一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法
【专利摘要】本发明提供了一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，通过采用两种不同性质的蜡基材料交替注射和分段雕刻，实现薄壁结构和细槽结构的蜡模制作。当对一种蜡基材料进行雕刻加工时，另一种蜡基材料起支撑作用。如果加工得到的薄壁结构材料是可机加工蜡，可得到薄壁结构的蜡模；如果薄壁结构材料是可水溶蜡，可得到细槽结构的蜡模。在此基础上，应用凝胶注模技术，把充填金属粉末的浆料注入蜡模，制作金属件坯体。进一步地，采用真空冷冻干燥方法对坯体进行干燥，解决坯体在干燥过程中容易出现的开裂问题。最后，将微波烧结技术应用于对凝胶注模成型坯体的烧结过程，解决坯体烧结过程中容易出现的开裂和翘曲变形问题。
【专利说明】一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械加工领域，尤其涉及薄壁结构和细槽结构的机械加工领域。
技术背景
[0002]薄壁结构或细槽结构加工是传统机械加工中不可逾越的难点。增材制造为解决此类问题开辟了新的技术途径。斯坦福大学提出将熔滴沉积与数控加工相结合，即形状沉积制造(Shape Deposition Manufacturing, SDM),制造出了复杂形状的氮化娃、不锈钢润轮转子。
[0003]凝胶注模成型(Gelcasting)技术是20世纪90年代美国橡树岭国家实验室(OakRidge National Laboratory) 0.0matete等人提出的,它是在粉末颗粒材料的悬浮液中加入有机单体，如丙烯酰胺，然后在加入一定量的引发剂促使有机单体发生交联反应从而达到原位固化的一种成型技术。凝胶注模已经成功应用于多种陶瓷材料的成型，如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅及其复合材料等。近年来，国内外一些学者将凝胶注模的应用领域扩展到金属粉末材料。
[0004]为了利于浇注薄壁件、细槽等细节特征，凝胶注模浆料要有良好的流变性，即浆料的表观粘度越小越好。对于金属粉末来说其粘度值不能高于IPa.S。金属衆料要求低粘度、高固相含量，这是一对矛盾。因此在保证良好流动性的前提下尽量提高粉末颗粒的含量，对浇注薄壁件而言尤为重要。此外，凝胶注模胚体含有一定量的水，随着胚体干燥过程中水分的去除，胚体产生收缩，如果收缩不均匀会导致胚体变形、开裂等缺陷。传统的干燥方法，都是把胚体放入真空干燥箱，通过加热方式去除水分。由于胚体内部和外部有温度梯度，外部水分蒸发速率远远大于内部，造成胚体收缩不均匀，产生内应力，影响胚体强度，同时会影响后续的烧结质量，造成烧结开裂。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的主要技术问题是，提供一种金属件的制造方法，实现对具有薄壁、细槽等几何细节特征的金属件件的快速制造。本发明要解决的次要技术问题是，解决金属件在传统烧结过程中存在烧结翘曲变形的问题。
[0006]为了解决上述的技术问题，本发明提供了.一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，使用蜡基材料交替注射和分段雕刻与凝胶注模结合的方法，主要包括两种蜡基材料交替注射和分段雕刻制作蜡模、凝胶注模成型、烧结；
[0007]所述两种蜡基材料交替注射采用注射增材的方法，使蜡料在堆积过程中以半熔融态射出；所述两种蜡基材料分别为可机加工蜡与水溶蜡；
[0008]所述蜡基材料交替注射和分段雕刻具体步骤为:使用A蜡作为支撑，雕刻加工支撑型腔，使用B蜡添加型腔材料，雕刻支撑型腔并获得使用A蜡的薄壁支撑，使用B蜡对雕刻后的支撑型腔添加型腔材料；
[0009]所述A蜡为水溶蜡时，通过水浸处理，得到了细槽结构的蜡模；所述B蜡为水溶蜡时，通过水浸处理，得到了薄壁结构的蜡模。
[0010]作为优选，所述烧结采用微波烧结。
[0011]作为优选，所述凝胶注模成型主要包括浆料制备、胚体干燥、热熔法脱模。
