[发明专利]一种用于3D打印的钛合金浆料的制备和烧结方法

说明书

本发明涉及一种用于3D打印的钛合金浆料的制备和烧结方法，属于增材制造领域。包括粘结剂的制备、金属浆料的制备、打印样品原型和样品烧结。优点是用N‑甲基‑2‑吡咯烷酮替代DBP和EGBE能够很好的解决增塑剂价格昂贵、不易制造且生产周期长的问题，使固体相含量更高，又能溶解PS，提高了金属固相含量，能够起到自支撑，在自身重力的作用下样件不变形；采用保护罩极大降低了加工设备的要求，节约成本。加工方法采用加工件同种方法，就地取材，简单实用，降低钛合金烧结的成本和难度。

技术领域

本发明属于增材制造领域，特别是涉及钛合金金属浆料的制备和烧结方法。

背景技术

3D打印技术，即增材制造技术，作为一种新兴的制造策略，受到了越来越广泛的关注。与其他直接成型技术相比，其中浆料直写技术生产周期短、效率高、成本低且生产灵活，原材料种类丰富，可以制造金属、非金属和有机聚合物等，可以应用在生物医疗、电子和光学等领域。

钛合金因具有耐腐蚀性强，密度低，强度高等优点，被广泛应用到航空航天，生物医疗，高端汽车零件等领域。常温下钛合金的性质稳定，不易被氧化，但在高温下，钛合金的性质极为活泼，易于空气中的氧气发生剧烈的氧化反应。这使得钛合金的加工条件非常苛刻，难以实现。金属增材制造领域加工钛合金的方法有选区激光融化SLM、能量沉积方法，但是SLM方法打印过程中存在危险，加工成本高，熔池小降温速度快导致存在残余应力，两种方法高温烧结时钛合金也存在不同程度的氧化。目前在焊接领域制造加工钛合金时防止氧化的办法是在焊头处增加一个惰性气体保护罩形成保护气层，以此来隔绝空气中的氧气，激光增材制造加工钛合金时利用一个充满惰性气体的金属保护舱把加工环境与空气隔开，从而达到不氧化、氮化的加工，但是仍然达不到理想效果。

浆料直写3D打印技术能加工具有外部复杂三维形状和内部精密多孔结构的钛合金人工骨，被广泛应用于生物医疗领域。该技术通过常温下打印钛合金和粘结剂的混合浆料来构造三维结构，然后在高温高真空炉中进行烧结后处理，后处理一般采用高温高真空烧结的方式去除粘结剂得到钛合金样件。但由于钛合金的烧结条件过于苛刻，往往需要Pa的高真空度和1200-1400度的高温，如此高的真空度需要昂贵的真空机组和耐高温且密封性极佳的高温炉设备，目前能够抽高真空达到烧结钛合金的设备有扩散泵加机械泵和分子泵加机械泵，但是分子泵设备价格和维护保养费用昂贵，对颗粒物或沉积物敏感致使对使用环境和操作要求较高，扩散泵的极限真空度和真空清洁的环境不如分子泵，但是扩散泵设备相对分子泵价格便宜，且能够达到烧结钛合金的真空条件，但两者及其所连接的高温加热炉管少量空气泄露等难以控制的因素导致气密性不足，导致钛合金样件表面氧化使烧结失败，烧结的成功率较低，以上制造钛合金的方法都存在不可避免的钛合金表面氧化，导致加工件不可用。金属浆料的质量直接影响成型制造的质量，在金属浆料中充当粘结剂的主要是聚合物，将聚合物溶解在有机或非有机溶剂中形成胶状粘结剂。目前，以聚合物聚苯乙烯(Polystyrene，PS)和二氯甲烷(Dichloromethane，DCM)中加入增塑剂邻苯二甲酸二丁酯(Dibutyl phthalate，DBP)和乙二醇-丁醚分散剂(2-Butoxyethanol,EGBE)等与一定配比的金属粉末原料作为金属3D打印浆料的研究相对较为普遍，并且PS粘结剂系统相对于其他粘结剂系统来说，例如聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(polylactic-co-glycolic acid，PLGA)、聚氧化乙烯(Polyethylene oxide，PEO)等，在金属粉末铁中引入的碳污染最小并且PS在烧结时不引入氧元素，但是其中增塑剂DBP和EGBE较为昂贵、不易制造且生产周期长，而在以聚合物PS为粘结剂的条件下，利用同种金属粉末和比例，不加较为昂贵的增塑剂就能达到质量要求的金属浆料几乎没有。

发明内容

本发明提供一种用于3D打印的钛合金浆料的制备和烧结方法，以解决目前增材制造领域中存在的制造加工钛合金时易氧化的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(1)粘结剂的制备