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CN111360247A - 低成本钛铝金属间化合物间接3d打印方法 - Google Patents

低成本钛铝金属间化合物间接3d打印方法 Download PDF

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CN111360247A CN202010189154.5A CN202010189154A CN111360247A CN 111360247 A CN111360247 A CN 111360247A CN 202010189154 A CN202010189154 A CN 202010189154A CN 111360247 A CN111360247 A CN 111360247A
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唐迎春
李正平
林云峰
江洁
苗义高
张娜
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Abstract

本发明公开了一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，按如下步骤：将钛铝金属间化合物粉末和粘结剂充分混合搅拌且加温，粘结剂的加入量占总体积的25~45%，粘结剂由下列重量份的原料制成：聚乙烯高分子35~45份，乙烯醋酸乙烯酯12~18份，石蜡35~45份，硬脂酸4~5份；待混合的粉体冷却后，制备成粒状喂料，然后加工成用于塑料3D打印的丝材；将丝材装载到常规的塑料3D打印机上，打印出钛铝金属间化合物生坯，并对生坯进行冷等静压和表面修正处理；将钛铝金属间化合物生坯先进行溶剂脱脂，再进行热脱脂；真空烧结，经冷却至室温后，进行热等静压或者气等压锻造(GIF)和喷丸表面处理，最终获得零部件。本发明具有加工设备简单、产品成品率高、产品质量好的效果。

