[发明专利]一种利用3D打印模具制备粉末冶金复杂形状零件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种粉末成形技术，属于粉末冶金生产工艺中零部件制备领域，特别是提供了一种结合3D打印技术的凝胶注模工艺成形粉末冶金复杂形状零件的方法。

背景技术

查阅近10年的文献检索可知，3D打印技术是快速成形技术的一种，也叫做增材制造，其基本原理是把一个通过设计或者扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面，然后一层一层打印出来并按原来的位置堆积到一起，形成一个实物的立体模型。目前3D打印技术发展迅速，其中金属材料直接成形技术成为了研究与应用的一大热点。金属3D打印技术可以制备复杂形状的金属零件，但现有金属3D打印机造价过于昂贵，金属材料直接成形耗时过长效率极低，对原料金属粉末要求高，需求超细球形度好的金属粉末，成本较高，且打印精度不高。

凝胶注模成形工艺是将有机单体与溶剂配制成一定浓度的预混液，金属或陶瓷粉末悬浮于其中制成低粘度、高固相含量的浓悬浮体（料浆），加入催化剂及引发剂之后，将这种浓悬浮体（料浆）注入非多孔模具中，在一定的温度条件下，有机聚合物单体交联聚合成三维网络状聚合物凝胶，并使粉末颗粒原位粘结而固化形成坯体。坯体经干燥、脱胶和烧结得到零件产品。凝胶注模成形工艺制备的金属零件无疏松、缩孔、成分偏析等铸造缺陷；具有均匀细小的显微组织，力学性能良好；易于添加高熔点的合金元素和制备复合材料；可以方便地实现复杂构件的近净成形；在多种金属材料生产领域如金属磁材、生物医学植入材料、金属基粉末冶金结构件等都具有广阔的应用前景。

本发明提供3D打印技术结合凝胶注模成型工艺制备粉末冶金复杂形状零件的方法，利用3D打印设备打印出中空的零件模具，再通过凝胶注模成型工艺制备粉末冶金零件，凭借3D打印技术及凝胶注模成型工艺的制造灵活和节省原材料的特点，能够制备任意复杂形状的粉末冶金零件，零件组织均匀细小力学性能良好，与普通金属3D打印工艺相比耗时短效率高，对金属粉末粒度和形状要求较低，成本低且产品精度高。目前还未见到利用3D打印模具制备粉末冶金零件方法的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用3D打印模具制备粉末冶金复杂形状零件的方法，即利用3D打印技术事先打印出零件负型模型，再利用金属粉末料浆的凝胶注模成型工艺制备出粉末冶金零件的型坯，经干燥脱胶、烧结可制成空间复杂形状的粉末冶金零件，零件精度较高，性能良好，工艺稳定可靠，操作性强，耗时短效率高，成本较低。具体工艺流程及参数如下：

1.    打印模具：利用3D打印技术打印空间复杂形状，特别是有内腔复杂形状的零件空间负型模具，模具中空且具有一定厚度和刚度；

2.    金属料浆制备：利用可溶性溶胶制备出金属料浆，加入0.01wt~0.2wt%的分散剂改善料浆流动性，用氨水调节PH值；

3.    料浆浇注：在金属料浆中加入0.01wt%~0.3wt%的催化剂和0.01wt%~0.5wt%的引发剂，搅拌均匀后通过真空负压、压力浇注或震动的方法将金属料浆浇注到中空的零件负型模具中，在催化剂和引发剂的作用下，有机单体交联聚合成三维网络状聚合物凝胶，并使金属粉末颗粒原位粘结而固化形成坯体，零件坯体在60℃~150℃条件下真空干燥2~8小时；

4.    去除模具：可将带有塑料模具的零件坯体浸入有机溶剂中，使塑料模具溶解去除，ABS塑料模具可使用四氢呋喃溶剂溶解，PLA塑料模具则可使用丙酮、氯仿、二氯甲烷等溶剂溶解去除，也可将带有ABS塑料模具或PLA塑料模具的零件坯体置于真空度为10^-2~10^-3Pa的真空炉中，于80℃~300℃温度范围内加热保温，塑料模具受热升华，直至模具完全去除，从而获得复杂形状的零件坯体；

5.    干燥和脱胶：零件坯体在60℃~150℃温度条件下真空干燥2~8小时，随后在空气、保护气氛或真空条件下，将零件坯体在200℃~600℃保温1~4小时进行脱胶处理；

6.    烧结：在保护气氛或真空条件下，按照坯体金属或合金粉末的最佳烧结工艺条件和参数（100℃~1500℃）进行烧结。

所述的3D打印零件模具包括：

1）  使用三维造型软件设计出所需结构形状的零件负型模具三维模型，将其分层切片处理后，考虑坯体和实物之间的收缩情况，由几何中心将分层平面进行多方面的二维计算，将模具模型按110%~130%（即收缩比K=1.1~1.3）的比例放大；