一种等静压包套和等静压成形方法
阅读说明：本技术 一种等静压包套和等静压成形方法 (Isostatic pressing sheath and isostatic pressing forming method ) 是由 魏青松 谢寅 滕庆 薛鹏举 孙闪闪 毛贻桅 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种等静压包套和等静压成形方法,所述等静压包套包括包套、封盖、填充于包套内壁和待等静压零件外壁之间的内层硅胶和外层硅胶、穿过封盖的抽气管,其中,所述内层硅胶与所述待等静压零件外壁接触,所述内层硅胶为液态或半固态硅胶层,所述外层硅胶与所述包套内壁接触,所述外层硅胶为固态硅胶。本发明利用包套内两层硅胶,靠近零件的为液态或半固态硅胶,靠近包套的为固态硅胶,由于液态或半固态硅胶的存在,可以在不损伤零件的同时,利用其良好的流动性可以实现压力的均匀传递,保证复杂结构件表面完整,经过处理后的零件有很高的致密度和良好的机械性能。(The invention discloses an isostatic pressing sheath and an isostatic pressing forming method, wherein the isostatic pressing sheath comprises a sheath, a sealing cover, inner layer silica gel and outer layer silica gel which are filled between the inner wall of the sheath and the outer wall of a part to be isostatic pressed, and an exhaust pipe penetrating through the sealing cover, wherein the inner layer silica gel is in contact with the outer wall of the part to be isostatic pressed, the inner layer silica gel is a liquid or semi-solid silica gel layer, the outer layer silica gel is in contact with the inner wall of the sheath, and the outer layer silica gel is solid silica gel. According to the invention, two layers of silica gel in the sheath are utilized, liquid or semisolid silica gel is close to the part, and solid silica gel is close to the sheath.)
技术领域
本发明属于等静压加工技术领域，更具体地，涉及一种等静压包套和等静压成形方法。
背景技术
3D打印技术通过将三维物体划分为二维平面，进行层与层的成形，能够快速准确地成形出复杂零部件。工业上常用的3D打印技术如SLS、3DP、FDM等虽然可以获得表面质量良好、结构精细、形状复杂的制件，但仍存在致密度低(60％-80％)和孔隙率大等问题，还需要进行一系列后处理来提高零件致密度才能进行进一步加工与应用。
等静压工艺主要包括冷等静压、温等静压和热等静压。其中冷等静压(室温)和温等静压(80～150℃)是在50～630MPa的压力作用下，通过气体产生各向等静压力，使得包套内粉末或制件致密化。与铸造和锻造相比，等静压工艺可以作为后处理来大幅度提高零件的致密度，使多孔制件致密化，可以用于传统凝固条件下难以加工的高温合金材料、陶瓷材料、高分子材料等。