Description

低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种钛铝基金属间化合物的制造方法。
背景技术
钛铝金属间化合物密度低，高的比强度和比弹性模量，此外还具有较好的抗氧化和蠕变性能以及优异的疲劳性能，因而被广泛用于航空、航天、航海、陆地交通等领域。
粉末冶金领域中， 3D打印技术，作为一种先进的材料加工方法，能够近净成形地制造出具有复杂结构的钛铝金属间化合物零部件。同时，3D打印技术制作周期较短，制造精度高，成本节约，对于社会生态环境来说，3D打印技术的使用具有更加环保的特色。
当前3D打印钛铝金属间化合物主要是，如激光或电子束打印，通过高能量局部地、逐层地融化钛铝金属间化合物粉末来熔接制造钛铝金属间化合物零部件，该打印方法设备极其昂贵，限制了3D打印钛铝金属间化合物工业化的发展。
发明内容
本发明根据以上不足，提供了一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法。
本发明的目的在于提供一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，通过采用普通塑料3D打印设备制备钛铝金属间化合物零部件，能够大幅地降低制造钛铝金属间化合物零部件的成本。
本发明所要解决的技术问题是，为了克服上述现有背景技术中提及的激光或者电子束3D打印钛铝金属间化合物高昂的设备费用，提供一种低成本钛铝金属间化合物3D方法。
本发明的技术方案是：
一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，按如下步骤：
S1. 将钛铝金属间化合物粉末和粘结剂充分混合搅拌且加温，粘结剂的加入量占总体积的25~45%，粘结剂由下列重量份的原料制成：聚乙烯高分子35~45份，乙烯醋酸乙烯酯12~18份，石蜡35~45份，硬脂酸4~5份；
S2. 待混合的粉体冷却后，通过造粒机或破碎机制备成粒状喂料，然后使用注射成形机或造丝机将粒状喂料加工成用于塑料3D打印的丝材；
S3. 将丝材装载到常规的塑料3D打印机上，根据计算机中三维建模程序，打印出钛铝金属间化合物生坯，并对生坯进行冷等静压和表面修正处理；
S4. 将钛铝金属间化合物生坯先进行溶剂脱脂，再进行热脱脂；
S5. 将脱脂后的钛铝金属间化合物生坯，通过真空烧结，固结化合物生坯，经冷却至室温后，获得钛铝金属间化合物零部件，对钛铝金属间化合物零部件，进行热等静压或者气等压锻造(GIF)和喷丸表面处理，最终获得高度致密、机械性能和尺寸精度良好的钛铝金属间化合物零部件。
需要说明的是，本发明通过普通的造粒机或破碎机和塑料3D打印机进行加工，大大降低了设备成本，从而也就大大降低了产品的成本，且加工非常方便。
作为优选，所述钛铝金属间化合物粉末包括等离子雾化粉末、电子束雾化粉末、气雾化粉末和 /或旋转电极制粉，粉末的粒径为15~63µm。
进一步地，所述步骤S1中，加温的温度为120~180°C，搅拌时间为2~6h。
作为优选，所述步骤S2中，丝材的直径1~4mm，长度大于20cm。
进一步地，所述步骤S4中，溶剂脱脂为非极性溶剂脱脂，将打印的生坯浸入一定温度和流速的己烷溶液中，控制己烷的温度为40~60℃，流速为0~20cm/s，保持5~20h；热脱脂的具体方法为，先将溶剂脱脂后的生坯进行烘干，时间为30~90min，然后放入脱脂烧结干馏炉，在氩气冲刷下缓慢升温至550~650℃，氩气流速为120~150L/h。
进一步地，所述步骤S5中，真空烧结时，烧结炉调整至真空度10-4~10-6mbar，温度缓慢升温至1300~1500℃，烧结2~6h后，缓慢降温获得钛铝金属间化合物零部件。
进一步地，所述步骤S5中，热等静压的具体工艺方法为：温度1200~1350℃，压力150~200MPa，时间1~4h。
进一步地，所述步骤3中，塑料3D打印机的打印嘴温度为120~180℃
进一步地，所述步骤2中，注射成形机或造丝机注射嘴温度为120~180℃。
本发明的一种钛铝金属间化合物低成本间接3D打印方法，解决了常规的直接金属3D打印技术的设备成本限制问题，是对增材制造钛铝制品领域的一个重要补充。
本发明具有加工设备简单、产品成品率高、产品质量好的效果。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：用球形钛铝金属间化合物粉末(Ti-48Al-2Cr-2Nb或Ti-45Al-8Nb)3D打印钛铝金属间化合物零部件的方法。
把球形钛铝金属间化合物和占总体积25%的粘结剂放入Sigma混粉机中搅拌，搅拌时加温的温度为120°C，搅拌时间为2h，粘结剂由下列重量份的原料制成：聚乙烯高分子35份，乙烯醋酸乙烯酯12份，石蜡35份，硬脂酸4份；球形钛铝金属间化合物粉末的粒径为15µm；再使用造粒机制备成直径小于5mm的粒状喂料，使用注射机，制造丝材喂料，丝材直径为1mm，长度大于20cm，注射嘴温度为120℃，将丝材装载到常规塑料3D打印机上，打印嘴温度120℃，按计算机建模导入塑料打印机中，打印生坯；把打印生坯放入己烷溶剂中，控制己烷的温度为40℃，流速为0~20cm/s，保持5h；烘干时间为30min，然后放入脱脂烧结干馏炉，在氩气冲刷下缓慢升温至550℃，氩气流速为120L/h；随后将脱脂烧结干馏炉真空度调节至10-4mbar，对脱脂坯料进行烧结，烧结温度为1300℃，烧结时间为2h；冷却后，再把烧结坯放入热等静压设备里，加热到1200℃，150MPa，保压时间1h，缓慢降温获得钛铝金属间化合物零部件。
实施例2：
用球形钛铝金属间化合物粉末（Ti-48Al-2Cr-2Nb或Ti-45Al-8Nb）并添加稀土钇粉3D打印钛铝金属间化合物零部件的方法。
把占混合粉末总重量95.5%球形钛铝金属间化合物粉末（Ti-48Al-2Cr-2Nb或Ti-45Al-8Nb）、占混合粉末总重量0.5%的钇元素粉末和占喂料总体积38%的粘结剂进行搅拌，搅拌时加温的温度为150°C，搅拌时间为4h，粘结剂由下列重量份的原料制成：聚乙烯高分子40份，乙烯醋酸乙烯酯15份，石蜡40份，硬脂酸5份；球形钛铝金属间化合物粉末的粒径为40µm；再使用造粒机制备成直径小于5mm的粒状喂料，使用注射机，制造丝材喂料，丝材直径为3mm，长度大于20cm，注射嘴温度为150℃，将丝材装载到常规塑料3D打印机上，打印嘴温度150℃，按计算机建模导入塑料打印机中，打印生坯；把打印生坯放入己烷溶剂中，控制己烷的温度为50℃，流速为0~20cm/s，保持12h；烘干时间为60min，然后放入脱脂烧结干馏炉，在氩气冲刷下缓慢升温至600℃，氩气流速为120~150L/h；随后将脱脂烧结干馏炉真空度调节至10-5mbar，对脱脂坯料进行烧结，烧结温度为1400℃，烧结时间为4h；冷却后，再把烧结坯放入热等静压设备里，加热到1300℃，175MPa，保压时间2h，缓慢降温获得钛铝金属间化合物零部件。
实施例3：
用球形钛铝金属间化合物粉末（Ti-48Al-2Cr-2Nb或Ti-45Al-8Nb）3D打印钛铝金属间化合物零部件的方法。
把球形钛铝金属间化合物和占总体积45%的粘结剂放入Sigma混粉机中搅拌，搅拌时加温的温度为180°C，搅拌时间为6h，粘结剂由下列重量份的原料制成：聚乙烯高分子45份，乙烯醋酸乙烯酯18份，石蜡45份，硬脂酸5份；球形钛铝金属间化合物粉末的粒径为63µm；再使用造粒机制备成直径小于5mm的粒状喂料，使用注射机，制造丝材喂料，丝材直径为4mm，长度大于20cm，注射嘴温度为180℃，将丝材装载到常规塑料3D打印机上，打印嘴温度180℃，按计算机建模导入塑料打印机中，打印生坯；把打印生坯放入己烷溶剂中，控制己烷的温度为60℃，流速为0~20cm/s，保持20h；烘干时间为90min，然后放入脱脂烧结干馏炉，在氩气冲刷下缓慢升温至650℃，氩气流速为150L/h；随后将脱脂烧结干馏炉真空度调节至10-6mbar，对脱脂坯料进行烧结，烧结温度为1500℃，烧结时间为6h；冷却后，再把烧结坯放入热等静压设备里，加热到1350℃，200MPa，保压时间4h，缓慢降温获得钛铝金属间化合物零部件。

