复合生坯以及利用复合生坯增材制造金属部件的方法技术

本发明专利技术涉及复合生坯以及利用复合生坯增材制造金属部件的方法。属于特种增材制造技术领域。本发明专利技术所述复合生坯包括在母材生坯、以及设置于母材生坯内部和/或外部的钎料。当需要时，本发明专利技术所设计的复合生坯还可以包含有阻焊剂。同时本发明专利技术还开发了利用复合生坯增材制造金属部件的方法，该方法结合本发明专利技术所设计的复合生坯，其所得产品的收缩率小于等于5％；烧结过程中非对称变形率小于等于5％。本发明专利技术复合生坯结构设计合理，应用工艺简单可控、所得产品尺寸精准，便于大规模工业化应用。

Composite green billet and the method of manufacturing metal parts by adding compound green billet

【技术实现步骤摘要】
复合生坯以及利用复合生坯增材制造金属部件的方法
本专利技术涉及复合生坯以及利用复合生坯增材制造金属部件的方法。属于特种增材制造

技术介绍
增材制造(AdditiveManufacturing，AM)俗称3D打印。在金属3D打印领域，目前分为两大类：一类包括选区激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)技术、直接金属粉末激光烧结(DirectMetalLaserSintering，DMLS)、选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技术、激光近净成形(LaserEngineeredNetShaping,LENS)技术和电子束选区熔化(ElectronBeamSelectiveMelting,EBSM)技术等。业内将这些技术称为“直接金属3D打印技术”。这些技术都涉及到昂贵的激光或电子束等高能设备，采用的材料要求比较高，使用和维护成本都比较高；另外，低下的打印效率也常常受到业内人士的诟病。另一类称为“间接金属3D打印技术”，利用成熟的金属注射成形(MIM)、粘合剂喷射、FDM熔融挤出技术以及这些技术的组合，即先打印出金属部件的“造型生坯”，然后通过脱胶和后续烧结等工艺来完成金属零部件的最终固结成型。相较于激光或电子束设备，“间接金属3D打印技术”所采用的设备则要廉价的多，打印速度可以提高到百倍以上，显示出一定的竞争优势。就本质而言，现有的“间接金属3D打印技术”都是某种变形的FDM+MIM技术组合。所使用的材料可以为丝状或者颗粒状，都是由包覆塑料高分子的金属粉末组成。首先利用FDM技术将这些丝状或者颗粒状材料加热熔化、挤出、冷却成型，形成“造型生坯”；然后利用特殊的设备脱胶，以除掉“造型生坯”中的塑料高分子，这会产生潜在的环保问题；最后进行高温烧结，以形成最终的金属零部件。由于“造型生坯”中含有较高比例的塑料高分子，金属粉末颗粒之间会有间隙；为了致密化，后续的高温烧结会产生较大比例的收缩(大于16％)(图1)。另外，因为非对称收缩，还会产生更加难处理的非对称变形难题。归结起来，“间接金属3D打印技术”目前存在的最大问题是：“造型生坯”后续烧结时要产生较大比例的收缩和非对称变形。另外，材料挤出时需要加热和后续的脱胶工艺也会产生新的问题。“间接金属3D打印技术”是一种系统性技术，涉及设备、工艺和材料。因此，通过寻求恰当的设备、工艺和材料组合来解决收缩和非对称变形问题，成为“间接金属3D打印技术”下一步发展的关键性问题。陶泥3D打印设备在常温下打印，其沉积陶泥的方式是靠螺杆挤出。陶泥3D打印设备的打印精度不高，并且很难打印一些复杂形状的结构，比如，镂空结构等。其打印出的“造型生坯”，在后续的高温烧结过程中也会产生较大比例的收缩。本专利技术通过先行常温3D打印一种“复合生坯”，进而通过真空钎焊烧结的方法将该“复合生坯”烧结成几乎无收缩变形的复合金属部件；这样的制造方法，在增材制造金属部件领域，目前还未见到公开报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供复合生坯以及利用复合生坯增材制造金属部件的方法。在本专利技术中“复合生坯”经烧结钎焊后，生坯和成品的尺寸几乎没有变化。