CN114247883A - 一种多孔结构难熔金属制件制造方法 - Google Patents

一种多孔结构难熔金属制件制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种多孔结构难熔金属制件制造方法，S1、建立所述金属制件三维模型，并设定三维模型中孔隙与实心的体积之比；S2、将所述三维模型分层处理得到切片层，并对每一切片层设定成型路径；S3、将分层处理和设定成型路径后的三维模型导入增材制造设备；S4、增材制造设备逐层铺设用于制造所述金属制件的金属粉末，并基于成型路径烧结每层金属粉末，得到相应的切片层，形成多孔结构难熔金属制件；制得的多孔结构难熔金属制件的孔隙率可控，孔隙分布可控。

Description

一种多孔结构难熔金属制件制造方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别涉及一种多孔结构难熔金属制件制造方法。
背景技术
难熔金属是一种重要的高温材料，它具有熔点高，热胀系数小，抗热振性能高，密度大，耐腐蚀等许多优点，其中多孔结构的难熔金属在很多领域有着很重要的应用，例如航天航空、阴极热子、射线屏蔽等。
但是由于难熔金属大多硬度大，强度高，导致多孔难熔金属制件烧结和加工比较困难。现有技术中是将难熔金属粉末和较低熔点的金属例如铜混合在一起压制烧结，最后再用物理或者化学的方式将铜去除，最终得到多孔结构的难熔金属基体。或者将难熔金属轧制成薄片等结构，最后再用拼接的方法将其组装起来，形成多孔结构。上述两种方法在孔隙率控制和孔隙率分布控制上难以兼顾。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种多孔结构难熔金属制件制造方法，S1、建立所述金属制件三维模型，并设定三维模型中孔隙与实心的体积之比；
S2、将所述三维模型分层处理得到切片层，并对每一切片层设定成型路径；
S3、将分层处理和设定成型路径后的三维模型导入增材制造设备；
S4、增材制造设备逐层铺设用于制造所述金属制件的金属粉末，并基于成型路径烧结每层金属粉末，得到相应的切片层，形成多孔结构难熔金属制件。
优选地，S4中，增材制造设备铺设的金属粉末厚度为10um-150um。
优选地，S4中，增材制造设备铺设的金属粉末厚度大于该层金属粉末所成型的切片层厚度。
优选地，S1中，将三维模型底部拉伸形成预留层；
S4中，首先铺设用于制造所述金属制件的金属粉末，并烧结金属粉末得到预留层，在预留层上逐层形成切片层。
优选地，所述金属粉末粒径小于200um。
优选地，S4中，采用点热源烧结金属粉末，所述点热源为激光、电子束、电弧、等离子束中的任一种。
优选地，所述点热源功率为100W-1000W。
优选地，S4中，烧结金属粉末的烧结速率100mm/s-7000mm/s。
优选地，S4中还包括：
增材制造设备内用于烧结每层金属粉末的空间充入氮气、充入氩气或抽真空。
优选地，S4中还包括：
沿着预留层将形成的多孔结构难熔金属制件与增材制造设备切割分离。
优选地，所述方法还包括：
S5、将所述多孔结构难熔金属制件二次烧结。
优选地，所述多孔结构难熔金属制件熔点为T，二次烧结温度为(0.7-0.9)*T。
本发明的多孔结构难熔金属制件制造方法，制得的多孔结构难熔金属制件的孔隙率可控，孔隙分布可控。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例中钨制件的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中分层处理后的钨制件模型的结构示意图；
图3示出了本发明实施例中孔隙率15±3％的多孔钨制件模型的结构示意图；
图4示出了本发明实施例中孔隙率15±3％的多孔钨制件模型的俯视图；
图5示出了本发明实施例中孔隙率15±3％的多孔钨制件模型的结构示意图；
图6示出了本发明实施例中孔隙率15±3％的多孔钨制件模型的局部示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
