一种微喷射三维智能打印复杂结构超高温Nb-Si基合金的方法技术

一种微喷射三维智能打印复杂结构超高温Nb‑Si基合金的方法，该方法包括：生成复杂结构超高温Nb‑Si基合金零件的三维模型，然后采用大数据技术与分区分层切片技术，生成该零件的微喷射三维打印的智能加工路径；将两模态Nb‑Si基合金粉末与脲酫树脂粘结剂粉末混匀；喷头逐点、逐线、逐层将弱酸性溶液喷射于粉末床上，三维打印形成坯料；在350～400℃保温1～3小时；高温烧结。本发明专利技术制备的复杂结构超高温Nb‑Si基合金结构件弹性模量达160～200GPa，室温屈服强度达1600～1800MPa，在1400～1500℃时断裂韧性为6～9MPa·m

【技术实现步骤摘要】
一种微喷射三维智能打印复杂结构超高温Nb-Si基合金的方法
本专利技术涉及一种微喷射三维智能打印复杂结构超高温Nb-Si基合金的方法，属于增材制造

技术介绍
先进的燃气轮机和飞机发动机需要合适的高温材料，保证在高于1250～1400℃温度限制上仍正常运行。典型的基于Nb-Si基合金的密度在6.6～7.2g/cm3的范围内，Nb5Si3合金具有7.16g/cm3的低密度，约为Ni基高温合金密度的80～90％。因此，Nb-Si基合金的低密度与高熔点的特性，以及通过两相或多相合金的方式可以改善脆性问题，被认为是可以替代传统Ni基高温合金最有潜力的候选材料，在燃气轮机和飞机发动机以及新型高推重比航空发动机和涡轮叶片等领域具有十分广阔的应用前景。常规制备Nb-Si基合金的方法主要包括：电子束熔炼法、放电等离子烧结法、粉末冶金法、感应或电弧熔炼以及定向凝固法等。上述传统方法通常存在元素易挥发、成分难控制、易引入杂质以及难以成型结构复杂的超高温Nb-Si基合金等问题。近年来，增材制造技术融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现复杂结构件的制造成为可能。微喷射三维智能打印技术(micro-jetthreedimensionalintelligentprinting,M3DIP)的基本原理：利用大数据技术，将零件的CAD模型与基准3D模型对比，形成分区分层切片二维加工智能设计；将液态溶液利用微喷头按二维加工路径喷射于由金属粉末和树脂粘结剂粉末混合而成的基体粉末床上，喷射区域内的基体粉末快速凝结，微喷头如此反复二维加工形成坯料，然后通过低温去胶与高温烧结处理，获得所需结构的致密零件。相比于其他增材制造技术如激光选区熔化(selectivelasermelting,SLM)、激光粉末沉积(laserpowderdeposition,LPD)、电子束熔化成型(electron-beammelting,EBM)，微喷射三维智能打印技术(M3DIP)具有智能工艺设计、成型速度快、运行成本低、适用材料广、易于大规模工业应用等优点，是增材制造
中发展最快、最具市场竞争力的技术之一。但是，采用微喷射三维打印技术实现复杂结构超高温Nb-Si基合金的智能制造还未见文献报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微喷射三维智能打印复杂结构超高温Nb-Si基合金的方法。本专利技术能够根据超高温Nb-Si基合金的复杂结构对其成型零件模型进行拓扑分区，将零件分解为相似的基准3D模型或基准3D模型组合，依据零件关键性能指标要求，确定切片方向，进而以各基准3D模型在该切片方向上的最优分区扫描工艺安排数据为基础，实现成型零件模型分区分层切片处理以及工艺智能化设计，具有成型速度快、柔性制造、易实现自动化等特点。本专利技术是这样来实现的，其方法与步骤为：(1)根据超高温Nb-Si基合金的结构特征，利用三维打印机的智能CAD软件，建立超高温Nb-Si基合金零件的三维立体模型，然后采用大数据技术，对三维实体模型进行分区分层切片，将零件的三维立体数据按分区转换成一系列的二维平面数据，并在数控加工台上生成微喷射三维智能打印的分区平面加工路径；微喷射三维智能打印机主要由喷头、盛粉盒、成型缸、回收缸、带有脉冲振动的铺粉辊筒、智能CAD软件以及三台高速摄像机组成；其中，智能CAD软件包含有基准3D模型与最优工艺匹配数据库；三台高速摄像机分别监控液滴飞行状态、液滴冲击粉床效应以及固化Nb-Si基合金粉末的成型质量，具有预警与报警功能，自动调控喷头运动速度、喷液流量，形成闭环智能控制；(2)将双模态Nb-Si基合金粉末与粘结剂粉末按8:1～7:1的质量比在球磨机内混合均匀，作为基体粉末，放置于微喷射三维打印机的盛粉盒内；然后利于微喷射三维打印机的铺粉辊筒将盛粉盒内的基体粉末铺设于成型缸内，形成压实且均匀的粉末床；其中，粘结剂粉末为脲醛树脂粉末，粒径为5～12微米；(3)利用微喷射三维智能打印机的喷头将弱酸性溶液按步骤(1)生成的二维平面加工路径，逐点、逐线喷射于粉末床上，弱酸性溶液渗透于基体粉末内并与粘结剂粉末发生化学反应，随后粘结剂粉末快速硬化，并将Nb-Si基合金粉末粘结在一起，完成步骤(1)中分区分层中一层的加工；(4)将成型缸下降上一层的加工厚度，重复步骤(1)～(3)，直到完成超高温Nb-Si基合金的坯料加工；(5)在350～400℃，保温1～3小时，对坯料进行除胶处理，然后以3～5℃/min的速率将温度升到1550～1650℃，高温烧结5～8小时，获得具有复杂结构且致密的超高温Nb-Si基合金。