目前，用于冷等静压和温等静压的包套主要采用两种材料的包套：硅胶包套和乳胶包套。但是这些包套都是针对具体形状设计的，不同形状的制件需要不同包套来压制。对于3D打印出来的形状复杂、表面精细的制件，这两种包套就无法使用了。这是因为在等静压过程中，包套传递给复杂结构制件的压力不均匀，会导致边角处崩塌或断裂，造成制件损坏，并且不同形状制件需要设计不同的包套，制造成本高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种等静压包套和等静压成形方法，其目的在于利用包套内两层不同固化速度的液态硅胶，靠近零件的液态硅胶固化慢呈液态或半固态，靠近包套的硅胶固化快呈固态，可以实现对复杂结构多孔坯料的等静压处理，以解决现有等静压中包套传递压力不均匀零件易破损以及包套制作成本昂贵的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种等静压包套，包括包套、封盖、填充于包套内壁和待等静压零件外壁之间的内层硅胶和外层硅胶、穿过封盖的抽气管，其中，所述内层硅胶与所述待等静压零件外壁接触，所述内层硅胶为液态或半固态硅胶层，所述外层硅胶与所述包套内壁接触，所述外层硅胶为固态硅胶。
优选地，所述外层硅胶为添加3.5-4.5％固化剂的液体型硅胶，所述内层硅胶为添加0.5-1.5％固化剂的液体型硅胶。
优选地，所述外层硅胶为添加3.5-4.5％固化剂的耐温液体型硅胶，所述内层硅胶为添加0.5-1.5％固化剂的耐温液体型硅胶，所述耐温液体型硅胶为在温度100℃-250℃围内长时间工作粘结强度、密封性以及力传导等性能保持不变，且最高耐热温度为300℃。
上述液体型硅胶或耐温液体型硅胶中固化剂的添加量视室温而定，气温高则减少。内层硅胶确保固化剂不能高于1.5％，防止内层包套固化，使包套失效；也不能低于0.5％，以防硅胶流动性太好不易抽真空。外层硅胶确保固化剂高于3.5％，过少会延长操作时间，外层易变形；固化剂使用过量,超过4.5％时外层硅胶包套模具会变脆、变硬、没有弹性,不能有效传递等静压过程的压力，甚至造成包套破损。
上述液体型硅胶或耐温液体型硅胶中固化剂的添加过程具体为：，将液体型硅胶或耐温液体型硅胶与固化剂均匀搅拌后，需进行一次低于10min的抽真空排气泡环节。抽真空时间确保低于10min，以防硅胶固化,影响包套制作。
优选地，所述外层硅胶厚度为2-5mm。
优选地，包套的壁厚为5～10mm，包套的底厚为15～30mm。
按照本发明的另一个方面，提供了一种等静压成形方法，所述方法包括：(1)将包套内表面涂上一层液态硅胶，待液态硅胶固化后得到固态硅胶，该固态硅胶为与包套内壁接触的外层硅胶，(2)将待等静压零件放入附着有外层硅胶的包套中，接着灌入另一液态硅胶，使该液态硅胶充分填充待等静压零件表面，待液态硅胶填满后，得到内层硅胶，该内层硅胶为液态或半固态硅胶，然后通过穿过封盖的抽气管将包套抽真空并封实；(3)将封有待等静压零件的包套整体放入等静压设备中进行等静压处理，等静压处理完成后将包套和硅胶去除，得到所需零件，在等静压处理完成之前，所述内层硅胶保持液态或半固态。
优选地，所述步骤(1)中外层硅胶的固化时间为20-30min，内层硅胶固化时间为9-10h。
优选地，所述等静压处理为冷等静压处理或温等静压处理。
优选地，所述等静压处理为冷等静压处理时，所述外层硅胶为添加3.5-4.5％固化剂的液体型硅胶，所述内层硅胶为添加0.5-1.5％固化剂的液体型硅胶；所述等静压处理为温等静压处理时，所述外层硅胶为添加3.5-4.5％固化剂的耐温液体型硅胶，所述内层硅胶为添加0.5-1.5％固化剂的耐温液体型硅胶，所述耐温液体型硅胶为在温度100℃-250℃围内长时间工作粘结强度、密封性以及力传导等性能保持不变，且最高耐热温度可达300℃。