本专利技术复合生坯，所述复合生坯内含有母材、钎料；或所述复合生坯由母材生坯和设置在母材生坯内和/或外表面的钎料生坯组成；或所述复合生坯由母材生坯和设置在母材生坯内和/或外表面的钎料生坯组成；所述母材生坯内还含有≤5wt％(占整个混合粉末质量百分比)的钎料；所述钎料的熔点低于母材；或所述钎料的液化温度低于母材液化温度，所述母材生坯通过3D打印制得；或母材通过3D打印的方式布置于复合生坯内。本专利技术复合生坯，所述复合生坯内含有母材、钎料、阻焊剂；或所述复合生坯由母材生坯和设置在母材生坯内和/或外表面的钎料生坯组成；所述母材生坯内不含有阻焊剂、钎料，或所述母材生坯内含有阻焊剂、钎料中的至少一种；或所述复合生坯由母材生坯、钎料生坯、阻焊剂生坯组成，所述钎料生坯设置在母材生坯内和/或外表面；所述阻焊剂生坯设置在母材生坯内和/或设置在母材生坯的内和/或外表面。所述阻焊剂阻止液态钎料的流动、润湿和渗透。所述阻焊剂阻止液态钎料的流动、润湿和渗透。所述阻焊剂在烧结后可以从烧结坯中剥离，也可作为功能部位，赋存于烧结坯中。为了提高产品质量，在工业化生产时，母材生坯、复合生坯内设计的钎料小于等于5wt.％。在本专利技术中，钎料的液化温度是指：钎料变成液体是所需温度；母材液化温度是指母材变成液体的温度。作为优选方案，所述母材生坯通过3D打印制得且所述母材生坯包括母材金属和粘结剂。作为优选方案，所述钎料生坯由钎料和粘结剂组成。作为优选方案，所述阻焊剂通过3D打印与母材形成一体。作为优选方案，钎料生坯熔化后，钎料的体积等于母材生坯骨架孔隙体积的0.95-1.05倍。所述母材生坯骨架是指由母材金属构成的骨架。本专利技术利用复合生坯增材制造金属部件的方法；包括下述步骤:步骤S1：配制浆料；根据打印任务和需要，选择合适的母材金属粉末、钎料合金粉末、阻焊剂粉末；分别与粘结剂混合，配制成不同粘度的浆料；得到母材金属浆料、钎料浆料、阻焊剂浆料；步骤S2：按照一种浆料对应一个料筒和一个沉积头的原则，将上述配制好的母材金属浆料、钎料浆料、阻焊剂浆料分别灌装入具有多沉积头的浆料3D打印设的储料筒中；步骤S3：在计算机上通过建模软件建立好目标造型金属部件的3D数字模型，即“金属母材造型生坯”数字模型；然后根据已建立好的“金属母材造型生坯”数字模型生成“钎料材料生坯”模型，如果需要的话还要建立“阻焊剂材料生坯”模型；这样就建立了一种“复合生坯”数字模型；利用切片软件，将上述“复合生坯”数字模型从下至上切割为若干二维层切片，每层二维层切片包含实际“复合生坯”数字模型的对应部分，每层二维切片均生成相对应的切片文件；步骤S4：将计算机与上述3D打印机控制板的通讯接口连接好；开机，开启打印；在每一个切片层内，控制板通过计算机内待打印切片文件所形成的打印路径控制3D打印机上特定的沉积头(备注：高粘度浆料采用螺杆挤出阀，低粘度浆料可以采用机械或压电喷射阀)的实际运行，即同步沿3D打印机上的X轴移动导轨和Y轴移动导轨移动，产生实际的运行轨迹；同时，控制板与螺杆挤出阀或喷射阀的控制器产生联动，控制该特定沉积头挤出(采用螺杆挤出阀)或喷射出(采用机械或压电喷射阀)定量的浆料，浆料沉积在3D打印机设备的托板上形成实体材料造型；在每一个二维层切片上，控制板控制的打印次序如下：首先打印完“金属母材造型生坯”的数字模型，然后打印完“钎料材料生坯”的数字模型，如果需要的话，最后打印“阻焊剂材料生坯”的数字模型；一个二维层切片打印完后，控制板控制Z轴导轨移动一个切片距离，然后继续下一个二维层切片的打印；重复上述打印过程，直到完成整个“复合生坯”的数字模型的打印；最终的结果是形成一个由实体打印材料组合生成的“复合生坯”。步骤S5：干燥上述打印好的实体“复合生坯”，干燥温度控制在100℃以下。步骤S6：无需脱胶，将上述干燥后的实体“复合生坯”，直接放入真空钎焊炉中进行真空钎焊烧结。按照常规真空钎焊工艺流程进行操作即可；当达到钎焊温度及后续的钎焊保温过程中，整个液态钎料合金将通过毛细作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.复合生坯，其特征在于：所述复合生坯内含有母材、钎料；或所述复合生坯由母材生坯和设置在母材生坯内和/或外表面的钎料生坯组成；或所述复合生坯由母材生坯和设置在母材生坯内和/或外表面的钎料生坯组成；所述母材生坯内还含有≤5wt％的钎料；所述钎料的熔点低于母材；或所述钎料的液化温度低于母材液化温度，所述母材生坯通过3D打印制得；或母材通过3D打印的方式布置于复合生坯内。

