一种近净成形空心金属结构件的方法
阅读说明：本技术 一种近净成形空心金属结构件的方法 (Method for near-net forming of hollow metal structural part ) 是由 何新波 杨芳 张耕秋 邵艳茹 郭志猛 陈存广 张涛 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种近净成形大尺寸空心金属结构件的方法,属于近净成形复杂形状材料领域,该方法包括：(1)打印中心轴；(2)打印结构件；(3)制备空心模具；(4)制备结构件模具；(5)装配模具；(6)制备浆料；(7)凝胶注模成形；(8)脱胶烧结等步骤,该方法工艺简单,可操作性强,且其制备的空心结构件的内壁光滑,质量良好。(The invention provides a method for near-net forming of a large-size hollow metal structural part, belonging to the field of near-net forming of a complex-shape material, and comprising the following steps: (1) a printing center shaft; (2) printing a structural part; (3) preparing a hollow mold; (4) preparing a structural part mould; (5) assembling a mould; (6) preparing slurry; (7) gel casting; (8) the method has the advantages of simple process, strong operability, smooth inner wall of the prepared hollow structural member and good quality.)
技术领域
本发明属于材料成形技术领域，具体涉及一种近净成形空心金属结构件的方法，且还涉及所述方法获得的金属结构件。
背景技术
凝胶注模技术巧妙的结合了传统湿法胶态成形工艺和高分子化学，将高分子单体聚合的方法引入到粉末成形技术中。通过制备低黏度、高固相体积分数的悬浮液来实现高强度、高密度均匀坯体，脱模后的坯体经过脱胶烧结去除高分子胶黏剂，最终得到所需的陶瓷或金属零部件。
一般来说，利用凝胶注模成形技术可以制备形状复杂、尺寸较大的零部件，但是对于制备空心金属结构件来说，往往存在形状单一、不好脱模、易产生裂纹等问题。目前，往往只能制备简单形状的空心金属结构件，通常在凝胶注模成形过程中，将实心棒子固定在模具中心位置，再倒入悬浮浆料进行成形，待浆料固化后，将中间实心棒子脱出，以获得空心的结构件。但是在脱出过程中，往往存在不好脱模的问题，棒子脱出过程中会因坯体的强度不高，棒子与坯体的表面摩擦力较大，导致内壁表面质量不高，划痕较多；同时，也易在坯体内壁产生裂纹，进而导致结构件质量差。此外，空心金属结构件的内部结构简单，故而，无法成形复杂的空心结构，也导致凝胶注模钛合金的应用受限。
CN101722306A公开了一种多孔金属零部件的近净成形方法，步骤为：①先设计出零件的三维CAD模型，保存为STL文件，并输送到SLM快速成形设备；②将设备抽真空后通入保护性气体；③送粉机构在金属基板上平铺一层厚度0.05～0.15mm、粒径为10-100μm的金属粉末；④采用激光功率≥100W的激光束对切片边界的外轮廓进行扫描，使外轮廓熔化；⑤重复步骤③-④，直成形完毕；⑥将成形零件的外壳与装载在外壳中的粉末，整体置于高温烧结炉中进行烧结成形。虽然该专利申请实现了对结构复杂金属结构件的近净成形，但是处理过程繁复，所需设备昂贵，工艺复杂。
因此，提供一种可制备出内壁光滑，质量良好，结构复杂的空心金属结构件的方法十分有必要。
发明内容