优选地，所述等静压处理为冷等静压处理时，步骤(3)为在室温下加载压力50～200MPa进行等静压处理；所述等静压处理为温等静压处理时，步骤(3)为采用先升温后升压进行等静压处理，待温度保持在80～150℃后再加载压力50～200MPa，保温保压0.5～5小时后随炉冷却出炉。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
(1)本发明利用包套内两层硅胶，靠近零件的为液态或半固态硅胶，靠近包套的为固态硅胶，由于液态或半固态硅胶的存在，可以在不损伤零件的同时，利用其良好的流动性可以实现压力的均匀传递，保证复杂结构件表面完整，经过处理后的零件有很高的致密度(致密度达到90％以上)和良好的机械性能。从而完成对复杂结构多孔坯料零件的进行等静压处理，以解决现有等静压中包套传递压力不均匀零件易破损以及包套制作成本昂贵的问题。
(2)本发明通过添加不同比例的固化剂以得到不同固化速度的液态硅胶，靠近零件的液态硅胶固化慢(内层硅胶固化时间为9-10h)呈液态或半固态，靠近包套的硅胶固化快(外层硅胶的固化时间为20-30min)呈固态，从而保证了在冷等静压处理过程中，靠近零件的内层硅胶始终处于液态或半固态。
(3)本发明中包套结构简单，在实际使用过程中硅胶可直接进行涂覆或填充，可以简化复杂坯料等静压包套的制作流程，节约成本。
附图说明
图1是本发明较佳实施例提供的等静压包套的结构示意图；
图2是本发明中待等静压零件的示例图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-待等静压零件、2-内层硅胶、3-外层硅胶、4-包套、5-封盖、6-抽气管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种等静压包套，参见图1和图2，包括包套4、封盖5、填充于包套4内壁和待等静压零件1外壁之间的内层硅胶2和外层硅胶3、穿过封盖5的抽气管6，其中，所述内层硅胶2与所述待等静压零件1外壁接触，所述内层硅胶2为液态或半固态硅胶层，所述外层硅胶3与所述包套4内壁接触，所述外层硅胶3为固态硅胶。也就是说，从内而外依次是待等静压零件1、内层硅胶2、外层硅胶3和包套4。
对于冷等静压处理而言，其处理温度为室温，因此此时，外层硅胶3为添加3.5-4.5％固化剂的液体型硅胶，所述内层硅胶2为添加0.5-1.5％固化剂的液体型硅胶。该液体型硅胶为常用的模具硅胶，具体包括缩合型液体硅胶以及加成型液体硅胶两种类型。固化剂可以为硫黄、硒、碲、含硫化合物、金属氧化物、过氧化物、树酯、醌类和胺类等。
对于冷等静压处理而言，其处理温度为80～150℃，因此，需采用更耐温的硅胶材料，此时，外层硅胶3为添加3.5-4.5％固化剂的耐温液体型硅胶，所述内层硅胶2为添加0.5-1.5％固化剂的耐温液体型硅胶，所述耐温液体型硅胶为在温度100℃-250℃围内长时间工作粘结强度、密封性以及力传导等性能保持不变，且最高耐热温度可达300℃。
另外，所述外层硅胶3厚度为2-5mm，太薄的外层硅胶性能较差，在压力作用下容易破损，从而影响零件性能；太厚的话会导致压力传导困难，得不到致密化的零件。包套4的壁厚为5～10mm，包套4的底厚为15～30mm。
本发明还提供一种等静压成形方法，所述方法包括：
(1)根据待静压零件的大小选用不同大小的包套；
(2)将包套内表面涂上一层液态硅胶，待液态硅胶固化后得到固态硅胶，该固态硅胶为与包套内壁接触的外层硅胶，
(3)将待等静压零件放入附着有外层硅胶的包套中，接着灌入另一液态硅胶，使该液态硅胶充分填充待等静压零件表面，待液态硅胶填满后，得到内层硅胶，该内层硅胶为液态或半固态硅胶，然后通过穿过封盖的抽气管将包套抽真空并封实；