【技术特征摘要】
1.复合生坯，其特征在于：所述复合生坯内含有母材、钎料；或所述复合生坯由母材生坯和设置在母材生坯内和/或外表面的钎料生坯组成；或所述复合生坯由母材生坯和设置在母材生坯内和/或外表面的钎料生坯组成；所述母材生坯内还含有≤5wt％的钎料；所述钎料的熔点低于母材；或所述钎料的液化温度低于母材液化温度，所述母材生坯通过3D打印制得；或母材通过3D打印的方式布置于复合生坯内。2.根据权利要求1所述的复合生坯，其特征在于：所述复合生坯内含有母材、钎料、阻焊剂；或所述复合生坯由母材生坯和设置在母材生坯内和/或外表面的钎料生坯组成；所述母材生坯内不含有阻焊剂、钎料，或所述母材生坯内含有阻焊剂、钎料中的至少一种；或所述复合生坯由母材生坯、钎料生坯、阻焊剂生坯组成，所述钎料生坯设置在母材生坯内和/或外表面；所述阻焊剂生坯设置在母材生坯内和/或设置在母材生坯的内和/或外表面；所述阻焊剂阻止液态钎料的流动、润湿和渗透。3.根据权利要求1所述的复合生坯，其特征在于：所述母材生坯通过3D打印制得且所述母材生坯包括母材金属和粘结剂；所述钎料生坯由钎料和粘结剂组成。4.根据权利要求2所述的复合生坯，其特征在于：所述阻焊剂通过3D打印与母材形成一体。5.根据权利要求1所述的复合生坯，其特征在于：钎料生坯熔化后，钎料的体积等于母材生坯骨架孔隙体积的0.95-1.05倍。6.利用权利要求1-5任意一项所述复合生坯增材制造金属部件的方法；其特征在于；包括下述步骤:步骤S1：配制浆料；根据打印任务和需要，选择合适的母材金属粉末、钎料合金粉末、阻焊剂粉末；分别与粘结剂混合，配制成不同粘度的浆料；得到母材金属浆料、钎料浆料、阻焊剂浆料；步骤S2：按照一种浆料对应一个料筒和一个沉积头的原则，将上述配制好的母材金属浆料、钎料浆料、阻焊剂浆料分别灌装入具有多沉积头的浆料3D打印设的储料筒中；步骤S3：在计算机上通过建模软件建立好目标造型金属部件的3D数字模型，即“金属母材造型生坯”数字模型；然后根据已建立好的“金属母材造型生坯”数字模型生成“钎料材料生坯”模型，如果需要的话还要建立“阻焊剂材料生坯”模型；这样就建立了一种“复合生坯”数字模型；利用切片软件，将上述“复合生坯”数字模型从下至上切割为若干二维层切片，每层二维层切片包含实际“复合生坯”数字模型的对应部分，每层二维切片均生成相对应的切片文件；步骤S4：将计算机与上述3D打印机控制板的通讯接口连接好；开机，开启打印；在每一个切片层内，控制板通过计算机内待打印切片文件所形成的打印路径控制3D打印机上特定的沉积头的实际运行，即同步沿3D打印机上的X轴移动导轨和Y轴移动导轨移动，产生实际的运行轨迹；同时，控制板与螺杆挤出阀或喷射阀的控制器产生联动，控制该特定沉积头挤出(采用螺杆挤出阀)或喷射出(采用机械或压电喷...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕，
申请(专利权)人：长沙墨科瑞网络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43