难熔金属可以是是钨、钼、铌、钽、锆或者他们的合金，本发明的实施例即是提出制造多孔结构难熔金属制件的方法，主要利用增材设备(如3D打印设备)制造金属制件，3D打印技术可以可控的对金属进行熔化，根据这一特点可以可控的制造多孔难熔金属制件，本实施例以制造多孔钨制件为例，包括以下步骤：
S1、首先需要获知目标钨制件的尺寸结构，基于获知的尺寸结构，利用SolidWorks、UG、ProE等三维软件建立钨制件三维模型，并在三维模型中设定孔隙与实心的体积之比，本实施例中设定孔隙与实心的体积之比为3:7，即孔隙率为30％，保存三维模型为stl格式。图1所示为本实施例中钨制件的三维模型示意图。孔隙率可以根据需求自行设定，例如还可以设定为50％、40％等等。另外在三维模型底部留下一定的余量，即是将三维模型底面拉伸1mm形成预留层。
S2、将三维模型导入cura软件，在cura软件内将所述三维模型分层处理得到切片层，如图2所示，每一切片层的厚度相等，切片层的厚度可以为10um-150um，本实施例中为50um，在另外的设计方式切片层厚度可以为10um、20um、30um、40um、60um、70um、80um、90um、100um、110um、120um、130um、140um、150um，并依据每一切片层的形状对每一切片层设定成型路径。将分层处理并设定好成型路径的三维模型保存为stl格式。分层处理后的三维模型如图2所示。
S3、将分层处理并设定好成型路径的三维模型导入增材制造设备，并在增材制造设备的打印空间内充入氮气或氩气，也可以是将增材制造设备的打印空间内抽真空，其目的都是为了去除打印空间内的活性气体(例如氧气)，以防止制造过程中钨与活性气体发生反应，影响钨制件的物理性能和机械性能。在另外的设计方式上，根据所制造的难熔金属材料特性，选择性的充入氮气、氩气或抽真空。
S4、增材制造设备铺设一层用于制造所述金属制件的金属粉末形成预留层，并烧结预留层，预留层的厚度为1mm，预留层的厚度可以根据实际情况进行设定，不限于本实施例中指出的1mm。
将图2中的切片层下而上顺序编号1-9，首先打印位于最底部的第1个切片层，增材制造设备在预留层上铺设一层钨粉末，本实施例中选用的钨粉末粒径为30um，在另外的设计方式上粒径可以为其他尺寸，一般粒径尺寸不大于200um，具体可以为10μm，20um、30um、40um、50um、60um、70um、80um、90um、100um、110um、120um、130um、140um、150um、160um、170um、180um、190um、200um，热源烧结过的金属粉末会收缩，所以粉末粒径大于切片层厚度是可以的，即如果切片层厚度为100um，可以选用粒径为130um的金属粉末，粒径为130um的金属粉末烧结后会收缩至100um。由于第1个切片层的厚度为50um，相应的钨粉末的铺设厚度为60um，60um厚的金属粉末经热源烧结后，厚度会收缩至50um，根据第1个切片层的成型路径，采用点热源熔化烧结钨粉末，点热源功率为400W，扫描速率为1200mm/s，熔化烧结完毕后，得到第1个切片层。继续在第1个切片层上铺设厚度为60um的钨粉末，重复上述熔化烧结步骤，得到第2个切片层。重复上述步骤，逐层铺设并熔化烧结钨粉末，最终得到多孔钨制件。
本实施例中的点热源为激光光源，在另外的设计方式上，点热源也可以选用电子束、电弧、等离子束中任一种。根据难熔金属材料的不同，点热源的功率范围可以在100W到1000W，具体可以为100W、200W、300W、400W、500W、600W、700W、800W、900W、1000W。根据难熔金属材料的不同，烧结速率可以设置为100mm/s-7000mm/s，具体可以为100mm/s、500mm/s、1000mm/s、1500mm/s、2000mm/s、2500mm/s、3000mm/s、3500mm/s、4000mm/s、4500mm/s、5000mm/s、5500mm/s、6000mm/s、6500mm/s、7000mm/s。
最后通过线切割或锯条锯开的方式，沿着预留层将多孔钨制件和平台分离，预留层刚好被切除掉。