本专利技术在进行所述的步骤(1)时，对超高温Nb-Si合金的三维立体模型进行拓扑分区，将零件分解成相似的基准3D模型，然后进行分层切片，建立各基准3D模型在该切片方向上的最优分区扫描工艺，完成基准3D模型数据驱动的微喷射三维打印工艺智能设计。本专利技术在进行所述的步骤(2)时，粒径为70～100微米的Nb-Si基合金粉末与粒径为5～15微米的Nb-Si基合金粉末按1:1的质量比均匀混合形成双模态Nb-Si基合金粉末，其化学成分为：16.5～18.0wt.％Si、10.5～12.2wt.％Mo、4.5～6.2wt.％W、2.6～3.5wt.％Fe、0.95～1.2wt.％Hf、Nb余量。本专利技术在进行所述的步骤(3)时，弱酸性溶液化学成分为：11.3～12.5wt.％NH4Cl、5.5～6.5wt.％丙三醇、2.0～3.5wt.％甘油、1.2～2.5wt.％异丙醇、去离子水余量，温度为50℃。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：(1)可在高效率、低成本的条件下，制备复杂结构超高温Nb-Si基合金结构件；(2)制备的Nb-Si基合金经检测无裂纹，弹性模量达160～200GPa，室温屈服强度达1600～1800MPa；(3)制备的Nb-Si基合金在1400～1500℃时：断裂韧性为6～9MPa·m1/2，高温强度为180～300MPa，延伸率为30～50％，具有优异的抗高温氧化性能。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。本专利技术涉及的原料均可从市场上直接购买。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。实施例1采用微喷射三维智能打印的方法制备复杂结构超高温Nb-Si基合金，其中双模态Nb-Si基合金粉末由粒径为70微米的Nb-Si基合金粉末与粒径为15微米的Nb-Si基合金粉末按1:1的质量比均匀混合而成，Nb-Si基合金粉末化学成分为：16.5wt.％Si、10.5wt.％Mo、4.5wt.％W、2.6wt.％Fe、0.95wt.％Hf、Nb余量；粘结剂粉末为脲醛树脂粉末，粒径为12微米；弱酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微喷射三维智能打印复杂结构超高温Nb-Si基合金的方法，其方法与步骤为：/n(1)根据超高温Nb-Si基合金的结构特征，利用三维打印机的智能CAD软件，建立超高温Nb-Si基合金零件的三维立体模型，然后采用大数据技术，对三维实体模型进行分区分层切片，将零件的三维立体数据按分区转换成一系列的二维平面数据，并在数控加工台上生成微喷射三维智能打印的分区平面加工路径；/n微喷射三维智能打印机主要由喷头、盛粉盒、成型缸、回收缸、带有脉冲振动的铺粉辊筒、智能CAD软件以及三台高速摄像机组成；其中，智能CAD软件包含有基准3D模型与工艺匹配数据库；三台高速摄像机分别监控液滴飞行状态、液滴冲击粉床效应以及固化Nb-Si基合金粉末的成型质量，具有预警与报警功能，自动调控喷头运动速度、喷液流量，形成闭环智能控制；/n(2)将双模态Nb-Si基合金粉末与粘结剂粉末按8:1～7:1的质量比在球磨机内混合均匀，作为基体粉末，放置于微喷射三维打印机的盛粉盒内；然后利于微喷射三维打印机的铺粉辊筒将盛粉盒内的基体粉末铺设于成型缸内，形成压实且均匀的粉末床；其中，粘结剂粉末为脲醛树脂粉末，粒径为5～12微米；/n(3)利用微喷射三维智能打印机的喷头将弱酸性溶液按步骤(1)生成的二维平面加工路径，逐点、逐线喷射于粉末床上，弱酸性溶液渗透于基体粉末内并与粘结剂粉末发生化学反应，随后粘结剂粉末硬化，并将Nb-Si基合金粉末粘结固化在一起，完成步骤(1)中分区分层中一层的加工；/n(4)将成型缸下降上一层的加工厚度，重复步骤(1)～(3)，直到完成超高温Nb-Si基合金的坯料加工；/n(5)在350～400℃，保温1～3小时，对坯料进行除胶处理，然后以3～5℃/min的速率将温度升到1550～1650℃，高温烧结5～8小时，获得具有复杂结构且致密的超高温Nb-Si基合金。/n...

