一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法，該方法包括：計算多相合金成分、金屬粉末和有機粘接劑粉末互混、成形件數(shù)模切片分層處理、激光選區(qū)燒結成形多孔坯件、多孔坯件脫粘處理、Sn?Bi合金熔化且滲入坯件、后處理獲得最終成形件。本發(fā)明通過將零膨脹、零收縮率這兩種組織相混后，采用增材制造成形技術和滲金屬的方法，可以獲得具有零膨脹率和零收縮率金屬件。該制備方法具有操作方便、性能可靠，綜合成本低、金屬成形件重量輕，表面光滑，能夠滿足使用要求、提高其使用壽命等優(yōu)點，能夠廣泛被推廣應用。
【專利說明】
一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及金屬激光增材制造技術領域，尤其涉及一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法。
【背景技術】
[0002]利用增材制造技術得到金屬零件時，其中的金屬或合金的微觀組織通常是急冷的非平衡組織，一般而言它們均為熱脹冷縮類型的。隨著溫度的變化，零件內(nèi)部會產(chǎn)生熱應力，造成出現(xiàn)微裂紋，從而影響了零件的使用性能，降低了其使用壽命。目前，尚無一種獲得具有零膨脹率和零收縮率金屬件的技術。而Sn-Bi合金是一種低熔點合金，其共晶點位于42%Sn和58%Bi成分處，共晶溫度為138°C。其在一定溫度范圍內(nèi)，受熱收縮而冷卻時膨脹。這與其凝固時的微觀組織有關。目前尚無此方面的研究，因而提出一種制備方法以此能夠獲得具有零膨脹收縮率的金屬件將具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術中尚無獲得具有零膨脹率和零收縮率金屬件的技術，而實際應用中，對于這種金屬件確有需求，本發(fā)明提出同時將這兩種組織相混后，采用增材制造成形技術和滲金屬的方法，可以獲得具有零膨脹率和零收縮率金屬件。該制備方法具有操作方便、性能可靠，綜合成本低、金屬成形件重量輕，表面光滑，能夠滿足使用要求、提高其使用壽命等優(yōu)點，能夠廣泛被推廣應用。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案實現(xiàn):
[0005]1.—種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0006]I)具有零膨脹收縮率的金屬件有多相合金組織，其中，Sn-Bi合金相是低熔點合金相，其共晶點位于42%Sn和58%Bi成分處，共晶溫度為138°C，其在-30-138°C溫度下受熱時收縮、冷卻時膨脹，而除Sn-Bi合金以外的合金相是熱脹冷縮相，通過計算，可得在一定的成分配比下，金屬件具有零膨脹收縮率；
[0007]2)選擇不包括Sn-Bi的金屬粉末和有機粘接劑粉末，其中金屬粉末和有機粘接劑粉末的粒徑范圍為2.0-20μπι，在混粉器中將金屬粉末和有機粘接劑粉末進行混合均勻處理，制成混合粉末，金屬粉末與有機粘接劑粉末的比例為2-5:1;將經(jīng)過呼和均勻處理后的混合粉末進行保溫處理，溫度為80-150°C ;
[0008]3)在計算機上利用CAD三維制圖軟件對金屬件的STL三維模型進行修正、切片分層處理，層厚為0.3-3mm;計算機控制系統(tǒng)控制3D打印機的噴頭在X、Y、Z三軸上運動，運動軌跡與每個切片分層圖形一致；
[0009]4)在激光選區(qū)燒結成形機的成形缸內(nèi)，將步驟I)中的混合粉末鋪平，并進行預熱處理，此時溫度控制在100-200 °C;控制激光器的參數(shù)，激光器功率為200-400W，打印速率為
0.05-0.lm/min，光斑直徑為3_8_，搭接率為10 %-20 % ;啟動保護氣體供氣裝置，打印過程中，惰性保護氣體的氣壓為0.1-0.5MPa;激光燒結的溫度控制在金屬粉末熔點絕對溫度的2/3-4/5;最終生成三維實體成形件坯件；
[0010]5)完成上述步驟4)后，將三維實體成形件坯件先進行保溫處理2-4h，其中溫度控制在100-200°C，經(jīng)過保溫處理后進行冷卻使燒結過程更加充分，將冷卻后的三維實體成形件坯件由成形缸中取出，置入脫粘裝置中進行物理脫粘和/或化學脫粘;其中脫粘裝置包括脫粘室、加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、脫粘劑添加系統(tǒng)、真空保護氣體系統(tǒng)和控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)分別與加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、脫粘劑添加系統(tǒng)、真空保護氣體系統(tǒng)控制連接;溫控系統(tǒng)還與加熱系統(tǒng)相連接；
