对密度可以大幅度提高至80％以上，在后续高温烧结致密化过程中线收缩可降低至7％以下，可以有效降低甚至避免自重过大引起的不规则变形。
附图说明
图1是本发明提供的金属零件的近净成形方法的流程示意图；
图2中的(a)、(b)分别是预烧结零件经冷等静压处理前后的微观组织光镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供的一种金属零件的近净成形方法，所述方法采用粘结剂喷射方法将铁基、镍基、钛基等金属粉末制备成金属初坯，再将该初坯放入脱脂炉内温脱脂烧结，然后将预烧结件浸入液态A/B混合常温自固化硅橡胶内形成冷等静压包套并进行冷等静压处理，去除硅橡胶包套并进行高温烧结致密化处理，最终获得高性能高精度金属零件。
所述近净成形方法主要包括以下步骤：
步骤一，以金属粉末和粘结剂作为原料，并制备待成形的金属零件的三维模型；接着，使用粘结剂喷射设备按照所述三维模型喷印成形金属初坯。所述金属初坯还被进行了固化及清粉处理。
具体地，所述金属粉末为气雾化、水雾化、等离子雾化的球形粉末，粒径为0.1μm～103μm，其包括Ti、Ti6Al4V、NI625、NI718、纯Fe、17-4PH、316及420合金粉末的任一种或者多种。其中，粘结剂喷射时的层厚为30μm～200μm，粘结剂喷射饱和度为5％～100％。
步骤二，将所述金属初坯置于炉内进行脱脂预烧结。
具体地，预烧结使得金属粉末颗粒由粘结剂黏结提供强度转变为原子结合来提供强度，且强度和塑性大幅提高，便于后续包套及冷等静压处理。预烧结可以在真空、氢气、氩气或者氩气-氢气混合气体中进行，脱脂所采用的最高温度为固体颗粒固相线温度的0.65倍～0.82倍，保温时间选择为0.1h～24h，预烧结过程中线收缩控制在3％以内，密度增加控制在10％以内。
步骤三，将得到的预烧结件在抽真空条件下浸入液态A/B混合常温自固化硅橡胶，待硅橡胶固化后形成冷等静压包套，然后进行冷等静压处理。
冷等静压处理过程中，预烧结件内的粉末颗粒发生颗粒重排、塑性变形等过程，预烧结件均匀收缩，大尺寸孔隙数量减少，微观组织变得更加均匀，相对密度大幅提高。
本实施方式中，选择液态A/B混合常温自固化硅橡胶，邵氏硬度10-45，固化时间为6h～24h，冷等静压过程中的升压及降压速率为0.1MPa/min～50MPa/min，最高压强为200MPa～600MPa，保压时间为1min～20min，常温下进行。
步骤四，将所述预烧结件上的硅橡胶包套去除，并转移至高温炉内进行烧结致密化，炉冷后得到高精度高性能的金属零件。
具体地，高温炉内进行的高温烧结过程中发生冶金结合，孔隙大幅度减少甚至消失，晶粒长大，致密度提高至98％以上，力学性能和化学腐蚀性能大幅度提高。
本实施方式中，高温烧结致密化是在真空、氢气、氮气、氩气或者氩气-氢气混合气体内进行，高温烧结时的最高温度选择为金属颗粒固相线温度的0.85倍～0.98倍，保温时间选择0.5h～12h，升温速率为0.1℃/min～20℃/min。
本发明还提供了一种金属零件，所述金属零件是采用如上所述的金属零件的近净成形方法制备的。
以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
本发明的实施例1提供的金属零件的近净成形方法主要包括以下步骤：
(1)选择粒为0.1μm-～25μm的水雾化316L奥氏体不锈钢粉末为原材料，使用粘结剂喷射设备成形，然后置于烘箱中于190℃固化3h，清粉得到金属初坯；其中，喷射时的层厚设置为30μm，粘结剂饱和度设置为20％。
(2)将步骤(1)成形的金属初坯置于脱脂炉内进行预烧结，气氛选择为真空，在1080℃下保温3h，炉冷后得到预烧结件。
(3)将步骤(2)的预烧结件在抽真空条件下浸入邵氏硬度25度的液态A/B混合常温自固化硅橡胶并密封，常温下固化12h，然后以10MPa/min的升压及降压速率，最高压强400MPa、保压时间10min下进行冷等静压处理。
(4)将步骤(3)冷等静压处理后的预烧结件机械去除硅橡胶包套，然后在烧结炉内以5℃/min的升温速率、最高温度1290℃、氢气气氛、保温3h的条件下进行高温烧结致密化，随炉冷却后得到低孔隙率、高尺寸精度的复杂金属零件。
实施例2
本发明的实施例2提供的金属零件的近净成形方法主要包括以下步骤：
(1)选择粒径为10μm～62μm的气雾化纯Ti粉末为原材料，使用粘结剂喷射设备成形，然后置于烘箱中于190℃下固化3h，并清粉得到金属初坯。喷射时采用的层厚设置为100μm，粘结剂饱和度设置为80％。
(2)将步骤(1)成形的金属初坯置于脱脂炉内预烧结，气氛选择为真空，在1360℃下保温0.1h，炉冷后得到预烧结件。
(3)将步骤(2)的预烧结件在抽真空条件下浸入邵氏硬度45度的液态A/B混合常温自固化硅橡胶并密封，常温下固化6h，然后以50MPa/min的升压及降压速率、最高压强600MPa、保压时间20min进行冷等静压处理。