本发明的目的提供了一种近净成形空心金属结构件的方法，该方法将3D打印技术与凝胶注模成形技术相结合，通过3D打印技术打印复杂结构的中心轴，再通过倒模获得中心轴薄模具，通过在薄模具中加入颗粒物质，使其既可以在凝胶注模成形过程中起到固定支撑的作用，待浆料固化成形后颗粒物质又容易倒出，便于脱模，避免因脱模产生的裂纹、缺陷等问题，也能获得内部结构复杂的空心金属结构件。本方法制备的空心金属结构件的内壁光滑，质量良好，形状可灵活设计，工艺简单，可操作性强。
本发明的技术方案如下所述。
一种近净成形空心金属结构件的方法，按如下步骤制备：
(1)打印中心轴：根据空心金属结构件的形状尺寸要求以及粉末烧结过程中的烧结收缩率，设计并缩小中心轴的尺寸比例，采用3D打印机，打印出对应的中心轴；
(2)打印结构件：根据结构件形状尺寸要求以及粉末烧结过程中的烧结收缩率，设计并放大结构件的尺寸比例，采用3D打印机，打印出对应的结构件；
(3)空心模具制备：将步骤(1)中的中心轴固定，在硅胶中加入硅胶重量0.1-0.5wt％的固化剂和0.5-3wt％的增稠剂，搅拌均匀，沿着中心轴浇倒硅胶，固化6-24h后，将中心轴拆除，获得空心硅胶模具；
(4)结构件模具制备：将步骤(2)中的结构件进行倒模，在硅胶中加入1-5wt％的固化剂，搅拌均匀后倒入倒模型腔中，放置在室温下固化6-24h后，拆模，获得结构件模具；
(5)模具装配：在步骤(3)中的空心硅胶模具中装入颗粒物质，然后用热熔胶枪将其固定于步骤(4)中的硅胶模具的相应位置，得到凝胶注模成形模具；
(6)制备浆料：将金属粉末、凝胶体系、油酸、消泡剂按照体积百分比进行混合，搅拌均匀后，放入球磨机中，进行混料，其中球料比为1:1-4:1，球磨速度为100r/min-250r/min，球磨时间15-30min，获得悬浮浆料；
(7)凝胶注模成形：将步骤(6)中的悬浮浆料倒入步骤(5)中的凝胶注模成形模具中，在室温下固化0.5-3h，随后将颗粒物质倒出，再将空心硅胶模具取出，随后拆模，获得的空心金属结构件坯体；
(8)脱胶烧结：将步骤(7)中的空心金属结构件坯体进行相应的脱胶烧结，脱胶温度为300-600℃，保温2-4h，再在800-1350℃进行烧结，保温2-5h，获得近净成形的空心金属结构件。
本发明提出的制备大尺寸空心金属结构件的方法将3D打印技术与凝胶注模成形技术相结合，制备出了大尺寸复杂结构的空心金属结构件。采用3D打印技术根据空心结构件的形状要求打印出配套的中心轴，再制备出配套的薄包套，在薄包套中装入易倒出的颗粒物质，使其在凝胶注模成形过程中既可以起到固定支撑的作用，待浆料固化成形后颗粒物质容易倒出，便于脱模，避免因脱模产生的裂纹等问题。该方法制备的空心结构件的内壁光滑，质量良好，且该工艺简单，可操作性强，另外该方法可使设计者灵活设计多种复杂形状的空心结构件，拓宽了该方法的应用范围。
进一步地，所述步骤(1)和步骤(2)中中心轴和结构件的材质为聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、光敏树脂以及尼龙中的一种或多种。
进一步地，所述步骤(3)中的空心硅胶模具的厚度为1-5mm。
进一步地，所述步骤(3)中的固化剂的质量为硅胶质量的1-5％。
进一步地，所述步骤(5)中的颗粒物质包括面粉、食盐以及沙子中的一种或多种。
进一步地，所述颗粒物质的粒径40μm-500μm。
进一步地，所述步骤(6)中的金属粉末是不锈钢、钴铬钼合金、铜及铜合金或钛及钛合金粉末中的一种或多种。
进一步地，所述金属粉末的粉末粒径为5-50μm。
进一步地，所述步骤(6)中的凝胶体系是水基或非水基凝胶体系中的一种，其中水基凝胶体系为丙烯酸酯体系或者丙烯酰胺体系中的一种。
进一步地，所述步骤(6)中的金属粉末占所述金属粉末、凝胶体系、油酸和消泡剂的总体积的50-65vol％，油酸占所述金属粉末、凝胶体系、油酸和消泡剂的总体积的0.02-0.1vol％，消泡剂占所述金属粉末、凝胶体系、油酸和消泡剂的总体积的0.01-0.05vol％，余量为凝胶体系。
此外，本发明还提供根据上述方法制备的大尺寸空心金属结构件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明方法将3D打印技术与凝胶注模成形技术相结合，工艺简单，可操作性强，能够制备出形状、尺寸、内部结构均复杂的结构件。