[0012]作为优选，所述浆料制备时使用粘结剂、分散剂和两种粗细不同的金属粉末混合配比来提高浆料的固相含量。
[0013]作为优选，所述胚体干燥采用真空冷冻干燥。
[0014]作为优选，所述粘结剂为明胶。
[0015]作为优选，所述分散剂为聚乙烯醇、海藻酸钠、柠檬酸三铵，十二烷基硫酸铵。
[0016]作为优选，所述两种粗细不同的金属粉末为中位径分别为11.80μπι和24.32μπι的水雾化316L不锈钢粉末。
[0017]作为优选，所述中位径分别为1.80 μ m和24.32 μ m的水雾化316L不锈钢粉末的混合比例为4:6。
[0018]作为优选，所述真空冷冻干燥具体过程为:将浇注的胚体和蜡模在_50°C的条件下冷冻4h，将胚体完全冻结成固态；然后放在冷冻干燥机的搁板上进行升华干燥，同时进行抽真空，保持真空度为IOPa左右，冷阱温度-50°C，持续时间8h ;胚体干燥后采用热熔法去除蜡模:将干燥后的胚体和蜡模一起放入真空干燥箱内，加热至150°C并保持30分钟，蜡模即可完全熔化，最后得到完整的零件胚体。
[0019]作为优选，所述微波烧结的采用微波频率为2.45GHz微波高真空炉。
[0020]作为优选，所述微波高真空炉的旋转台上设有高温桶，所述高温桶内设有莫来石坩埚。
[0021]作为优选，所述高温桶和莫来石坩埚之间填充有氧化锆、碳化硅以及保温棉。
[0022]本发明提供了一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，通过使用两种蜡基材料在加工过程中交替注射和分段雕刻，使得两种蜡基材料相互背衬，从而实现对具有薄壁、细槽等几何细节特征的蜡模制作。通过注射增材的方法，是蜡料在堆积过程中以半熔融态射出，避免了蜡料对已成型的固态行腔表面的热熔损坏。通过对其中一种蜡料使用水溶性的蜡料，可以通过水浸去除，方便、清洁地与腔体材料分离。使用两种粗细不同的金属粉末配比混合，在保证浆料具有良好流变性能的前提下，有效提高了浆料的固相密度。采用真空冷冻干燥的方法，胚体收缩率低、力学性能高，胚体成型质量好，能够很好地保持胚体形状，有效解决了传统干燥中胚体断裂、变形的缺陷。使用微波烧结的方式，可以在较低的烧结温度和较短的保温时间下获得较高的致密度和良好的力学性能，并很好地解决了复杂结构件烧结过程中存在烧结翘曲变形的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明使用两种蜡基材料交替注射和分段雕刻制作蜡模的步骤图，其中:
[0024](a)使用水溶蜡作为支撑；(b)加工支撑型腔；(C)添加型腔材料；(d)交替加工行腔；(e)加工薄壁支撑；(f)薄壁支撑形成；(g)添加型腔材料；(h)去除水溶蜡。
[0025]图2为使用传统干燥得到的胚体与本发明实施例中使用真空冷冻干燥得到的胚体对比图，其中:
[0026](a)为传统干燥，(b)为真空冷冻干燥。[0027]图3为本实施例使用高真空微波炉炉腔示意图。
[0028]图4为使用传统烧结得到的金属件与本发明实施例中使用微波烧结得到的金属件对比图，其中:
[0029](a)为传统烧结，(b)为微波烧结。
【具体实施方式】
[0030]下文通过结合附图及实施例，对本发明做进一步阐述。
[0031]1、两种蜡基材料交替注射和分段雕刻制作蜡模。
[0032]参考图1，通过材料堆积与去除加工相结合的过程，通过选用两种材料在机加工过程中相互背衬的作用，实现对具有薄壁、细槽等几何细节特征的零件的快速制造。
[0033]通过采用注射增材的方法，使蜡料的堆积过程处在半熔融态射出，可以避开固态蜡的熔点温度，保证了已成型型腔表面不被热融损坏；通过对可机加工蜡料作适当的改性，确保其可机加工性能；与可机加工蜡配对的材料为水溶蜡，可以通过水浸去除，方便、清洁地与腔体材料分离。
[0034]所述蜡基材料交替注射和分段雕刻具体步骤为:使用水溶蜡作为支撑，使用水溶蜡加工支撑型腔，使用可机加工蜡添加型腔材料，雕刻支撑型腔并获得使用水溶蜡的薄壁支撑，使用可机加工蜡对雕刻后的支撑型腔添加型腔材料。
