一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，通過采用兩種不同性質(zhì)的蠟基材料交替注射和分段雕刻，實現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)和細槽結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)Ｖ谱?。?dāng)對一種蠟基材料進行雕刻加工時，另一種蠟基材料起支撐作用。如果加工得到的薄壁結(jié)構(gòu)材料是可機加工蠟，可得到薄壁結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)?；如果薄壁結(jié)構(gòu)材料是可水溶蠟，可得到細槽結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)?。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用凝膠注模技術(shù)，把充填金屬粉末的漿料注入蠟?zāi)?，制作金屬件坯體。進一步地，采用真空冷凍干燥方法對坯體進行干燥，解決坯體在干燥過程中容易出現(xiàn)的開裂問題。最后，將微波燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用于對凝膠注模成型坯體的燒結(jié)過程，解決坯體燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)的開裂和翹曲變形問題。
【專利說明】一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機械加工領(lǐng)域，尤其涉及薄壁結(jié)構(gòu)和細槽結(jié)構(gòu)的機械加工領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]薄壁結(jié)構(gòu)或細槽結(jié)構(gòu)加工是傳統(tǒng)機械加工中不可逾越的難點。增材制造為解決此類問題開辟了新的技術(shù)途徑。斯坦福大學(xué)提出將熔滴沉積與數(shù)控加工相結(jié)合，即形狀沉積制造(Shape Deposition Manufacturing, SDM),制造出了復(fù)雜形狀的氮化娃、不銹鋼潤輪轉(zhuǎn)子。
[0003]凝膠注模成型(Gelcasting)技術(shù)是20世紀(jì)90年代美國橡樹嶺國家實驗室(OakRidge National Laboratory) 0.0matete等人提出的,它是在粉末顆粒材料的懸浮液中加入有機單體，如丙烯酰胺，然后在加入一定量的引發(fā)劑促使有機單體發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)從而達到原位固化的一種成型技術(shù)。凝膠注模已經(jīng)成功應(yīng)用于多種陶瓷材料的成型，如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅及其復(fù)合材料等。近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者將凝膠注模的應(yīng)用領(lǐng)域擴展到金屬粉末材料。
[0004]為了利于澆注薄壁件、細槽等細節(jié)特征，凝膠注模漿料要有良好的流變性，即漿料的表觀粘度越小越好。對于金屬粉末來說其粘度值不能高于IPa.S。金屬衆(zhòng)料要求低粘度、高固相含量，這是一對矛盾。因此在保證良好流動性的前提下盡量提高粉末顆粒的含量，對澆注薄壁件而言尤為重要。此外，凝膠注模胚體含有一定量的水，隨著胚體干燥過程中水分的去除，胚體產(chǎn)生收縮，如果收縮不均勻會導(dǎo)致胚體變形、開裂等缺陷。傳統(tǒng)的干燥方法，都是把胚體放入真空干燥箱，通過加熱方式去除水分。由于胚體內(nèi)部和外部有溫度梯度，外部水分蒸發(fā)速率遠遠大于內(nèi)部，造成胚體收縮不均勻，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響胚體強度，同時會影響后續(xù)的燒結(jié)質(zhì)量，造成燒結(jié)開裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的主要技術(shù)問題是，提供一種金屬件的制造方法，實現(xiàn)對具有薄壁、細槽等幾何細節(jié)特征的金屬件件的快速制造。本發(fā)明要解決的次要技術(shù)問題是，解決金屬件在傳統(tǒng)燒結(jié)過程中存在燒結(jié)翹曲變形的問題。
[0006]為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了.一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，使用蠟基材料交替注射和分段雕刻與凝膠注模結(jié)合的方法，主要包括兩種蠟基材料交替注射和分段雕刻制作蠟?zāi)?、凝膠注模成型、燒結(jié)；