【技术特征摘要】
1.一种微喷射三维智能打印复杂结构超高温Nb-Si基合金的方法，其方法与步骤为：
(1)根据超高温Nb-Si基合金的结构特征，利用三维打印机的智能CAD软件，建立超高温Nb-Si基合金零件的三维立体模型，然后采用大数据技术，对三维实体模型进行分区分层切片，将零件的三维立体数据按分区转换成一系列的二维平面数据，并在数控加工台上生成微喷射三维智能打印的分区平面加工路径；
微喷射三维智能打印机主要由喷头、盛粉盒、成型缸、回收缸、带有脉冲振动的铺粉辊筒、智能CAD软件以及三台高速摄像机组成；其中，智能CAD软件包含有基准3D模型与工艺匹配数据库；三台高速摄像机分别监控液滴飞行状态、液滴冲击粉床效应以及固化Nb-Si基合金粉末的成型质量，具有预警与报警功能，自动调控喷头运动速度、喷液流量，形成闭环智能控制；
(2)将双模态Nb-Si基合金粉末与粘结剂粉末按8:1～7:1的质量比在球磨机内混合均匀，作为基体粉末，放置于微喷射三维打印机的盛粉盒内；然后利于微喷射三维打印机的铺粉辊筒将盛粉盒内的基体粉末铺设于成型缸内，形成压实且均匀的粉末床；其中，粘结剂粉末为脲醛树脂粉末，粒径为5～12微米；
(3)利用微喷射三维智能打印机的喷头将弱酸性溶液按步骤(1)生成的二维平面加工路径，逐点、逐线喷射于粉末床上，弱酸性溶液渗透于基体粉末内并与粘结剂粉末发生化学反应，随后粘结剂粉末硬化，并将Nb-Si基合金粉末粘结固化在一起，完成步骤(1)中分区分层中一层的加工；
(4)将成型缸下降上一层的加工厚度，重复步骤(1)～(3)，直到完...

【专利技术属性】
技术研发人员：周圣丰，王小健，易艳良，杨俊杰，李卫，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44