[0035]通过交替背衬加工可以获得薄壁筋条结构或细槽结构等几何细节特征。如依靠支撑材料加工出的薄壁是可机加工蜡，水浸后可得到薄壁结构的蜡模；如加工出的薄壁是可水溶蜡，水浸后可得到细槽结构的蜡模。无论是加工可机加工蜡还是水溶蜡，都是在另一种蜡的背衬下进行的。
[0036]2、凝胶注模成型。
[0037](I)浆料制备
[0038]采用天然、无毒的凝胶体系。以明胶作为粘结剂，选用聚乙烯醇、海藻酸钠、柠檬酸三铵、十二烷基硫酸铵作为分散剂，用NaOH和HCL溶液调节pH值。采用中位径分别为
11.80 μ m和24.32 μ m两种粗细不同的水雾化316L不锈钢粉末，以不同质量比级配。
[0039]本实施例中，当中位径分别为1.80 μ m和24.32 μ m的水雾化316L不锈钢粉末的混合比例为4:6时，浆料粘度最小，同时具有很高的固相含量，胚体的强度最大，收缩率也最小。
[0040]将配制好的低粘度、高固相含量的316L不锈钢浆料，将其浇注到蜡模中。
[0041](2)胚体干燥
[0042]将浇注的胚体和蜡模一起放入冷冻干燥机进行冷冻干燥。具体的干燥工艺为:首先在_50°C的条件下冷冻4h，将胚体完全冻结成固态。然后放在冷冻干燥机的搁板上进行升华干燥，同时进行抽真空，保持真空度为IOPa左右，冷阱温度-50°C，这一阶段持续时间为8h。
[0043]胚体干燥后采用热熔法去除蜡模。将干燥后的胚体和蜡模一起放入真空干燥箱内，加热至150°C并保持30分钟，蜡模即可完全熔化，最后得到完整的零件胚体。
[0044]参考图2，湿态胚体经过真空冷冻干燥后，干燥收缩率大大降低。采用传统箱式干燥方法，胚体干燥收缩率达3.5%，图2为使用传统干燥得到的胚体与本发明实施例中使用真空冷冻干燥得到的胚体对比图，图2中的a图是传统干燥出现坯体开裂，为真空冷冻干燥，而真空冷冻干燥后胚体的收缩率仅为0.44%，能够很好的保持胚体结构和形态，如图2(b)所示。在真空冷冻干燥过程中，胚体中的水分直接由固态升华，消除了普通干燥中存在的固、液表面张力，从而有效解决了传统干燥中胚体断裂、变形的缺陷。
[0045]3、微波烧结
[0046]采用HAMiLab_HV3型微波高真空实验炉，微波频率为2.45GHz。如图3所示，采用红外测温仪进行测温，工作时工件台缓慢旋转，以保证作用于胚体上的微波场分布均匀，采用圆形保温桶放在旋转台上，胚体放在特制的莫来石坩埚内，高温桶与坩埚间填充有氧化锆、碳化硅及保温棉，起辅助加热和保温作用。因为陶瓷材料的吸波性能好，在烧结开始阶段，有助于迅速升温。同时，在烧结的最后阶段，粉末颗粒联结在一起，金属胚体逐渐致密化，反射微波变大，吸收微波能力下降，转化为热能变少，这一阶段主要是靠辅助加热材料的保温作用加热的。图4中的a图是传统烧结试件出现翘曲的情况.[0047]使用微波烧结的方式，可以在较低的烧结温度和较短的保温时间下获得较高的致密度和良好的力学性能，并很好地解决了复杂结构件烧结过程中存在烧结翘曲变形的问题。如图4中的(b)所示。
[0048]综上所述，本发明提供了一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法具备以下优势:
[0049](I)将蜡基材料交替注射和分段雕刻与凝胶注模结合，可以很好地实现对于具有薄壁、细槽等几何细节特征的零件制造，对于复杂和具有几何细节结构特征的金属件的一体化快速制造具有明显的优势。
[0050](2)以316L不锈钢粉末为原料，采用天然无污染的凝胶体系，以1% (相对金属粉末质量分数)明胶为粘结剂，0.8%的海藻酸钠作为分散剂，选择粗细不同的两种不锈钢粉末通过合理的颗粒级配可以保证在具有较高的固相含量下，浆料具备良好的流变性能及成型胚体的力学性能。
[0051](3)真空冷冻干燥与传统干燥方法相比，胚体收缩率低、力学性能高，胚体成型质量好，能够很好地保持胚体形状，有效地解决了传统干燥中胚体断裂、变形等缺陷。
[0052](4)把微波烧结与传统烧结方式对比，可以在较低的烧结温度和较短的保温时间条件下获得较高的致密度和良好的力学性能，并很好地解决了复杂结构件烧结过程中存在的烧结翘曲变形等问题。
[0053]以上实施例仅为说明本发明原理所用，并非本发明仅有的实施方式。上述实施例并不应视为限制本发明的范围。本领域的技术人员在阅读并理解了前述详细说明的同时，可以进行修改和变化。具体的保护范围应以权利要求书为准。
