CN114603156A - 一种利用喷墨3d打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，所述方法包括以下步骤：原始粉末的准备；粘接剂的准备：将权利要求1中的粘接剂组分混合均匀后得到打印所需粘接剂；打印过程控制，将配制好的原始粉末加入到3D打印机的成型仓和粉料仓中，将成型仓和粉料仓的粉末分别铺平，将配制好的粘结剂加入到墨水腔中，根据零件的外形形状和尺寸设定打印程序并输入打印机，随后开始打印，通过调节打印参数，获得打印粗坯；脱脂与烧结。本发明不需要模具，可实现复杂形状零件的制备，且大幅度提高了合金的耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及高性能镁合金制备技术领域，具体涉及一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法。
背景技术
镁及镁合金具有密度小、比强度高以及抗电磁屏蔽性能良好等优点，在汽车、航空航天、电子、军事、通讯等多个领域具有广阔的应用前景。镁合金常用的制备方法有熔炼法和粉末冶金法，但这两种方法都存在一些问题，如镁合金熔炼过程中会发生镁的氧化或燃烧导致镁烧损的问题、另外容易产生熔剂夹杂而导致铸件力学性能和耐蚀性能降低的问题；粉末冶金过程中存在当零件外形较为复杂时，模具很难满足的问题。另外在这两种方法制备镁合金过程中，还存在一个共性问题：由于镁合金耐蚀性能对杂质元素极为敏感，但这两种制备方法中的炉膛内壁或模具内壁会不可避免地带入Fe、Ni等对腐蚀性能有害的元素，所制备出来的合金材料往往耐蚀性不高。因此，急需发展一种新型的高耐蚀镁合金制备方法。
喷墨3D打印技术是增材制造技术方法之一，其原理是利用铺粉辊筒将一定量的原始合金粉末平整、均匀的铺开在粉床表面，随后在计算机的控制下利用特制喷头按照事先得到截面轮廓信息，在铺好的粉面上通过逐行扫描的方式精确喷射出相配的粘接剂，使得特定区域的粉末粘结起来而完成一层截面的打印。随后，在三维方向上移动粉床，且重复上述喷射步骤，直至所需制件的所有截面完成粘结和堆叠，从而获得打印坯。将打印坯经过独立的烧结、后处理，最终得到打印制件。相比于其他金属成型方法，喷墨3D打印技术具有十分突出的优势，如零件形状不受限制、无杂质引入、材料内部无应力以及成型速度快等。目前，喷墨3D打印技术已成功应用在砂型、陶瓷以及柔性电路等领域的打印成型上，并获得了巨大的经济效益。针对镁合金制备工艺上锁存在的问题，喷墨3D打印技术具有十分突出的优势，然而对于镁合金的喷墨3D打印制备工艺，目前仍缺乏相关数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，其不需要模具，可实现复杂形状零件的制备，且大幅度提高了合金的耐腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金用粘接剂，所述粘接剂包括聚乙烯吡咯烷酮、一缩二乙二醇、镁盐、表面活性剂、去离子水。
优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮、一缩二乙二醇、镁盐、表面活性剂、去离子水的重量比为：5-10:4-10:3-8:1-2:70-85。
优选地，所述镁盐为六水氯化镁。
优选地，所述表面活性剂为乙氧基化乙炔二醇。
一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)原始粉末的准备：根据合金成分设计，确定各元素粉末的含量，随后将多种粉末混在一起放入球磨罐中，同时倒入适量酒精，将球磨罐放在高能球磨机上球磨一定时间，随后除去酒精得到干燥、混合均匀的原始粉末；
(2)粘接剂的准备：将粘接剂组分混合均匀后得到打印所需粘接剂；
(3)打印过程控制：将配制好的原始粉末加入到3D打印机的成型仓和粉料仓中，将成型仓和粉料仓的粉末分别铺平，将配制好的粘结剂加入到墨水腔中，根据零件的外形形状和尺寸设定打印程序并输入打印机，随后开始打印，通过调节打印参数，获得打印粗坯；
(4)脱脂与烧结：将打印粗坯放入真空炉中，进行预订工艺的脱脂和烧结过程，得到所述高耐蚀性镁合金。
优选地，所述步骤(1)中，原始粉末元素为Mg、Al、Zn、Mn、Ce、Gd、Y，所述元素间的重量比为90-95:2-5.5:0-1:0-1:0-0.15:0-0.2:0-0.15，原始粉体在球磨机上混合时间为2-6h。
优选地，所述步骤(3)中，打印过程中喷射频率为1KHz、喷头直径为30μm、打印分辨率为150dpi、喷头移动速率为1-5mm/s、铺粉杆移动速率5-15mm/s、铺粉杆转动速率60-120rad/min。
优选地，所述步骤(4)中，脱脂工艺如下，在真空炉中对打印粗坯进行加热至400℃，升温速率为2℃/min，保温时间为1h，自然冷却至室温。
优选地，所述步骤(4)中，烧结工艺如下，将脱脂后的样品放在真空烧结炉中加热至400-600℃，升温速率为10℃/min，保温时间为1-8h，自然冷却至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明采用喷墨3D打印技术制备镁合金材料，与传统制备方法相比，此技术在样品成型方面不需要模具，可实现复杂形状零件的制备；