(4)将封有待等静压零件的包套整体放入等静压设备中进行等静压处理，等静压处理完成后将包套和硅胶去除，得到所需零件，在等静压处理完成之前，所述内层硅胶保持液态或半固态。
所述等静压处理为冷等静压处理或温等静压处理。所述步骤(1)中外层硅胶的固化时间为20-30min，内层硅胶固化时间为9-10h。对于冷等静压以及温等静压处理而言，其处理时间通为0.5-5h，因此，本发明中的内层硅胶在等静压处理完成之前，内层硅胶还能保持液态或半固态。
所述等静压处理为冷等静压处理时，所述外层硅胶为添加3.5-4.5％固化剂的液体型硅胶，所述内层硅胶为添加0.5-1.5％固化剂的液体型硅胶；所述等静压处理为温等静压处理时，所述外层硅胶为添加3.5-4.5％固化剂的耐温液体型硅胶，所述内层硅胶为添加0.5-1.5％固化剂的耐温液体型硅胶，所述耐温液体型硅胶为在温度100℃-250℃围内长时间工作性能不变，其最高耐热温度可达300℃的液体型硅胶。
所述等静压处理为冷等静压处理时，步骤(3)为在室温下加载压力50～200MPa进行等静压处理；所述等静压处理为温等静压处理时，步骤(3)为采用先升温后升压进行等静压处理，待温度保持在80～150℃后再加载压力50～200MPa，保温保压0.5～5小时后随炉冷却出炉。
另外，在包套出炉后，可以采用机械或者化学的方法去除包套和硅胶，得到所需致密零件。
下面通过具体实施例对本申请的技术方案进行进一步说明：
其中，以下实施例中
液体型硅胶购自：上海康宁硅胶制品有限公司型号为：室温硫化缩合型硅胶(RTV-2)
固化剂购自：上海康宁硅胶制品有限公司型号为：缩合型硅橡胶(RTV-2)交联剂
耐温液体型硅胶购自：上海康宁硅胶制品有限公司型号为：耐高温硫化缩合型硅胶(RTV-2)
实施例1
初始多孔坯料为GH3536镍基高温合金粉末通过SLS烧结而成，如图1所示，其直径为50mm，初始的相对致密度为70％。冷等静压的包套方法包括以下步骤：
步骤S1：选用内径为80mm，壁厚为3mm的圆柱形包套；
步骤S2：在包套内表层涂上一层添加4％固化剂的液体型硅胶，厚度为4mm；
步骤S3：经过30分钟外层液态硅胶固化后将坯料放入包覆硅胶的包套中。
步骤S4：在包套中灌入添加1％固化剂的液体型硅胶，使液态硅胶充分填充坯料表面，在振动台上振动摇实。
步骤S5：通过抽气管将整个包套抽真空，在真空度约为10-3Pa时将抽气管封实形成压坯，如图2所示。
步骤S6：将封有多孔坯料的包套整体放入等静压设备中进行冷等静压处理，冷等静压工艺为：温度为室温，以2MPa/min的速度将压力升高到240MPa，在高压下保持3个小时然后卸压。在均匀的压力作用下，多孔坯料致密度得到大大提高，几何尺寸和形状符合要求，具有良好的机械性能。
步骤S7：包套出炉后，采用机加工方法去除包套，采用振动方法以及喷砂方法去除零件表面硅胶，得到所需致密零件。
上述冷等静压包套方法得到的SLS零件致密度达到99.3％，几何结构完整，且显微组织均匀，无气孔、裂纹等缺陷，机械性能良好。
实施例2
初始多孔坯料为316L不锈钢粉末通过3DP成形的涡轮叶片，直径为40mm，初始的相对致密度为74％。冷等静压的包套方法包括以下步骤：
步骤S1：选用内径为70mm，壁厚为3mm的圆柱形包套；
步骤S2：在包套内表层涂上一层添加4％固化剂的液体型硅胶，厚度为3mm；
步骤S3：经过25分钟外层液态硅胶固化后将坯料放入包覆硅胶的包套中。
步骤S4：在包套中灌入添加1％固化剂的液体型硅胶，使液态硅胶充分填充坯料表面，在振动台上振动摇实。
步骤S5：通过抽气管将整个包套抽真空，在真空度约为10-3Pa时将抽气管封实形成压坯。
步骤S6：将封有多孔坯料的包套整体放入等静压设备中进行处理冷等静压处理，冷等静压工艺为：温度为室温，以2MPa/min的速度将压力升高到160MPa，在高压下保持3个小时然后卸压。在均匀的压力作用下，多孔坯料致密度得到大大提高，几何尺寸和形状符合要求，具有良好的机械性能。