[0007]所述兩種蠟基材料交替注射采用注射增材的方法，使蠟料在堆積過程中以半熔融態(tài)射出；所述兩種蠟基材料分別為可機加工蠟與水溶蠟；
[0008]所述蠟基材料交替注射和分段雕刻具體步驟為:使用A蠟作為支撐，雕刻加工支撐型腔，使用B蠟添加型腔材料，雕刻支撐型腔并獲得使用A蠟的薄壁支撐，使用B蠟對雕刻后的支撐型腔添加型腔材料；
[0009]所述A蠟為水溶蠟時，通過水浸處理，得到了細槽結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)?；所述B蠟為水溶蠟時，通過水浸處理，得到了薄壁結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)！?br> [0010]作為優(yōu)選，所述燒結(jié)采用微波燒結(jié)。
[0011]作為優(yōu)選，所述凝膠注模成型主要包括漿料制備、胚體干燥、熱熔法脫模。
[0012]作為優(yōu)選，所述漿料制備時使用粘結(jié)劑、分散劑和兩種粗細不同的金屬粉末混合配比來提高漿料的固相含量。
[0013]作為優(yōu)選，所述胚體干燥采用真空冷凍干燥。
[0014]作為優(yōu)選，所述粘結(jié)劑為明膠。
[0015]作為優(yōu)選，所述分散劑為聚乙烯醇、海藻酸鈉、檸檬酸三銨，十二烷基硫酸銨。
[0016]作為優(yōu)選，所述兩種粗細不同的金屬粉末為中位徑分別為11.80μπι和24.32μπι的水霧化316L不銹鋼粉末。
[0017]作為優(yōu)選，所述中位徑分別為1.80 μ m和24.32 μ m的水霧化316L不銹鋼粉末的混合比例為4:6。
[0018]作為優(yōu)選，所述真空冷凍干燥具體過程為:將澆注的胚體和蠟?zāi)Ｔ赺50°C的條件下冷凍4h，將胚體完全凍結(jié)成固態(tài)；然后放在冷凍干燥機的擱板上進行升華干燥，同時進行抽真空，保持真空度為IOPa左右，冷阱溫度-50°C，持續(xù)時間8h ;胚體干燥后采用熱熔法去除蠟?zāi)?將干燥后的胚體和蠟?zāi)Ｒ黄鸱湃胝婵崭稍锵鋬?nèi)，加熱至150°C并保持30分鐘，蠟?zāi)＜纯赏耆刍詈蟮玫酵暾牧慵唧w。
[0019]作為優(yōu)選，所述微波燒結(jié)的采用微波頻率為2.45GHz微波高真空爐。
[0020]作為優(yōu)選，所述微波高真空爐的旋轉(zhuǎn)臺上設(shè)有高溫桶，所述高溫桶內(nèi)設(shè)有莫來石坩堝。
[0021]作為優(yōu)選，所述高溫桶和莫來石坩堝之間填充有氧化鋯、碳化硅以及保溫棉。
[0022]本發(fā)明提供了一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，通過使用兩種蠟基材料在加工過程中交替注射和分段雕刻，使得兩種蠟基材料相互背襯，從而實現(xiàn)對具有薄壁、細槽等幾何細節(jié)特征的蠟?zāi)Ｖ谱?。通過注射增材的方法，是蠟料在堆積過程中以半熔融態(tài)射出，避免了蠟料對已成型的固態(tài)行腔表面的熱熔損壞。通過對其中一種蠟料使用水溶性的蠟料，可以通過水浸去除，方便、清潔地與腔體材料分離。使用兩種粗細不同的金屬粉末配比混合，在保證漿料具有良好流變性能的前提下，有效提高了漿料的固相密度。采用真空冷凍干燥的方法，胚體收縮率低、力學(xué)性能高，胚體成型質(zhì)量好，能夠很好地保持胚體形狀，有效解決了傳統(tǒng)干燥中胚體斷裂、變形的缺陷。使用微波燒結(jié)的方式，可以在較低的燒結(jié)溫度和較短的保溫時間下獲得較高的致密度和良好的力學(xué)性能，并很好地解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件燒結(jié)過程中存在燒結(jié)翹曲變形的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明使用兩種蠟基材料交替注射和分段雕刻制作蠟?zāi)５牟襟E圖，其中:
[0024](a)使用水溶蠟作為支撐；(b)加工支撐型腔；(C)添加型腔材料；(d)交替加工行腔；(e)加工薄壁支撐；(f)薄壁支撐形成；(g)添加型腔材料；(h)去除水溶蠟。
[0025]圖2為使用傳統(tǒng)干燥得到的胚體與本發(fā)明實施例中使用真空冷凍干燥得到的胚體對比圖，其中:
[0026](a)為傳統(tǒng)干燥，(b)為真空冷凍干燥。[0027]圖3為本實施例使用高真空微波爐爐腔示意圖。
[0028]圖4為使用傳統(tǒng)燒結(jié)得到的金屬件與本發(fā)明實施例中使用微波燒結(jié)得到的金屬件對比圖，其中:
[0029](a)為傳統(tǒng)燒結(jié)，(b)為微波燒結(jié)。
【具體實施方式】
[0030]下文通過結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明做進一步闡述。
[0031]1、兩種蠟基材料交替注射和分段雕刻制作蠟?zāi)！?br> [0032]參考圖1，通過材料堆積與去除加工相結(jié)合的過程，通過選用兩種材料在機加工過程中相互背襯的作用，實現(xiàn)對具有薄壁、細槽等幾何細節(jié)特征的零件的快速制造。