2)本发明的方法在制备过程中，不会引入Fe等有害元素，可大幅度提高合金的耐腐蚀性能；
3)在3D打印过程中，本发明在粘接剂中加入一定量的镁盐，由于镁盐相比于粘接剂中其他高分子组分，与镁合金粉末之间具有更好的界面相容性，因此可提高打印粗胚的致密度。与未加镁盐的粗坯样品相比，在粘接剂中加入镁盐的粗坯样品致密度可提高20％；
4)在粗坯的烧结致密化过程中，通过设计烧结工艺，同时借助粘接剂中镁盐的加入，因镁盐在加热过程中可分解为氧化镁，且在烧结气氛(氢气)中还原成镁并填充到粗坯的缝隙中，极大的提高了烧结体的致密度，可使镁合金材料的致密度达到99％；
5)本方法可为制备高耐蚀性的镁合金材料提供新的思路和方案。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
实施例1
一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，包括以下步骤：
(1)原始粉末的准备：选用的原始粉末元素种类为Mg、Al、Zn、Mn、Ce、Gd、Y，各元素间的重量比例为：96:3:1:0.5:0.15:0.2:0.15。将称量好的多种粉末混在一起放入球磨罐中，同时倒入适量酒精。将球磨罐放在高能球磨机上球磨2h，随后除去酒精得到干燥、混合均匀的原始粉末。
(2)粘接剂的准备：配置粘接剂，粘接剂由重量比为5:5:4:1:85的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、一缩二乙二醇、六水氯化镁、乙氧基化乙炔二醇(Dynol 607)、去离子水混合均匀后制得。
(3)打印过程控制：将配制好的原始粉末加入到3D打印机的成型仓和粉料仓中，将成型仓和粉料仓的粉末分别铺平。另外，将配制好的粘结剂加入到墨水腔中。根据零件的外形形状和尺寸设定打印程序并输入打印机，随后开始打印，获得打印粗坯。打印过程中喷射频率为1KHz、喷头直径为30μm、打印分辨率为150dpi、喷头移动速率为2mm/s、铺粉杆移动速率8mm/s、铺粉杆转动速率80rad/min。
(4)脱脂与烧结：将获得打印粗坯放入真空炉中，进行预订工艺的脱脂和烧结过程，脱脂工艺为：在真空炉中对打印粗坯进行加热至400℃，升温速率为2℃/min，保温时间为1h，自然冷却至室温；烧结工艺为：将脱脂后的样品放在真空烧结炉中加热至550℃，升温速率为10℃/min，保温时间为4h，自然冷却至室温，得到打印样品，即为高耐蚀性镁合金。
经排水法(执行标准：GB/T 3850-2015《致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法》)测试所获得的的打印粗坯的致密度为65％，且外观良好，表面光滑，打印样品的致密度为99％，且外观良好，表面光滑，内部结构分析表明无空洞、杂质等缺陷，盐雾测试(执行标准：GB/T 20854-2007金属和合金的腐蚀循环暴露在盐雾、“干”和“湿”条件下的加速试验)实验表明样品的耐盐雾腐蚀时间为156h。
实施例2
一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，包括以下步骤：
(1)原始粉末的准备：选用的原始粉末元素种类为Mg、Al、Zn、Mn、Ce、Gd、Y，各元素间的重量比例为：95:3.5:0.5:0.5:0.2:0.2:0.1。随后将称量好的多种粉末混在一起放入球磨罐中，同时倒入适量酒精。将球磨罐放在高能球磨机上球磨4h，随后除去酒精得到干燥、混合均匀的原始粉末。
(2)粘接剂的准备：配置粘接剂，粘接剂由重量比为10:5:4:1:80的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、一缩二乙二醇、六水氯化镁、乙氧基化乙炔二醇(Dynol 607)、去离子水混合均匀后制得。
(3)打印过程控制：将配制好的原始粉末加入到3D打印机的成型仓和粉料仓中，将成型仓和粉料仓的粉末分别铺平。另外，将配制好的粘结剂加入到墨水腔中。根据零件的外形形状和尺寸设定打印程序并输入打印机，随后开始打印，获得打印粗坯。打印过程中喷射频率为1KHz、喷头直径为30μm、打印分辨率为150dpi、喷头移动速率为4mm/s、铺粉杆移动速率10mm/s、铺粉杆转动速率100rad/min。
(4)脱脂与烧结：将打印粗坯放入真空炉中，进行预订工艺的脱脂和烧结过程，脱脂工艺为：在真空炉中对打印粗坯进行加热至400℃，升温速率为2℃/min，保温时间为1h，自然冷却至室温；烧结工艺为：将脱脂后的样品放在真空烧结炉中加热至580℃，升温速率为10℃/min，保温时间为6h，自然冷却至室温，得到打印样品，即为高耐蚀性镁合金。
经排水法测试所获得的的打印粗坯的致密度为68％，且外观良好，表面光滑，打印样品的致密度为99.3％，且外观良好，表面光滑，内部结构分析表明无空洞等缺陷，盐雾测试实验表明样品的耐盐雾腐蚀时间为185h。
实施例3
一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，包括以下步骤：