3D打印技术打印得到的多孔结构难熔金属制件，孔隙较大，为了解决这一问题，还包括步骤S5：将切割下来的多孔结构难熔金属制件采用传统的烧结方法进行二次烧结。假设所述多孔结构难熔金属制件熔点为T，那么二次烧结温度为(0.7-0.9)*T，二次烧结温度具体可以为0.7*T、0.8*T或0.9*T，这个温度刚好可以将金属粉末烧结在孔隙内壁上，又不至于多孔结构难熔金属制件发生形变甚至熔化。将多孔结构难熔金属制件孔隙中还未烧结的金属粉末二次烧结，使得金属粉末被烧结在孔隙的内壁上，孔隙变小，相对于传统的3D打印技术孔隙更小。需要注意的是，S5不是必须的一个步骤。
示例性地，建造孔隙率15±3％的多孔钨制件，孔隙大小要求0.1×0.1×0.1mm，这些孔隙之间在水平面的间距为0.1mm，且为贯通结构。那么可以构建如图3和图4所示的多孔钨制件模型。多孔钨制件模型中孔洞之间的间距0.1mm。在打印时，激光只烧结熔化实体部分(图3和图4中实体部分)的钨粉末，孔隙部分的钨粉末不烧结。
示例性地，建造孔隙率15±3％的多孔钨制件，孔隙大小要求0.1×0.1×0.1mm，这些孔洞之间的间距为0.1mm，但是要求孔隙在整个空间相邻分布。那么可以构建如图5和图6所示的多孔钨制件。孔洞模型之间的间距为0.1mm。在打印时，激光只熔化实体部分的钨粉末，孔隙部分的钨粉末不烧结。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，
S1、建立所述金属制件三维模型，并设定三维模型中孔隙与实心的体积之比；
S2、将所述三维模型分层处理得到切片层，并对每一切片层设定成型路径；
S3、将分层处理和设定成型路径后的三维模型导入增材制造设备；
S4、增材制造设备逐层铺设用于制造所述金属制件的金属粉末，并基于成型路径烧结每层金属粉末，得到相应的切片层，通过逐层生成的切片层形成多孔结构难熔金属制件。
2.根据权利要求1中所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，S4中，增材制造设备铺设的金属粉末厚度为10um-150um。
3.根据权利要求1中所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，S4中，增材制造设备铺设的金属粉末厚度大于该层金属粉末所成型的切片层厚度。
4.根据权利要求1中所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，S1中，将三维模型底部拉伸形成预留层；
S4中，首先铺设用于制造所述金属制件的金属粉末，并烧结金属粉末得到预留层，在预留层上逐层形成切片层。
5.根据权利要求1中所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，所述金属粉末粒径小于200um。
6.根据权利要求1所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，S4中，采用点热源烧结金属粉末，所述点热源为激光、电子束、电弧、等离子束中的任一种。
7.根据权利要求6所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，所述点热源功率为100W-1000W。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，S4中，烧结金属粉末的烧结速率100mm/s-7000mm/s。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，S4中还包括：
增材制造设备内用于烧结每层金属粉末的空间充入氮气、充入氩气或抽真空。
10.根据权利要求4所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，S4中还包括：
沿着预留层将形成的多孔结构难熔金属制件与增材制造设备切割分离。
11.根据权利要求1-7中任一项所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，所述方法还包括：
S5、将所述多孔结构难熔金属制件二次烧结。
12.根据权利要求11所述的多孔结构难熔金属制件制造方法，其特征在于，所述多孔结构难熔金属制件熔点为T，二次烧结温度为(0.7-0.9)*T。
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