CN115612881A - 一种多孔镁合金的成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于镁合金成型技术领域，具体涉及一种多孔镁合金的成形方法；本发明利用粘结剂喷射金属增材法低成本、大批量及个性化制备多孔镁合金构件，相比其他制备方式既能够满足个性化定制，工艺过程简单对环境友好，无需模具等，又能够显著的降低生产周期及成本；同时该多孔镁合金孔隙率可调，孔尺寸可调，力学性能较优。

Description

一种多孔镁合金的成形方法
技术领域
本发明属于镁合金成型技术领域，具体涉及一种多孔镁合金的成形方法。
背景技术
多孔金属或泡沫金属材料由于具有特殊的结构，兼有金属和气孔的特性，如密度小、比表面积大、吸音、隔声、减震、吸收冲击能、电磁屏蔽性能好等特点，在航空航天、汽车、建筑等领域具有广阔的应用前景。镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，密度为1.74g/cm3，约为铝合金的2/3、钛合金的2/5、镍合金的1/5、钢的1/4，且有较高的比强度和比刚度，是轻质多孔金属材料的理想基体。此外，镁合金与人体密质骨的密度和力学性能较为接近，且具有良好的生物相容性和可降解性，是一种潜在的具有良好应用前景的生物医学材料，因此用镁及镁合金制备多孔金属将充分发挥多孔金属与镁合金的优势，拓宽镁合金的应用领域。研究发现，多孔镁合金具有比多孔铝合金更高的比强度、比刚度、电磁屏蔽性能和更显著的减重效果。然而，由于镁合金的化学活性高、易燃烧且成孔性差，因此多孔镁/镁合金的制备较困难，对多孔镁/镁合金的研究起步较晚，限制了多孔镁合金的应用。
现有多孔镁合金的成形方法主要有：主要有熔模铸造法、粉末冶金法、熔体发泡法、固-气共晶凝固法、渗流铸造法、激光选区熔化成形方法等。但都存在一定的缺陷：1.熔模铸造工艺过程相对复杂，且不易控制，成本较高，可以获得的最小的孔约为0.5mm，不易制备出生物多孔镁合金需求的微米级的孔隙；2.粉末冶金法制备多孔镁合金存在的问题是多孔镁的骨架部分致密度不高，导致强度不高，且粉末冶金法需要制作磨具，导致成本较高；3.熔体发泡法虽然成本低、工艺简单且可以得到孔隙率较高的样品，但其得到的孔结构完整性较差，且在气体弥散方面没有得到很好的控制，目前还没有得到广泛的应用；4.固/气共晶凝固法可以控制孔径的大小和分布，但是其对工艺要求极高，不易实现。5.激光选区熔化成形方法虽然能够实现多尺度空隙的多孔镁合金的制备，但是在成形表面存在粘粉的现象，同时还存在成形速度较慢及成本较高的问题。
金属粘结剂喷射增材制造技术是一种近年发展迅速的3D打印技术。该技术基于粉末床工艺，通过喷墨打印头逐层选区喷射粘结剂沉积在粉末床上，粘结打印三维实体结构件初胚，随后将打印的初胚放置于均匀的热环境中进行脱脂和烧结，使其致密化并获得机械性能良好的零部件。采用该技术能够实现多孔镁合金的快速制备。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种多孔镁合金的成形方法。
具体是通过以下技术方案来实现的：
1、一种多孔镁合金的成形方法，包括以下步骤：
(1)合金粉末预处理：将AZ91D合金粉末进行烘干处理，烘干温度为80℃，烘干时间为4h；
进一步，所述的AZ91D合金粉末，合金成分为：Al：8.5～9.5％，Zn：0.45～0.90％，Mn：0.17～0.40％，Si：≤0.08％，Cu≤0.025％，Ni≤0.001％,Mg:bal.；合金粉末的粒径为0-25μm。
(2)多孔模型结构的分层切片：将多孔模型导入分层切片软件中，模型如图1所示，对模型进行分层切片处理；
进一步，分层切片具体过程如下，设置层厚为0.03mm，根据多孔模型结构的实际高度，可以分为n层(n＝实际高度h/层厚)，在粘结剂喷射增材制造过程中，根据切片后每层的轮廓数据进行选择性喷射粘结剂，实现单层的打印。