[0011]物理脫粘包括在脫粘室中，控制系統(tǒng)控制開啟真空保護氣體系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，對金屬-粘結劑復合體坯件進行加熱，使得粘接劑熔化，此時真空保護氣體的氣體壓力范圍為0.1-0.5MPa，加熱系統(tǒng)的溫度范圍高于粘結劑熔化溫度30-50°C，然后進行保溫2_3h，使得物理脫粘過程充分得以完成；
[0012]化學脫粘也在脫粘室中進行;控制開啟真空保護氣體系統(tǒng)和脫粘劑添加系統(tǒng)，其中真空保護氣體的氣體壓力范圍同上，脫粘劑包括主要化學脫粘劑和輔助化學脫粘劑，主要化學脫粘劑包括由堿、螯合劑組成的堿性脫粘劑，輔助化學脫粘劑包括甲醛樹脂，其中主要化學脫粘劑與輔助化學脫粘劑的重量份數(shù)比為3-5:1，控制反應時間為2-5h，可使化學脫粘過程得以充分完成；
[0013]6)為使最終的成形件具有零收縮膨脹率，將足量的Sn-Bi合金放置在熔化爐內(nèi)加熱至熔化，加熱溫度為140-160 0C ；保溫時間為I_2h;
[0014]7)將上述步驟5)經(jīng)過物理脫粘和/或化學脫粘處理后的三維實體坯件進行表面酸洗和、或水洗清潔處理后，放置于處理室內(nèi)，并將該處理室保溫并抽真空，此時壓力范圍為
0.1-0.5個大氣壓;溫度范圍為140-160°(:，以保證成形件的氧含量不超標，保溫1-211后，將其與上述步驟6)中熔化的Sn-Bi合金進行滲金屬處理，這時處理室的壓力升至2-3個大氣壓，以保證液態(tài)Sn-Bi合金的完全滲入；
[0015]8)完成上述步驟后，測量三維實體成形件所滲入的Sn-Bi合金實測重量，將該實測重量與在預定溫度范圍內(nèi)計算得到所滲入的Sn-Bi合金理論重量進行對比，檢查是否在±1?七％誤差允許范圍內(nèi)，以保證制得的金屬件在預定的溫度范圍內(nèi)具有零膨脹率和零收縮率。將滲入Sn-Bi合金后的最終成形件進行打磨、拋光后處理。
[0016]作為上述技術方案的進一步優(yōu)化，所述的一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法，其特征在于:上述步驟4)中采用的激光器類型為二氧化碳激光器或者光纖激光器。
[0017]作為上述技術方案的進一步優(yōu)化，所述的金屬粉末為Fe、N1、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一種或者組合。
[0018]作為上述技術方案的進一步優(yōu)化，所述的粘結劑包括羧甲基纖維素鈉、環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、丙烯酰胺、有機硅中的一種或其組合。
[0019]與現(xiàn)有技術中制備技術相比，采用本發(fā)明的一種制備方法具有如下優(yōu)點:
[0020](I)在本發(fā)明中，因為金屬件具有零膨脹收縮率，因此不會隨著溫度的變化而引起零件的尺寸變化，可保持零件的精度，而且不會由此引起零件的內(nèi)應力和熱應力。
[0021](2)本發(fā)明獲得的金屬件具有多相組織，其中，熱脹冷縮相可提供高強度和高硬度，而熱縮冷脹相(即Sn-Bi合金相)較軟，對韌性的貢獻較大，兩種相結合起來，可提供較好的綜合機械性能。
[0022](3)與一般的激光選區(qū)燒結方法相比，本發(fā)明通過滲金屬的方法，使之成為密度接近100%的金屬件，密度較原方法獲得的金屬件高。
【附圖說明】
[0023]附圖1為本發(fā)明一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖1對本發(fā)明一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法作具體說明。
[0025]—種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法，該方法包括如下步驟:
[0026]I)具有零膨脹收縮率的金屬件有多相合金組織，其中，Sn-Bi合金相是低熔點合金相，其共晶點位于42%Sn和58%Bi成分處，共晶溫度為138°C，其在-30-138°C溫度下受熱時收縮、冷卻時膨脹，而除Sn-Bi合金以外的合金相是熱脹冷縮相，通過計算，可得在一定的成分配比下，金屬件具有零膨脹收縮率；
[0027]2)選擇不包括Sn-Bi的金屬粉末和有機粘接劑粉末，其中金屬粉末和有機粘接劑粉末的粒徑范圍為2.0-20μπι，在混粉器中將金屬粉末和有機粘接劑粉末進行混合均勻處理，制成混合粉末，金屬粉末與有機粘接劑粉末的比例為2-5:1;將經(jīng)過呼和均勻處理后的混合粉末進行保溫處理，溫度為80-150°C ;
