一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法及产品技术

本发明专利技术属于增材制造领域，并具体公开了一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法及产品。该方法包括如下步骤：将基体材料与填充材料混合获得金属混合粉末，填充材料能够浸润基体材料且熔点和平均粒径均低于基体材料；采用微滴喷射技术，利用聚合物粘接剂和金属混合粉末制备金属初坯；对金属初坯进行烧结，以此制得低收缩率金属零件，其中烧结过程中第一阶段使聚合物粘接剂分解，第二阶段使填充材料发生物质迁移。该方法能够使得金属混合粉末在烧结致密化的过程中，填充材料从基体材料颗粒堆积的间隙转移到基体材料的表面形成薄膜，使得烧结件具有良好的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法及产品
本专利技术属于增材制造领域，更具体地，涉及一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法及产品。
技术介绍
微滴喷射成形金属零件技术基于增材制造原理，将粉末铺成薄层，根据物体三维模型的切片信息，利用喷头将聚合物粘接剂喷射到薄层上，在粘接剂的作用下金属粉末被连接在一起，随后在粉床表面铺展新一层粉末，根据下一层的切片信息再次进行粘接剂喷射，重复上述过程直至打印完成，各层打印区域相互连接在一起形成具有一定强度的初坯。利用微滴喷射技术能够在短时间内成形具有极高的形状自由度的金属零件。由于不需要模具及相应的工装夹具，相比于铸造、锻压、机加工等传统成形工艺，该技术在快速原型和小批量定制领域具有成本和时间上的巨大优势。相比于激光选区熔化等以激光为能量的金属增材制造方法，微滴喷射技术无需激光系统，运行维护成本低、体积小。另外，喷嘴成形速度也远快于激光单点扫描的方式，在成形大幅面、大体积金属零件时速度优势更为明显。但微滴喷射技术的不足之处在于成形金属制件强度较低，所以一般用来制造初坯，并通过后处理提高强度。一般通过两种后处理方式使金属初坯的粉末颗粒间发生冶金结合，得到满足使用强度的最终零件。一种方法是在惰性气氛保护和高熔点陶瓷颗粒支撑的条件下，将初坯逐渐加热到0.5～0.85倍金属材料熔点的烧结温度保温，在升温过程中粘接剂材料分解挥发，离散金属颗粒之间以扩散和流动的形式进行物质迁移，颗粒间出现烧结颈并长大。升高到一定温度后进行保温，在这一阶段颗粒间的孔隙形成闭孔并随着时间缩小甚至消失，烧结件整体的致密度和强度明显增加。另一种方法是先在0.4～0.55倍金属材料熔点的温度下将初坯预烧结，邻近颗粒间形成烧结颈，得到具有一定强度的预烧结件，然后使预烧结件接触或浸入另一低熔点液体材料，在真空或低压等环境中低熔点材料在毛细力作用下沿着预烧结件颗粒间孔隙流动直至完全填充孔隙得到致密的零件，初坯熔渗后强度明显增加。高温烧结的后处理方法使初坯力学性能大幅提升，但致密过程中的零件尺寸通常会有12％～20％的线收缩，且收缩后的形状难以预测。预烧结后熔渗低熔点材料的方法虽然能将线收缩率控制在3％～8％，但仍然无法用于制造模具等精度要求较高的产品，而熔渗工艺要求的低压或真空环境使得工艺更加复杂、时间和经济成本更高，且容易出现熔渗不满等缺陷。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法及产品，其中该方法通过在金属混合粉末中添加能够浸润基体材料表面且熔点和平均粒径均低于基体材料的填充材料，并通过第二阶段的烧结使得填充材料发生物质迁移，从基体材料颗粒堆积的间隙转移到基体材料的表面形成薄膜，以提高烧结件的力学性能。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法，该方法包括如下步骤：S1将基体材料与填充材料混合获得金属混合粉末，使得所述填充材料浸润所述基体材料的表面，其中所述填充材料的熔点低于所述基体材料的熔点，同时所述填充材料的平均粒径小于所述基体材料的平均粒径；S2采用微滴喷射技术，利用聚合物粘接剂和步骤S1获得的金属混合粉末制备金属初坯；S3对步骤S2制备的金属初坯进行烧结，以此制得低收缩率金属零件，其中烧结过程包括两个阶段，第一阶段使所述聚合物粘结剂发生分解，第二阶段使所述填充材料发生物质迁移，从所述基体材料的颗粒堆积间隙转移到所述基体材料的表面形成薄膜。作为进一步优选地，步骤S1中，所述基体材料包括铜及铜合金粉末、铝及铝合金粉末、铁及铁合金粉末、钛及钛合金粉末；所述基体材料的平均粒径为40μm～80μm。作为进一步优选地，步骤S1中，所述填充材料包括铝基粉末、铜基粉末、银基粉末、镍基粉末或钛基粉末，所述填充材料的平均粒径为0.5μm～20μm。作为进一步优选地，步骤S1中，所述基体材料与填充材料的质量比例为5:1～20:1。作为进一步优选地，步骤S1中，在所述混合金属粉末中加入碱金属、有机铵盐的卤化物、胺类有机物或酰胺类有机物，用于去除所述基体材料或填充材料表面的氧化膜。作为进一步优选地，步骤S2中，所述聚合物粘结剂为水基粘结剂或有机粘结剂，所述聚合物粘结剂的粘度为4mPa·s～12mPa·s，表面张力为28mN/m～40mN/m。