[0033]通過采用注射增材的方法，使蠟料的堆積過程處在半熔融態(tài)射出，可以避開固態(tài)蠟的熔點溫度，保證了已成型型腔表面不被熱融損壞；通過對可機加工蠟料作適當(dāng)?shù)母男裕_保其可機加工性能；與可機加工蠟配對的材料為水溶蠟，可以通過水浸去除，方便、清潔地與腔體材料分離。
[0034]所述蠟基材料交替注射和分段雕刻具體步驟為:使用水溶蠟作為支撐，使用水溶蠟加工支撐型腔，使用可機加工蠟添加型腔材料，雕刻支撐型腔并獲得使用水溶蠟的薄壁支撐，使用可機加工蠟對雕刻后的支撐型腔添加型腔材料。
[0035]通過交替背襯加工可以獲得薄壁筋條結(jié)構(gòu)或細槽結(jié)構(gòu)等幾何細節(jié)特征。如依靠支撐材料加工出的薄壁是可機加工蠟，水浸后可得到薄壁結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)?；如加工出的薄壁是可水溶蠟，水浸后可得到細槽結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)?。無論是加工可機加工蠟還是水溶蠟，都是在另一種蠟的背襯下進行的。
[0036]2、凝膠注模成型。
[0037](I)漿料制備
[0038]采用天然、無毒的凝膠體系。以明膠作為粘結(jié)劑，選用聚乙烯醇、海藻酸鈉、檸檬酸三銨、十二烷基硫酸銨作為分散劑，用NaOH和HCL溶液調(diào)節(jié)pH值。采用中位徑分別為
11.80 μ m和24.32 μ m兩種粗細不同的水霧化316L不銹鋼粉末，以不同質(zhì)量比級配。
[0039]本實施例中，當(dāng)中位徑分別為1.80 μ m和24.32 μ m的水霧化316L不銹鋼粉末的混合比例為4:6時，漿料粘度最小，同時具有很高的固相含量，胚體的強度最大，收縮率也最小。
[0040]將配制好的低粘度、高固相含量的316L不銹鋼漿料，將其澆注到蠟?zāi)Ｖ小?br> [0041](2)胚體干燥
[0042]將澆注的胚體和蠟?zāi)Ｒ黄鸱湃肜鋬龈稍餀C進行冷凍干燥。具體的干燥工藝為:首先在_50°C的條件下冷凍4h，將胚體完全凍結(jié)成固態(tài)。然后放在冷凍干燥機的擱板上進行升華干燥，同時進行抽真空，保持真空度為IOPa左右，冷阱溫度-50°C，這一階段持續(xù)時間為8h。
[0043]胚體干燥后采用熱熔法去除蠟?zāi)?。將干燥后的胚體和蠟?zāi)Ｒ黄鸱湃胝婵崭稍锵鋬?nèi)，加熱至150°C并保持30分鐘，蠟?zāi)＜纯赏耆刍詈蟮玫酵暾牧慵唧w。
[0044]參考圖2，濕態(tài)胚體經(jīng)過真空冷凍干燥后，干燥收縮率大大降低。采用傳統(tǒng)箱式干燥方法，胚體干燥收縮率達3.5%，圖2為使用傳統(tǒng)干燥得到的胚體與本發(fā)明實施例中使用真空冷凍干燥得到的胚體對比圖，圖2中的a圖是傳統(tǒng)干燥出現(xiàn)坯體開裂，為真空冷凍干燥，而真空冷凍干燥后胚體的收縮率僅為0.44%，能夠很好的保持胚體結(jié)構(gòu)和形態(tài)，如圖2(b)所示。在真空冷凍干燥過程中，胚體中的水分直接由固態(tài)升華，消除了普通干燥中存在的固、液表面張力，從而有效解決了傳統(tǒng)干燥中胚體斷裂、變形的缺陷。
[0045]3、微波燒結(jié)
[0046]采用HAMiLab_HV3型微波高真空實驗爐，微波頻率為2.45GHz。如圖3所示，采用紅外測溫儀進行測溫，工作時工件臺緩慢旋轉(zhuǎn)，以保證作用于胚體上的微波場分布均勻，采用圓形保溫桶放在旋轉(zhuǎn)臺上，胚體放在特制的莫來石坩堝內(nèi)，高溫桶與坩堝間填充有氧化鋯、碳化硅及保溫棉，起輔助加熱和保溫作用。因為陶瓷材料的吸波性能好，在燒結(jié)開始階段，有助于迅速升溫。同時，在燒結(jié)的最后階段，粉末顆粒聯(lián)結(jié)在一起，金屬胚體逐漸致密化，反射微波變大，吸收微波能力下降，轉(zhuǎn)化為熱能變少，這一階段主要是靠輔助加熱材料的保溫作用加熱的。圖4中的a圖是傳統(tǒng)燒結(jié)試件出現(xiàn)翹曲的情況.[0047]使用微波燒結(jié)的方式，可以在較低的燒結(jié)溫度和較短的保溫時間下獲得較高的致密度和良好的力學(xué)性能，并很好地解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件燒結(jié)過程中存在燒結(jié)翹曲變形的問題。如圖4中的(b)所示。
[0048]綜上所述，本發(fā)明提供了一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法具備以下優(yōu)勢:
[0049](I)將蠟基材料交替注射和分段雕刻與凝膠注模結(jié)合，可以很好地實現(xiàn)對于具有薄壁、細槽等幾何細節(jié)特征的零件制造，對于復(fù)雜和具有幾何細節(jié)結(jié)構(gòu)特征的金屬件的一體化快速制造具有明顯的優(yōu)勢。
[0050](2)以316L不銹鋼粉末為原料，采用天然無污染的凝膠體系，以1% (相對金屬粉末質(zhì)量分數(shù))明膠為粘結(jié)劑，0.8%的海藻酸鈉作為分散劑，選擇粗細不同的兩種不銹鋼粉末通過合理的顆粒級配可以保證在具有較高的固相含量下，漿料具備良好的流變性能及成型胚體的力學(xué)性能。
