一种基于3d打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速铸造制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法。特别是涉及采用熔模精密铸造工艺、熔覆涂层和多喷头3D打印技术相结合的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]随着制备工艺的进步和工业应用的需求，目前已开发出多种钢铁基表面复合材料的制备工艺，其中表面涂层技术是一种使材料表面获得特殊的成分、组织结构与性能，不仅能够提高耐磨性，同时赋予零件耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、防辐导电、导磁、吸波等特殊功能的经济而有效的手段。熔覆涂层技术是采用粉末冶金方法，将低熔点自熔合金粉末与硬质相粉末(碳化物、硼化物、氮化物等)涂覆于钢铁工件工作面，通过加热使粉末处于半熔融状态，并与基体材料发生溶解和扩散，从而在基体表面得到具有耐磨、抗腐蚀的冶金结合硬质涂层。可延长零件使用寿命，提高设备作业率。但对表面形状复杂且要求精密度高的零部件，受现有制造水平的限制，具有表面耐磨损、耐腐蚀、结构复杂等复合材料零件制造难度很大，制造成本很尚。
[0003]熔模精密铸造是一种新的近净成形先进工艺，是在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去可制成型壳，再经过焙烧，然后进行浇注，而获得铸件的一种制造方法。它获得的产品精密、复杂，接近于零件最后形状，可不加工或很少加工就直接使用，其应用非常广泛。但传统的熔模精密铸造方法需要通过模具或者机加工来制造熔模，生产工艺复杂、开发周期长、制造成本高、制造精度不易控制，尤其是一些形状复杂零件的熔模制作异常困难，需耗费大量的人力、物力和财力，难以实现复杂精密铸件的快速制造，直接影响产品的开发效率。因此，迫切需要寻找一种快速准确的制作熔模的方法，来代替目前传统的熔模制作方式。
[0004]3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，3D打印技术的制造原理是基于“增材制造”的思想，是通过打印头、喷嘴或其它打印沉积技术来制造物体的技术，主要包括SLA、FDM、SLS、L0M等。3D冷打印技术是一种可在室温或低温(<100°C)条件下打印成型金属零件的新型3D打印技术，它是将低黏度、高固相含量的金属料浆通过打印机喷头喷射到打印平台上，同时以化学或热引发等方式引发料浆中有机单体聚合反应，使金属料浆迅速固化，实现金属零件坯体的逐层打印。熔融沉积成形(FDM)，又被成为熔丝沉积法，是以热塑性成型材料丝为材料，逐层由底到顶地堆积成实体模型或零件。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种工艺合理，耗时短，效率高，生产成本低，可制造表面形状复杂且尺寸精密度高的钢基耐磨耐蚀涂层复合材料快速制备方法。
[0006]为实现本发明的上述目的，本发明提供一种基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，具体制备工艺步骤如下:
[0007](I)根据铸件耐磨耐蚀工作截面轮廓线，绘制出具有涂层结构特定区域的复合铸件原型三维模型图，并设定涂层部分由涂层浆体3D冷打印喷头打印，基体部分由蜡模熔融沉积(FDM)打印喷头打印，对复合铸件原型三维模型其采用分层切片处理将三维CAD图转化为可被3D打印装置识别的片层图形文件。
[0008](2)涂层料浆制备:按预定比例将Ni 60镍基合金粉、碳化钛粉、碳化钨粉、铬铁粉及助熔剂在球磨机中球磨，制成耐磨耐蚀熔覆涂层粉料，再与适量分散剂一起加入到配制好的预混液中，搅拌均匀制得低黏度、高固相含量的涂层料浆。
[0009](3)铸件模型3D打印:将配制好的耐磨耐蚀涂层料浆打印材料和蜡模打印材料分别输送至涂层浆体3D冷打印喷头和蜡模熔融沉积(FDM)打印喷头;然后根据步骤(I)导入的片层图形文件，同步分区打印得到具有一定厚度的耐磨耐蚀涂层铸件原型模型。
[0010](4)熔模铸造型壳制作:将具有耐磨耐蚀涂层的铸件原型模型表面粘制蜡浇注系统，再进行多次逐层挂浆撒砂制壳操作，得到熔模铸造型壳，型壳完全硬化后进行脱蜡，从型壳中脱除蜡模;再放入高温焙烧炉里进行高温焙烧。
[0011 ] (5)浇注钢液:将焙烧好的型壳四周填砂造型，浇注熔炼合格的高温钢水，在高温钢水以及毛细力等作用下，使得涂层粉料半熔融并与钢水互扩散，从而在钢铁铸件表面熔覆生成具有耐磨耐蚀性能的涂层。
[0012](6)脱壳、清理:当铸件冷却至室温后，进行脱壳、切除浇冒口及表面清理，即可制造出具有一定厚度的钢基表面耐磨耐蚀涂层铸件。
[0013]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，在步骤(I)中，铸件耐磨耐蚀工作面轮廓线，根据铸件在服役过程中工作面磨损和腐蚀失效区域确定。
[0014]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，在步骤(2)中，耐磨耐蚀熔覆涂层粉料包括粒度20-200μπι镍基合金粉15wt%-70wt%、20-200ym碳化钛粉Owt %-20wt %、40-150μηι碳化妈粉Owt % _20wt %、40-280μηι络铁粉2wt % _40wt % 和助恪剂硼砂粉2wt % -8wt %。
[0015]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，在步骤(2)中，所述涂层粉料在球磨机中球磨时间为4-12h。
[0016]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，在步骤(2)中，分散剂为0.0lwt %?0.2wt %的油酸和氨水。
[0017]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，在步骤(2)中，预混液为甲基丙烯酸羟乙酯-甲苯凝胶体系预混液或水基凝胶体系预混液，其中甲基丙烯酸羟乙酯-甲苯凝胶体系预混液中有机单体甲基丙烯酸羟乙酯浓度为30vol%?60vol%;水基凝胶体系预混液中有机单体丙烯酰胺、甲基二丙烯酰胺或N-乙烯基吡咯烷酮浓度为20wt%?25wt% ο
[0018]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，在步骤(2)中，低黏度、高固相含量的涂层料浆的黏度值0.8?IPa.S、固相含量为30vol%?60vol%。
[0019]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，在步骤(3)中，金属料浆3D冷打印操作为涂层浆体3D冷打印喷头按截面形状将涂层料浆连续定量地喷射到打印平台上，同时控制辅助喷头喷射一定量的催化剂N，N，N’N’_四甲基乙二胺和引发剂过硫酸铵混合液体，使喷射到打印平台上的料浆快速固化，涂层浆料3D冷打印喷头和蜡模熔融沉积(FDM)打印喷头按步骤(I)所设定各自的打印区域轮流交替打印，如此反复并层层堆叠，得到外部具有一定厚度耐磨耐蚀涂层、内部为蜡模的铸件3D原型模型。
[0020]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，在步骤(3)中，所述的打印耐磨耐蚀涂层厚度由截面形状确定，涂层打印厚度为0.5-20mm。
[0021]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精密铸造制备方法，在步骤(4)中，所述的挂浆撒砂制壳，采用硅溶胶或硅酸乙酯为粘结剂配制的涂料挂浆，每挂浆一次对应撒一层砂，如此反复进行4-6次，待其干燥硬化后，型壳制作完成。根据不同的铸件，制壳砂可选用石英砂、刚玉砂、锆英砂和镁砂等。
[0022]优选地，基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速精