作为进一步优选地，步骤S2中，采用微滴喷射技术制备金属初坯的过程中，粉末单层厚度为0.06mm～0.2mm。作为进一步优选地，步骤S3中，烧结过程中，第一阶段的保温时间为0.5～2小时，第二阶段的保温时间为1～8小时。作为进一步优选地，步骤S3中，烧结过程中通入惰性保护气体或还原性气体；对于易生成氧化膜的金属，烧结过程中通入惰性保护气体或还原性气体的同时还通入气态无机卤化物，以去除颗粒表面的氧化膜。按照本专利技术的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的低收缩率金属零件。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术提供了一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法，该方法通过在金属混合粉末中添加熔点和平均粒径均低于基体材料的填充材料，并将第二阶段的烧结温度设定为高于填充材料的熔点，且低于基体材料的熔点，使得金属混合粉末在烧结致密化的过程中，填充材料从基体材料颗粒堆积的间隙转移到基体材料的表面形成薄膜，因其厚度远小于基体材料颗粒的粒径，故初坯整体的尺寸变化较小，并且因填充材料连续体的存在，使得烧结件具有良好的力学性能，制得的初坯在具有较高尺寸精度的同时，还具有满足运输、熔渗等进一步操作的强度；2.同时，本专利技术对基体材料和填充材料的种类及粒径进行优化，能够保证填充材料粉末能够较好地浸润基体材料颗粒表面，部分情况下填充材料与基体材料在界面处发生溶解、反应扩散等相互作用，并形成牢固的冶金结合，保证制得的金属零件具有良好的力学性能。附图说明图1是按照本专利技术优选实施例构建的微滴喷射成形低收缩率金属零件的流程示意图；图2是本专利技术优选实施例中初坯烧结形成零件的烧结温度变化曲线图；图3是本专利技术优选实施例中烧结前后基体材料与填充材料颗粒微观形貌示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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。如图1所示，本专利技术实施例提供一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法，该方法包括如下步骤：S1将基体材料与填充材料混合获得金属混合粉末，使得所述填充材料浸润所述基体材料的表面，填充材料的熔点低于基体材料的熔点，同时填充材料的平均粒径小于基体材料的平均粒径；S2采用微滴喷射技术，利用聚合物粘接剂和步骤S1获得的金属混合粉末制备金属初坯，具体过程为：首先微滴喷射设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/nS1将基体材料与填充材料混合获得金属混合粉末，使得所述填充材料浸润所述基体材料的表面，其中所述填充材料的熔点低于所述基体材料的熔点，同时所述填充材料的平均粒径小于所述基体材料的平均粒径；/nS2采用微滴喷射技术，利用聚合物粘接剂和步骤S1获得的金属混合粉末制备金属初坯；/nS3对步骤S2制备的金属初坯进行烧结，以此制得低收缩率金属零件，其中烧结过程包括两个阶段，第一阶段使所述聚合物粘结剂发生分解，第二阶段使所述填充材料发生物质迁移，从所述基体材料的颗粒堆积间隙转移到所述基体材料的表面形成薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1将基体材料与填充材料混合获得金属混合粉末，使得所述填充材料浸润所述基体材料的表面，其中所述填充材料的熔点低于所述基体材料的熔点，同时所述填充材料的平均粒径小于所述基体材料的平均粒径；
S2采用微滴喷射技术，利用聚合物粘接剂和步骤S1获得的金属混合粉末制备金属初坯；
S3对步骤S2制备的金属初坯进行烧结，以此制得低收缩率金属零件，其中烧结过程包括两个阶段，第一阶段使所述聚合物粘结剂发生分解，第二阶段使所述填充材料发生物质迁移，从所述基体材料的颗粒堆积间隙转移到所述基体材料的表面形成薄膜。


2.如权利要求1所述的微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法，其特征在于，步骤S1中，所述基体材料包括铜及铜合金粉末、铝及铝合金粉末、铁及铁合金粉末、钛及钛合金粉末；所述基体材料的平均粒径为40μm～80μm。


3.如权利要求1所述的微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法，其特征在于，步骤S1中，所述填充材料包括铝基粉末、铜基粉末、银基粉末、镍基粉末或钛基粉末，所述填充材料的平均粒径为0.5μm～20μm。


4.如权利要求1所述的微滴喷射成形低收缩率金属零件的方法，其特征在于，步骤S1中，所述基体材料与填充材料的质量比例为5:1～20:...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛鹏举，魏青松，张净凯，毛贻桅，蔡道生，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42