[0051](3)真空冷凍干燥與傳統(tǒng)干燥方法相比，胚體收縮率低、力學(xué)性能高，胚體成型質(zhì)量好，能夠很好地保持胚體形狀，有效地解決了傳統(tǒng)干燥中胚體斷裂、變形等缺陷。
[0052](4)把微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)方式對比，可以在較低的燒結(jié)溫度和較短的保溫時間條件下獲得較高的致密度和良好的力學(xué)性能，并很好地解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件燒結(jié)過程中存在的燒結(jié)翹曲變形等問題。
[0053]以上實施例僅為說明本發(fā)明原理所用，并非本發(fā)明僅有的實施方式。上述實施例并不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀并理解了前述詳細說明的同時，可以進行修改和變化。具體的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，使用蠟基材料交替注射和分段雕刻與凝膠注模結(jié)合的方法，主要包括兩種蠟基材料交替注射和分段雕刻制作蠟?zāi)?、凝膠注模成型、燒結(jié)； 所述兩種蠟基材料交替注射采用注射增材的方法，使蠟料在堆積過程中以半熔融態(tài)射出；所述兩種蠟基材料分別為可機加工蠟與水溶蠟； 所述蠟基材料交替注射和分段雕刻具體步驟為:使用A蠟作為支撐，雕刻加工支撐型腔，使用B蠟添加型腔材料，雕刻支撐型腔并獲得使用A蠟的薄壁支撐，使用B蠟對雕刻后的支撐型腔添加型腔材料； 所述A蠟為水溶蠟，B蠟為可機加工蠟時，通過水浸處理，得到了細槽結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)＃凰鯝蠟為可機加工蠟，B蠟為水溶蠟時，通過水浸處理，得到了薄壁結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)！?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述燒結(jié)采用微波燒結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述凝膠注模成型主要包括漿料制備、胚體干燥、熱熔法脫模。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述漿料制備時使用粘結(jié)劑、分散劑和兩種粗細不同的金屬粉末混合配比來提高漿料的固相含量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述胚體干燥采用真空冷凍干燥。
6.根據(jù)權(quán)利要 求4所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述粘結(jié) 劑為明膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述分散劑為聚乙烯醇、海藻酸鈉、檸檬酸三銨，十二烷基硫酸銨。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述兩種粗細不同的金屬粉末為中位徑分別為11.80μπι和24.32 μ m的水霧化316L不銹鋼粉末。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述中位徑分別為1.80μπι和24.32 μ m的水霧化316L不銹鋼粉末的混合比例為4:6。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述真空冷凍干燥具體過程為:將澆注的胚體和蠟?zāi)Ｔ赺50°C的條件下冷凍4h，將胚體完全凍結(jié)成固態(tài)；然后放在冷凍干燥機的擱板上進行升華干燥，同時進行抽真空，保持真空度為IOPa左右，冷阱溫度-50°C，持續(xù)時間8h ;胚體干燥后采用熱熔法去除蠟?zāi)?將干燥后的胚體和蠟?zāi)Ｒ黄鸱湃胝婵崭稍锵鋬?nèi)，加熱至150°C并保持30分鐘，蠟?zāi)＜纯赏耆刍詈蟮玫酵暾牧慵唧w。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述微波燒結(jié)的采用微波頻率為2.45GHz微波高真空爐。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述微波高真空爐的旋轉(zhuǎn)臺上設(shè)有高溫桶，所述高溫桶內(nèi)設(shè)有莫來石坩堝。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種制造具有薄壁或細槽等幾何結(jié)構(gòu)的金屬件的方法，其特征在于，所述高溫桶和莫來石坩堝之間`填充有氧化鋯、碳化硅以及保溫棉。
【文檔編號】B22F3/22GK103878372SQ201310725870
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】江開勇, 王霏, 顧永華, 梁輝煌 申請人:華僑大學(xué)