2、本发明通过对3D打印的中心轴进行倒模，可获得复杂形状结构的中心轴薄模具，再加入颗粒物质，使其既可以在凝胶注模成形过程中起到固定支撑的作用，待浆料固化成形后颗粒物质又容易倒出，便于脱模，不会对内壁结构产生破坏等。
3、本发明方法避免了传统工艺空心金属结构件脱模过程中产生的内壁裂纹、划痕等问题，有利于获得内部表面质量优异的空心金属结构件。
4、本发明方法所获得的空心金属结构件内壁光滑，质量良好，且空心金属结构件的形状可复杂多变。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：
制备实施例
实施例1：
一种近净成形空心金属结构件的方法，具体步骤如下：
步骤(1)：使用3D打印机打印出复杂形状的聚乳酸(PLA)中心轴和结构件原型；
步骤(2)：在100g硅胶中加入0.2g的固化剂(甲基丙烯酸羟乙酯和N-N二甲基苯胺体系)和0.5g的增稠剂(羟甲基纤维素)，搅拌均匀，沿着打印出的聚乳酸(PLA)中心轴浇倒硅胶，固化6h后，将中心轴拆除，获得2mm厚的空心硅胶模具；
步骤(3)：将聚乳酸(PLA)结构件原型进行倒模，在100g硅胶中加入3g的固化剂(甲基丙烯酸羟乙酯和N-N二甲基苯胺体系)，搅拌均匀后倒入倒模型腔中，放置在室温下固化14h后，拆模，获得结构件的硅胶模具；
步骤(4)：在空心模具中装入粒径为250μm食盐，然后用热熔胶枪将其固定在对应位置，得到凝胶注模成形模具；
步骤(5)：将65ml粒径为25μm的钛合金粉、0.1ml的油酸、0.02ml的消泡剂(异辛醇)与34.88ml甲苯基凝胶体系混合，搅拌均匀后，放入行星球磨机中，进行混料，其中球料比为1:1，球磨速度为100r/min，球磨时间15min，获得悬浮浆料；
步骤(6)：将悬浮浆料倒入凝胶注模成形模具中，在室温下固化0.5h，随后将食盐颗粒倒出，再将空心硅胶模具取出，拆模后获得的空心金属结构件坯体；
步骤(7)：将空心金属结构件坯体在300℃保温4h，再在1350℃保温2h，获得近净成形的空心钛合金结构件P1。
实施例2：
本发明实施例制备过程发明实施例1制备过程相同，其区别之处仅在于，将所述步骤(5)中的不锈钢粉更改为钴铬钼合金粉，获得近净成形的空心钴铬钼合金结构件P2。
实施例3：
本发明实施例制备过程发明实施例1制备过程相同，其区别之处仅在于，将步骤(5)中的不锈钢粉更改为铜粉，获得近净成形的空心铜结构件P3。
实施例4：
本发明实施例制备过程发明实施例1制备过程相同，其区别之处仅在于，步骤(2)中的固化时间更改为15h，获得近净成形的空心不锈钢结构件P4。
实施例5
本发明实施例制备过程发明实施例1制备过程相同，其区别之处仅在于，步骤(4)中的球料比更改为2:1，球磨速度更改为175r/min，球磨时间更改为22.5min，获得近净成形的空心不锈钢结构件P5。
性能实施例
将发明实施例1-5制备空心结构件P1-P5和市售的同类空心结构件P6按照以下方法进行性能测试，具体结果示于下表1中。
内表面粗糙度：按照GB/T 13288中规定的测试方法进行测试；
抗拉强度和屈服强度：按照ASTM E 381-2001中规定的测试方法进行测试。
表1性能测试结果
内表面粗糙度(μm)
屈服强度(MPa)
抗拉强度(MPa)
P1
2.4
932
1056
P2
2.1
935
1078
P3
2.7
915
1025
P4
2.5
943
1136
P5
2.8
946
1034
P6
6.5
823
875
由上表可知，本发明采用3D打印技术根据空心结构件的形状要求打印出配套的中心轴，再制备出配套的模具，在模具中装入易倒出的颗粒物质，然后制备浆料进行凝胶注模成形，最后倒出颗粒物质、取出模具并脱胶烧结，模具在凝胶注模成形过程中可以起到固定支撑的作用，待浆料固化成形后颗粒物质容易倒出，便于脱模，避免因脱模产生的裂纹、缺陷等问题，同时本方法制得的空心结构件还具有较好的力学性能。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
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