(1)原始粉末的准备：选用的原始粉末元素种类为Mg、Al、Zn、Mn、Ce、Gd、Y，各元素间的重量比例为：92:5.5:1:1:0.2:0.2:0.1。随后将称量好的多种粉末混在一起放入球磨罐中，同时倒入适量酒精。将球磨罐放在高能球磨机上球磨4h，随后除去酒精得到干燥、混合均匀的原始粉末。
(2)粘接剂的准备：配置粘接剂，粘接剂由重量比为8:8:6:2:76的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、一缩二乙二醇、六水氯化镁、乙氧基化乙炔二醇(Dynol 607)、去离子水混合均匀后制得。
(3)打印过程控制：将配制好的原始粉末加入到3D打印机的成型仓和粉料仓中，将成型仓和粉料仓的粉末分别铺平。另外，将配制好的粘结剂加入到墨水腔中。根据零件的外形形状和尺寸设定打印程序并输入打印机，随后开始打印，获得打印粗坯。打印过程中喷射频率为1KHz、喷头直径为30μm、打印分辨率为150dpi、喷头移动速率为5mm/s、铺粉杆移动速率15mm/s、铺粉杆转动速率120rad/min。
(4)脱脂与烧结：将打印粗坯放入真空炉中，进行预订工艺的脱脂和烧结过程，脱脂工艺为：在真空炉中对打印粗坯进行加热至400℃，升温速率为2℃/min，保温时间为1h，自然冷却至室温；烧结工艺为：将脱脂后的样品放在真空烧结炉中加热至580℃，升温速率为10℃/min，保温时间为8h，自然冷却至室温，得到打印样品，即为高耐蚀性镁合金。
经排水法测试所获得的的打印粗坯的致密度为69％，且外观良好，表面光滑，打印样品的致密度为99.1％，且外观良好，表面光滑，内部结构分析表明无空洞等缺陷，盐雾测试实验表明样品的耐盐雾腐蚀时间为172h。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金用粘接剂，其特征在于：所述粘接剂包括聚乙烯吡咯烷酮、一缩二乙二醇、镁盐、表面活性剂、去离子水。
2.根据权利要求1所述的一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金用粘接剂，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮、一缩二乙二醇、镁盐、表面活性剂、去离子水的重量比为：5-10:4-10:3-8:1-2:70-85。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金用粘接剂，其特征在于：所述镁盐为六水氯化镁。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，其特征在于：所述表面活性剂为乙氧基化乙炔二醇。
5.一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)原始粉末的准备：根据合金成分设计，确定各元素粉末的含量，随后将多种粉末混在一起放入球磨罐中，同时倒入适量酒精，将球磨罐放在高能球磨机上球磨一定时间，随后除去酒精得到干燥、混合均匀的原始粉末；
(2)粘接剂的准备：将权利要求1中的粘接剂组分混合均匀后得到打印所需粘接剂；
(3)打印过程控制：将配制好的原始粉末加入到3D打印机的成型仓和粉料仓中，将成型仓和粉料仓的粉末分别铺平，将配制好的粘结剂加入到墨水腔中，根据零件的外形形状和尺寸设定打印程序并输入打印机，随后开始打印，通过调节打印参数，获得打印粗坯；
(4)脱脂与烧结：将打印粗坯放入真空炉中，进行预订工艺的脱脂和烧结过程，得到所述高耐蚀性镁合金。
6.根据权利要求5所述的一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，原始粉末元素为Mg、Al、Zn、Mn、Ce、Gd、Y，所述元素间的重量比为90-95:2-5.5:0-1:0-1:0-0.15:0-0.2:0-0.15，原始粉体在球磨机上混合时间为2-6h。
7.根据权利要求5所述的一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，打印过程中喷射频率为1KHz、喷头直径为30μm、打印分辨率为150dpi、喷头移动速率为1-5mm/s、铺粉杆移动速率5-15mm/s、铺粉杆转动速率60-120rad/min。
8.根据权利要求5所述的一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，脱脂工艺如下，在真空炉中对打印粗坯进行加热至400℃，升温速率为2℃/min，保温时间为1h，自然冷却至室温。
9.根据权利要求5所述的一种利用喷墨3D打印技术制备高耐蚀性镁合金的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，烧结工艺如下，将脱脂后的样品放在真空烧结炉中加热至400-600℃，升温速率为10℃/min，保温时间为1-8h，自然冷却至室温。
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