(3)打印：将AZ91D合金粉末加入到3D打印机的粉舱中，粘结剂加入到料筒中，将粉舱内的粉末均匀铺展在成形舱内，计算机控制系统根据分层切片后的二维模型轮廓控制打印喷头喷射粘结剂，黏连金属粉末，实现单层的打印，打印完成后再次进行铺粉，根据下一层的轮廓数据实现下一层的喷射打印，如此反复喷射粘结剂打印，直至模型打印完成，得到多孔模型结构件；
(4)模型固化：在氩气保护或真空条件下，将打印完成的多孔模型结构件放入烧结炉中预烧结，烧结温度为200℃，烧结时间为4h；
(5)脱粉：粘结剂喷射金属增材制造区别于粉末床熔融技术的特殊之处在于粘结剂喷射增材制造技术无需打印支撑，粉末可以起到支撑的作用。在进行固化之后，打印实体部分具有一定的强度，此时可将结构件置于专用的除粉箱内部进行清除残余粉末，保留打印的多孔模型结构；
(6)高温烧结：在升温过程中采用波段上升的方式进行升温，第一波段升温速率为5℃/min，升温到320℃进行保温2h，之后再以5℃/min的速率进行升温，升温到580℃进行高温烧结，烧结时间为3h，之后以3℃/min的冷却速率随炉冷却到室温即可。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明利用粘结剂喷射金属增材法低成本、大批量及个性化制备多孔镁合金构件；先对打印完成后的多孔模型结构件进行预烧结，是由于打印完成后的多孔模型结构件是通过粘结剂将粉末材料粘接形成实体结构件，但是粘结剂在常温下处于液态，粘结强度低，在200℃加热一段时间粘结剂就会干燥，使得生坯获得一定的强度。在脱粉后再进行高温烧结，高温烧结是粘结剂喷射金属增材制造过程中最为至关重要的一环，在固化过程是通过加热干燥粘结剂实现镁合金粉末之间的黏连，高温烧结有两个作用，一是达到去除生坯中粘结剂的作用，二是通过烧结使得粉末与粉末之间达到冶金结合的程度，从而获得致密的实体。温度在580℃时，合金处于固-液结合区，此时合金也易发生氧化反应。进行高温烧结之后，由于粉末之间冶金结合，成形为多孔镁合金。本发明方法相比其他制备方式既能够满足个性化定制，工艺过程简单对环境友好，无需模具等，又能够显著的降低生产周期及成本；同时该多孔镁合金孔隙率可调，孔尺寸可调，力学性能较优。
附图说明
图1为多孔镁模型，其中，A为D结构多孔模型，B为G结构多孔模型。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
1、一种多孔镁合金的成形方法，包括以下步骤：
(1)合金粉末预处理：将AZ91D合金粉末进行烘干处理，烘干温度为80℃，烘干时间为4h；
进一步，所述的AZ91D合金粉末，合金成分为：Al：9.0％，Zn：0.7％，Mn：0.3％，Si：≤0.08％，Cu≤0.025％，Ni≤0.001％,Mg:bal.；合金粉末的粒径为0-25μm。
(2)多孔模型结构的分层切片：将D结构多孔模型导入分层切片软件中，模型如图1所示，对模型进行分层切片处理；
进一步，分层切片具体过程如下，设置层厚为0.03mm，根据多孔模型结构的实际高度，可以分为n层(n＝实际高度h/层厚)，在粘结剂喷射增材制造过程中，根据切片后每层的轮廓数据进行选择性喷射粘结剂，实现单层的打印。
(3)打印：将AZ91D合金粉末加入到3D打印机的粉舱中，粘结剂加入到料筒中，将粉舱内的粉末均匀铺展在成形舱内，计算机控制系统根据分层切片后的二维模型轮廓控制打印喷头喷射粘结剂，黏连金属粉末，实现单层的打印，打印完成后再次进行铺粉，根据下一层的轮廓数据实现下一层的喷射打印，如此反复喷射粘结剂打印，直至模型打印完成，得到多孔模型结构件；
(4)模型固化：在氩气保护或真空条件下，将打印完成的多孔模型结构件放入烧结炉中预烧结，烧结温度为200℃，烧结时间为4h；
(5)脱粉：粘结剂喷射金属增材制造区别于粉末床熔融技术的特殊之处在于粘结剂喷射增材制造技术无需打印支撑，粉末可以起到支撑的作用。在进行固化之后，打印实体部分具有一定的强度，此时可将结构件置于专用的除粉箱内部进行清除残余粉末，保留打印的多孔模型结构；
(6)高温烧结：在升温过程中采用波段上升的方式进行升温，第一波段升温速率为5℃/min，升温到320℃进行保温2h，之后再以5℃/min的速率进行升温，升温到580℃进行高温烧结，烧结时间为3h，之后以3℃/min的冷却速率随炉冷却到室温即可。