(4)将步骤(3)冷等静压处理后的预烧结件机械去除硅橡胶包套，然后在烧结炉内以1℃/min的升温速率、最高温度1620℃、氩气气氛、保温0.5h的参数条件下进行高温烧结致密化，随炉冷却后得到金属零件。
实施例3
本发明的实施例3提供的金属零件的近净成形方法主要包括以下步骤：
(1)选择粒径为5μm～103μm的等离子雾化NI 625高温镍基合金粉末为原材料，使用粘结剂喷射设备成形，然后置于烘箱中于190℃下固化3h，并清粉得到金属初坯。喷射时所采用的层厚设置为200μm，粘结剂饱和度设置为100％。
(2)将步骤(1)成形的金属初坯置于脱脂炉内预烧结，气氛选择为真空，在830℃下保温24h，炉冷后得到预烧结件。
(3)将步骤(2)的预烧结件在抽真空条件下浸入邵氏硬度10度的液态A/B混合常温自固化硅橡胶并密封，常温下固化24h，然后以0.1MPa/min的升压及降压速率、最高压强200MPa、保压时间1min进行冷等静压处理。
(4)将步骤(3)冷等静压处理后的预烧结件机械去除硅橡胶包套，然后在烧结炉内以20℃/min的升温速率、最高温度1090℃、氢气-氩气混合气氛、保温12h的参数条件下进行高温烧结致密化，随炉冷却后得到金属零件。
实施例4
本发明的实施例4提供的金属零件的近净成形方法主要包括以下步骤：
(1)选择粒径为15μm～53μm的气雾化Ti6Al4V粉末为原材料，使用粘结剂喷射设备成形，然后置于烘箱中于190℃固化3h，清粉得到金属初坯。喷射时所用的层厚设置为80μm，粘结剂饱和度设置为5％。
(2)将步骤(1)成形的金属初坯置于脱脂炉内预烧结，气氛选择为真空，在1300℃下保温3h，炉冷后得到预烧结件。
(3)将步骤(2)的预烧结件在在抽真空条件下浸入邵氏硬度30度的液态A/B混合常温自固化硅橡胶并密封，常温下固化18h，然后以20MPa/min的升压及降压速率、最高压强500MPa、保压时间15min进行冷等静压处理。
(4)将步骤(3)冷等静压处理后的预烧结件机械去除硅橡胶包套，然后在烧结炉内以3℃/min的升温速率、最高温度1450℃、真空环境、保温6h的参数条件下进行高温烧结致密化，随炉冷却后得到金属零件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属零件的近净成形方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)以金属粉末及粘结剂为原料，采用粘结剂喷射工艺喷印成形金属初坯，并将所述金属初坯进行脱脂预烧结；
(2)将得到的所述预烧结件包覆上硅橡胶以形成包套；接着，先后进行冷等静压处理及烧结致密化，继而得到金属零件。
2.如权利要求1所述的金属零件的近净成形方法，其特征在于：以金属粉末和粘结剂作为原料，并制备待成形的金属零件的三维模型；接着，使用粘结剂喷射设备按照所述三维模型喷印成形金属初坯。
3.如权利要求1所述的金属零件的近净成形方法，其特征在于：粘结剂喷射时的层厚为30μm～200μm，粘结剂喷射饱和度为5％～100％。
4.如权利要求1-3任一项所述的金属零件的近净成形方法，其特征在于：脱脂所采用的最高温度为固体颗粒固相线温度的0.65倍～0.82倍，保温时间选择为0.1h～24h，预烧结过程中线收缩控制在3％以内，密度增加控制在10％以内。
5.如权利要求1-3任一项所述的金属零件的近净成形方法，其特征在于：将得到的预烧结件在抽真空条件下浸入液态A/B混合常温自固化硅橡胶，硬度选择邵氏硬度10～45，固化时间为6h～24h，待硅橡胶固化后形成冷等静压包套，然后进行冷等静压处理。
6.如权利要求1-3任一项所述的金属零件的近净成形方法，其特征在于：冷等静压过程中的升压及降压速率为0.1MPa/min～50MPa/min，最高压强为200MPa～600MPa，保压时间为1min～20min，常温下进行。
7.如权利要求1-3任一项所述的金属零件的近净成形方法，其特征在于：烧结致密化时的最高温度选择为金属颗粒固相线温度的0.85倍～0.98倍，保温时间选择0.5h～12h，升温速率为0.1℃/min～20℃/min。
8.如权利要求1-3任一项所述的金属零件的近净成形方法，其特征在于：所述金属粉末为气雾化、水雾化或者等离子雾化的球形粉末，粒径为0.1μm～103μm。
9.如权利要求8所述的金属零件的近净成形方法，其特征在于：所述金属粉末包括Ti、Ti6Al4V、NI625、NI718、纯Fe、17-4PH、316及420合金粉末中的任一种或者多种。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述的金属零件的近净成形方法成形得到的金属零件。
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