【权利要求】
1.一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，使用蜡基材料交替注射和分段雕刻与凝胶注模结合的方法，主要包括两种蜡基材料交替注射和分段雕刻制作蜡模、凝胶注模成型、烧结； 所述两种蜡基材料交替注射采用注射增材的方法，使蜡料在堆积过程中以半熔融态射出；所述两种蜡基材料分别为可机加工蜡与水溶蜡； 所述蜡基材料交替注射和分段雕刻具体步骤为:使用A蜡作为支撑，雕刻加工支撑型腔，使用B蜡添加型腔材料，雕刻支撑型腔并获得使用A蜡的薄壁支撑，使用B蜡对雕刻后的支撑型腔添加型腔材料； 所述A蜡为水溶蜡，B蜡为可机加工蜡时，通过水浸处理，得到了细槽结构的蜡模；所述A蜡为可机加工蜡，B蜡为水溶蜡时，通过水浸处理，得到了薄壁结构的蜡模。
2.根据权利要求1所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述烧结采用微波烧结。
3.根据权利要求1所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述凝胶注模成型主要包括浆料制备、胚体干燥、热熔法脱模。
4.根据权利要求3所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述浆料制备时使用粘结剂、分散剂和两种粗细不同的金属粉末混合配比来提高浆料的固相含量。
5.根据权利要求3所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述胚体干燥采用真空冷冻干燥。
6.根据权利要 求4所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述粘结 剂为明胶。
7.根据权利要求4所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述分散剂为聚乙烯醇、海藻酸钠、柠檬酸三铵，十二烷基硫酸铵。
8.根据权利要求4所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述两种粗细不同的金属粉末为中位径分别为11.80μπι和24.32 μ m的水雾化316L不锈钢粉末。
9.根据权利要求8所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述中位径分别为1.80μπι和24.32 μ m的水雾化316L不锈钢粉末的混合比例为4:6。
10.根据权利要求5所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述真空冷冻干燥具体过程为:将浇注的胚体和蜡模在_50°C的条件下冷冻4h，将胚体完全冻结成固态；然后放在冷冻干燥机的搁板上进行升华干燥，同时进行抽真空，保持真空度为IOPa左右，冷阱温度-50°C，持续时间8h ;胚体干燥后采用热熔法去除蜡模:将干燥后的胚体和蜡模一起放入真空干燥箱内，加热至150°C并保持30分钟，蜡模即可完全熔化，最后得到完整的零件胚体。
11.根据权利要求2所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述微波烧结的采用微波频率为2.45GHz微波高真空炉。
12.根据权利要求11所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述微波高真空炉的旋转台上设有高温桶，所述高温桶内设有莫来石坩埚。
13.根据权利要求12所述的一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，所述高温桶和莫来石坩埚之间`填充有氧化锆、碳化硅以及保温棉。
【文档编号】B22F3/22GK103878372SQ201310725870
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】江开勇, 王霏, 顾永华, 梁辉煌 申请人:华侨大学