实施例2
1、一种多孔镁合金的成形方法，包括以下步骤：
(1)合金粉末预处理：将AZ91D合金粉末进行烘干处理，烘干温度为80℃，烘干时间为4h；
进一步，所述的AZ91D合金粉末，合金成分为：Al：9.5％，Zn：0.90％，Mn：0.40％，Si：≤0.08％，Cu≤0.025％，Ni≤0.001％,Mg:bal.；合金粉末的粒径为0-25μm。
(2)多孔模型结构的分层切片：将G结构多孔模型导入分层切片软件中，模型如图1所示，对模型进行分层切片处理；
进一步，分层切片具体过程如下，设置层厚为0.03mm，根据多孔模型结构的实际高度，可以分为n层(n＝实际高度h/层厚)，在粘结剂喷射增材制造过程中，根据切片后每层的轮廓数据进行选择性喷射粘结剂，实现单层的打印。
(3)打印：将AZ91D合金粉末加入到3D打印机的粉舱中，粘结剂加入到料筒中，将粉舱内的粉末均匀铺展在成形舱内，计算机控制系统根据分层切片后的二维模型轮廓控制打印喷头喷射粘结剂，黏连金属粉末，实现单层的打印，打印完成后再次进行铺粉，根据下一层的轮廓数据实现下一层的喷射打印，如此反复喷射粘结剂打印，直至模型打印完成，得到多孔模型结构件；
(4)模型固化：在氩气保护或真空条件下，将打印完成的多孔模型结构件放入烧结炉中预烧结，烧结温度为200℃，烧结时间为4h；
(5)脱粉：粘结剂喷射金属增材制造区别于粉末床熔融技术的特殊之处在于粘结剂喷射增材制造技术无需打印支撑，粉末可以起到支撑的作用。在进行固化之后，打印实体部分具有一定的强度，此时可将结构件置于专用的除粉箱内部进行清除残余粉末，保留打印的多孔模型结构；
(6)高温烧结：在升温过程中采用波段上升的方式进行升温，第一波段升温速率为5℃/min，升温到320℃进行保温2h，之后再以5℃/min的速率进行升温，升温到580℃进行高温烧结，烧结时间为3h，之后以3℃/min的冷却速率随炉冷却到室温即可。
现有制备方法中针对AZ91D合金结构件有相应文献资料记载其性能数据，与本申请方法进行对比结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003918270050000061

Claims (4)

1.一种多孔镁合金的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)合金粉末预处理：将AZ91D合金粉末进行烘干处理；
(2)多孔模型结构的分层切片：将多孔模型导入分层切片软件中，对模型进行分层切片处理；
(3)打印：将AZ91D合金粉末加入到3D打印机的粉舱中，粘结剂加入到料筒中，将粉舱内的粉末均匀铺展在成形舱内，计算机控制系统根据分层切片后的二维模型轮廓控制打印喷头喷射粘结剂，实现单层的打印，打印完成后再次进行铺粉，根据下一层的轮廓数据实现下一层的喷射打印，如此反复喷射粘结剂打印，直至模型打印完成，得到多孔模型结构件；
(4)模型固化：在氩气保护或真空条件下，将打印完成的多孔模型结构件放入烧结炉中预烧结；
(5)脱粉：将固化后的结构件置于专用除粉箱内清除残余粉末；
(6)高温烧结：在升温过程中采用波段上升的方式进行升温，第一波段升温速率为5℃/min，升温到320℃进行保温2h，之后再以5℃/min的速率进行升温，升温到580℃进行高温烧结，烧结时间为3h，之后以3℃/min的冷却速率随炉冷却到室温即可。
2.如权利要求1所述的一种多孔镁合金的成形方法，其特征在于，所述的AZ91D合金粉末，合金成分为：Al：8.5～9.5％，Zn：0.45～0.90％，Mn：0.17～0.40％，Si：≤0.08％，Cu≤0.025％，Ni≤0.001％，Mg：bal.；合金粉末的粒径为0-25μm。
3.如权利要求1所述的一种多孔镁合金的成形方法，其特征在于，所述的烘干，温度为80℃，烘干时间为4h。
4.如权利要求1所述的一种多孔镁合金的成形方法，其特征在于，所述的预烧结，烧结温度为200℃，烧结时间为4h。
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