[0028]3)在計算機上利用CAD三維制圖軟件對金屬件的STL三維模型進行修正、切片分層處理，層厚為0.3-3mm;計算機控制系統(tǒng)控制3D打印機的噴頭在X、Y、Z三軸上運動，運動軌跡與每個切片分層圖形一致；
[0029]4)在激光選區(qū)燒結成形機的成形缸內(nèi)，將步驟I)中的混合粉末鋪平，并進行預熱處理，此時溫度控制在100-200 °C;控制激光器的參數(shù)，激光器功率為200-400W，打印速率為
0.05-0.lm/min，光斑直徑為3_8_，搭接率為10 %-20 % ;啟動保護氣體供氣裝置，打印過程中，惰性保護氣體的氣壓為0.1-0.5MPa;激光燒結的溫度控制在金屬粉末熔點絕對溫度的2/3-4/5;最終生成三維實體成形件坯件；
[0030]5)完成上述步驟4)后，將三維實體成形件坯件先進行保溫處理2_4h，其中溫度控制在100-200°C，經(jīng)過保溫處理后進行冷卻使燒結過程更加充分，將冷卻后的三維實體成形件坯件由成形缸中取出，置入脫粘裝置中進行物理脫粘和/或化學脫粘;其中脫粘裝置包括脫粘室、加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、脫粘劑添加系統(tǒng)、真空保護氣體系統(tǒng)和控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)分別與加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、脫粘劑添加系統(tǒng)、真空保護氣體系統(tǒng)控制連接;溫控系統(tǒng)還與加熱系統(tǒng)相連接；
[0031]物理脫粘包括在脫粘室中，控制系統(tǒng)控制開啟真空保護氣體系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，對金屬-粘結劑復合體坯件進行加熱，使得粘接劑熔化，此時真空保護氣體的氣體壓力范圍為0.1-0.5MPa，加熱系統(tǒng)的溫度范圍高于粘結劑熔化溫度30-50°C，然后進行保溫2_3h，使得物理脫粘過程充分得以完成；
[0032]化學脫粘也在脫粘室中進行;控制開啟真空保護氣體系統(tǒng)和脫粘劑添加系統(tǒng)，其中真空保護氣體的氣體壓力范圍同上，脫粘劑包括主要化學脫粘劑和輔助化學脫粘劑，主要化學脫粘劑包括由堿、螯合劑組成的堿性脫粘劑，輔助化學脫粘劑包括甲醛樹脂，其中主要化學脫粘劑與輔助化學脫粘劑的重量份數(shù)比為3-5:1，控制反應時間為2_5h，可使化學脫粘過程得以充分完成；
[0033]6)為使最終的成形件具有零收縮膨脹率，將足量的Sn-Bi合金放置在熔化爐內(nèi)加熱至熔化，加熱溫度為140-160 0C ；保溫時間為I_2h;
[0034]7)將上述步驟5)經(jīng)過物理脫粘和/或化學脫粘處理后的三維實體坯件進行表面酸洗和、或水洗清潔處理后，放置于處理室內(nèi)，并將該處理室保溫并抽真空，此時壓力范圍為
0.1-0.5個大氣壓;溫度范圍為140-160°(:，以保證成形件的氧含量不超標，保溫1-211后，將其與上述步驟6)中熔化的Sn-Bi合金進行滲金屬處理，這時處理室的壓力升至2-3個大氣壓，以保證液態(tài)Sn-Bi合金的完全滲入；
[0035]8)完成上述步驟后，測量三維實體成形件所滲入的Sn-Bi合金實測重量，將該實測重量與在預定溫度范圍內(nèi)計算得到所滲入的Sn-Bi合金理論重量進行對比，檢查是否在±1?七％誤差允許范圍內(nèi)，以保證制得的金屬件在預定的溫度范圍內(nèi)具有零膨脹率和零收縮率。將滲入Sn-Bi合金后的最終成形件進行打磨、拋光后處理。
[0036]上述步驟4)中采用的激光器類型為二氧化碳激光器或者光纖激光器。所述的金屬粉末為Fe、N1、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一種或者組合。所述的粘結劑包括羧甲基纖維素鈉、環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、丙烯酰胺、有機硅中的一種或其組合。
[0037]上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 1)具有零膨脹收縮率的金屬件有多相合金組織，其中，Sn-Bi合金相是低熔點合金相，其共晶點位于42%Sn和58%Bi成分處，共晶溫度為138°C，其在-30-138°C溫度下受熱時收縮、冷卻時膨脹，而除Sn-Bi合金以外的合金相是熱脹冷縮相，通過計算，可得在一定的成分配比下，金屬件具有零膨脹收縮率； 2)選擇不包括Sn-Bi的金屬粉末和有機粘接劑粉末，其中金屬粉末和有機粘接劑粉末的粒徑范圍為2.0-20μπι，在混粉器中將金屬粉末和有機粘接劑粉末進行混合均勻處理，制成混合粉末，金屬粉末與有機粘接劑粉末的比例為2-5:1;將經(jīng)過呼和均勻處理后的混合粉末進行保溫處理，溫度為80-150°C ; 3)在計算機上利用CAD三維制圖軟件對金屬件的STL三維模型進行修正、切片分層處理，層厚為0.3-3mm;計算機控制系統(tǒng)控制3D打印機的噴頭在X、Y、Z三軸上運動，運動軌跡與每個切片分層圖形一致； 4)在激光選區(qū)燒結成形機的成形缸內(nèi)，將步驟I)中的混合粉末鋪平，并進行預熱處理，此時溫度控制在100-200 °C;控制激光器的參數(shù)，激光器功率為200-400W，打印速率為0.05-0.lm/min，光斑直徑為3-8mm，搭接率為10%-20% ;啟動保護氣體供氣裝置，打印過程中，惰性保護氣體的氣壓為0.1-0.5MPa;激光燒結的溫度控制在金屬粉末熔點絕對溫度的2/3-4/5;最終生成三維實體成形件坯件； 5)完成上述步驟4)后，將三維實體成形件坯件先進行保溫處理2-4h，其中溫度控制在100-200°C，經(jīng)過保溫處理后進行冷卻使燒結過程更加充分，將冷卻后的三維實體成形件坯件由成形缸中取出，置入脫粘裝置中進行物理脫粘和/或化學脫粘;其中脫粘裝置包括脫粘室、加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、脫粘劑添加系統(tǒng)、真空保護氣體系統(tǒng)和控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)分別與加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、脫粘劑添加系統(tǒng)、真空保護氣體系統(tǒng)控制連接;溫控系統(tǒng)還與加熱系統(tǒng)相連接； 物理脫粘包括在脫粘室中，控制系統(tǒng)控制開啟真空保護氣體系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，對金屬-粘結劑復合體坯件進行加熱，使得粘接劑熔化，此時真空保護氣體的氣體壓力范圍為0.1-0.5MPa，加熱系統(tǒng)的溫度范圍高于粘結劑熔化溫度30-50°C，然后進行保溫2-3h，使得物理脫粘過程充分得以完成； 化學脫粘也在脫粘室中進行;控制開啟真空保護氣體系統(tǒng)和脫粘劑添加系統(tǒng)，其中真空保護氣體的氣體壓力范圍同上，脫粘劑包括主要化學脫粘劑和輔助化學脫粘劑，主要化學脫粘劑包括由堿、螯合劑組成的堿性脫粘劑，輔助化學脫粘劑包括甲醛樹脂，其中主要化學脫粘劑與輔助化學脫粘劑的重量份數(shù)比為3-5:1，控制反應時間為2-5h，可使化學脫粘過程得以充分完成； 6)為使最終的成形件具有零收縮膨脹率，將足量的Sn-Bi合金放置在熔化爐內(nèi)加熱至熔化，加熱溫度為140-160 0C ；保溫時間為I_2h; 7)將上述步驟5)經(jīng)過物理脫粘和/或化學脫粘處理后的三維實體坯件進行表面酸洗和、或水洗清潔處理后，放置于處理室內(nèi)，并將該處理室保溫并抽真空，此時壓力范圍為0.1-0.5個大氣壓;溫度范圍為140-160°(:，以保證成形件的氧含量不超標，保溫1-211后，將其與上述步驟6)中熔化的Sn-Bi合金進行滲金屬處理，這時處理室的壓力升至2-3個大氣壓，以保證液態(tài)Sn-Bi合金的完全滲入； 8)完成上述步驟后，測量三維實體成形件所滲入的Sn-Bi合金實測重量，將該實測重量與在預定溫度范圍內(nèi)計算得到所滲入的Sn-Bi合金理論重量進行對比，檢查是否在± lwt%誤差允許范圍內(nèi)，以保證制得的金屬件在預定的溫度范圍內(nèi)具有零膨脹率和零收縮率。將滲入Sn-Bi合金后的最終成形件進行打磨、拋光后處理。2.根據(jù)權利要求1所述的一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法，其特征在于:上述步驟4)中采用的激光器類型為二氧化碳激光器或者光纖激光器。3.根據(jù)權利要求1所述的一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法，其特征在于:所述的金屬粉末為Fe、N1、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一種或者組合。4.根據(jù)權利要求1所述的一種制備零膨脹收縮率金屬件的激光選區(qū)燒結方法，其特征在于:所述的粘結劑包括羧甲基纖維素鈉、環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、丙烯酰胺、有機硅中的一種或其組合。
【文檔編號】B22F3/105GK106001572SQ201610533624
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】顧德陽
【申請人】四川三陽永年增材制造技術有限公司