Claims (9)

1.一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，按如下步骤：
S1. 将钛铝金属间化合物粉末和粘结剂充分混合搅拌且加温，粘结剂的加入量占总体积的25~45%，粘结剂由下列重量份的原料制成：聚乙烯高分子35~45份，乙烯醋酸乙烯酯12~18份，石蜡35~45份，硬脂酸4~5份；
S2. 待混合的粉体冷却后，通过造粒机或破碎机制备成粒状喂料，然后使用注射成形机或造丝机将粒状喂料加工成用于塑料3D打印的丝材；
S3. 将丝材装载到常规的塑料3D打印机上，根据计算机中三维建模程序，打印出钛铝金属间化合物生坯，并对生坯进行冷等静压和表面修正处理；
S4. 将钛铝金属间化合物生坯先进行溶剂脱脂，再进行热脱脂；
S5. 将脱脂后的钛铝金属间化合物生坯，通过真空烧结，固结化合物生坯，经冷却至室温后，获得钛铝金属间化合物零部件，对钛铝金属间化合物零部件，进行热等静压或者气等压锻造(GIF)和喷丸表面处理，最终获得高度致密、机械性能和尺寸精度良好的钛铝金属间化合物零部件。
2.如权利要求1所述的一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，所述钛铝金属间化合物粉末包括等离子雾化粉末、电子束雾化粉末、气雾化粉末和 /或旋转电极制粉，粉末的粒径为15~63µm。
3.如权利要求1所述的一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，所述步骤S1中，加温的温度为120~180°C，搅拌时间为2~6h。
4.如权利要求1所述的一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，所述步骤S2中，丝材的直径1~4mm，长度大于20cm。
5.如权利要求1所述的一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，所述步骤S4中，溶剂脱脂为非极性溶剂脱脂，将打印的生坯浸入一定温度和流速的己烷溶液中，控制己烷的温度为40~60℃，流速为0~20cm/s，保持5~20h；热脱脂的具体方法为，先将溶剂脱脂后的生坯进行烘干，时间为30~90min，然后放入脱脂烧结干馏炉，在氩气冲刷下缓慢升温至550~650℃，氩气流速为120~150L/h。
6.如权利要求1所述的一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，所述步骤S5中，真空烧结时，烧结炉调整至真空度10-4~10-6mbar，温度缓慢升温至1300~1500℃，烧结2~6h后，缓慢降温获得钛铝金属间化合物零部件。
7.如权利要求1所述的一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，所述步骤S5中，热等静压的具体工艺方法为：温度1200~1350℃，压力150~200MPa，时间1~4h。
8.如权利要求1所述的一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，所述步骤3中，塑料3D打印机的打印嘴温度为120~180℃。
9.如权利要求1所述的一种低成本钛铝金属间化合物间接3D打印方法，其特征是，所述步骤2中，注射成形机或造丝机注射嘴温度为120~180℃。
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