步骤S7：包套出炉后，采用机加工方法去除包套，采用振动方法以及喷砂方法去除零件表面硅胶，得到所需致密零件。
上述冷等静压包套方法得到的3DP零件致密度达到99.6％，几何结构完整，且显微组织均匀，无气孔、裂纹等缺陷，机械性能良好。
实施例3
初始多孔坯料为高分子ABS复合材料粉末通过FDM成形的蜂窝结构，边长为25mm，初始的相对致密度为84％。温等静压的包套方法包括以下步骤：
步骤S1：选用内径为50mm，壁厚为2mm的圆柱形包套；
步骤S2：在包套内表层涂上一层添加4％固化剂的耐温液体型硅胶，厚度为2mm；
步骤S3：经过20分钟外层液态硅胶固化后将坯料放入包覆硅胶的包套中。
步骤S4：在包套中灌入添加1％固化剂的耐温液体型硅胶，使液态硅胶充分填充坯料表面，在振动台上振动摇实。
步骤S5：通过抽气管将整个包套抽真空，在真空度约为10-3Pa时将抽气管封实形成压坯。
步骤S6：将封有多孔坯料的包套整体放入等静压设备中进行处理温等静压处理，温等静压工艺为：以5℃/min的速度，将温度从室温升到130℃，同时以2MPa/min的速度将压力升高到100MPa，在高温高压下保持3个小时然后卸压。在均匀的压力作用下，多孔坯料致密度得到大大提高，几何尺寸和形状符合要求，具有良好的机械性能。
步骤S7：包套出炉后，采用机加工方法去除包套，采用振动方法以及喷砂方法去除零件表面硅胶，得到所需致密零件。
上述冷等静压包套方法得到的FDM零件致密度达到99.9％，几何结构完整，且显微组织均匀，无气孔、裂纹等缺陷，机械性能良好。
实施例4
本实施例采用与实施例1相同的等静压成形方法，不同之处在于，外层硅胶为添加3.5％固化剂的液体型硅胶，内层硅胶为添加0.5％固化剂的液体型硅胶。
该冷等静压包套方法得到的SLS零件致密度高，几何结构完整，且显微组织均匀，无气孔、裂纹等缺陷，机械性能良好。
实施例5
本实施例采用与实施例1相同的等静压成形方法，不同之处在于，外层硅胶为添加4.5％固化剂的液体型硅胶，内层硅胶为添加1.5％固化剂的液体型硅胶。
该冷等静压包套方法得到的SLS零件致密度高，几何结构完整，且显微组织均匀，无气孔、裂纹等缺陷，机械性能良好。
实施例6
本实施例采用与实施例3相同的等静压成形方法，不同之处在于，外层硅胶为添加3.5％固化剂的耐温液体型硅胶，内层硅胶为添加0.5％固化剂的耐温液体型硅胶。
该冷等静压包套方法得到的FDM零件致密度高，几何结构完整，且显微组织均匀，无气孔、裂纹等缺陷，机械性能良好。
实施例7
本实施例采用与实施例3相同的等静压成形方法，不同之处在于，外层硅胶为添加4.5％固化剂的耐温液体型硅胶，内层硅胶为添加1.5％固化剂的耐温液体型硅胶。
该冷等静压包套方法得到的FDM零件致密度高，几何结构完整，且显微组织均匀，无气孔、裂纹等缺陷，机械性能良好。对比例1
本对比例采用与实施例1相同的等静压成形方法，不同之处在于，外层硅胶为添加5％固化剂的液体型硅胶，内层硅胶为添加2.5％固化剂的液体型硅胶。
由于固化剂加入过量，外层硅胶包套变脆、变硬并且没有弹性,不能有效传递等静压过程的压力，造成包套破损；内层硅胶由于提前固化，导致零件受力不均匀，造成零件的破损。
对比例2
本对比例采用与实施例3相同的等静压成形方法，不同之处在于，外层硅胶为添加3％固化剂的耐温液体型硅胶，内层硅胶为添加0.3％％固化剂的耐温液体型硅胶。
由于固化剂加入太少，外层硅胶固化时间超过了半个小时，并且固化程度低外层包套发生了变形；内层硅胶固化剂添加太少，流动性强在抽真空时排不干净气体，在接下来的等静压过程中由于气体存在导致零件受力不均而破损。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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