一種用於熱鑄工藝中管件的3D列印材料的製作方法

2023-07-12 14:17:56

本發明屬於精密鑄造工藝領域，具體涉及一種用於熱鑄工藝中管件的3d列印材料。

背景技術：

隨著如今工業生產效率與質量的不斷提升，對於工業生產中所用到的熱鑄管件的質量要求也隨之提高。目前管件大多通過模具進行澆鑄成型，此方法雖然成本低，製作效率高，製得管件的機械性能雖然得到保證，但是在長時間高溫甚至超高溫環境的使用下，其承溫能力存在明顯不足，容易導致開裂、變形以及斷裂的發生，影響工業生產的正常有效進行；同時澆鑄成型的管件精度具有一定局限性，對於某些對精度、形狀有著特殊要求的生產工藝，無法滿足其需求。

3d列印技術作為快速成型領域，能夠適用於對精度、形狀具有特殊要求的管件製備，但是目前的列印材料無法在高溫或者超高溫的環境下使用。

因此，如何將3d列印技術應用在高溫或者超高溫的環境下使用的管件生產中，是本領域技術人員所急需解決的難題。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明公開了一種用於熱鑄工藝中管件的3d列印材料。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種用於熱鑄工藝中管件的3d列印材料，其組成成分以及各成分所佔質量份數分別為：粘土料：33～45%、無鹼玻璃纖維：19～28%、納米二氧化鋯：12～21%、鎳基合金粉末：7～15%、輔助劑：5～12%；鎳基合金粉末的組成成分以及各成分所佔鎳基合金粉末質量百分比分別為：cr：1.3～1.75%、co＜3.1%、mo：2.75～3.85%、re：4～7.7%、ru＜2.5%、w：5.3～7.5%、al：3.5～7.5%、ti＜2%、ta：5.2～8.5%、nb＜0.15%、hf：0.03～0.15%、b＜0.05%、v＜0.8%、稀土元素＜0.15%、其他為ni；

輔助劑包括穩定劑、增韌劑、架橋劑、安定劑以及分散劑。

本發明提供了一種用於熱鑄工藝中管件的3d列印材料，由粘土料、無鹼玻璃纖維、納米二氧化鋯、鎳基合金粉末以及輔助劑組成，以粘土料為3d列印材料主體，添加無鹼玻璃纖維能夠提高3d列印材料製作成型後的整體強度，同時其具有優秀的不燃性以及耐熱性；納米二氧化鋯具有高熔點，其化學性質不活潑，同時其熱膨脹係數低；同時本發明中還提供了具備優異的高溫強度、抗疲勞性能、抗高溫腐蝕性和高溫合金組織穩定性以及優異承溫能力的鎳基合金粉末，cr作為固溶強化元素能夠提高鎳基合金粉末的抗熱腐蝕和氧化性能，但是cr同時也是拓撲密排相（tcp）的形成元素，而tcp相對最終列印成型的管件的性能是有害的，因此不宜過高；co能夠使強化相γ′均勻分布在基體γ相內起到強化鎳基合金粉末的作用；mo能夠通過起到強化γ′和γ的作用，但是對鎳基合金粉末內的抗腐蝕性能有消極作用；re可以起到提高鎳基合金粉末的承溫能力、抗腐蝕性和抗氧化能力的作用，但是re元素的密度較大，凝固過程中偏析於枝晶幹增加了雀斑缺陷形成的傾向性，同時re降低了鎳基合金粉末在高溫條件下的組織穩定性；ru能夠起到穩定合金組織和提高力學性能的效果，但是價格非常昂貴，需要嚴格控制；w可以提高鎳基高溫合金的高溫性能，但是w在凝固過程中強烈地偏析於γ枝晶幹，當w的含量較高時會引起糊狀區內液相的熱質對流，增加雀斑缺陷形成的傾向性；al的作用是提高合金中γ′相的含量，同時為在鎳基合金粉末表面形成al2o3保護層提高基本元素，以提高3d列印成品中最易氧化部分的抗氧化能力；ti、ta以及nb能夠代替al原子強化γ′相，尤其是高溫下的力學新能，然而當這些元素的含量超過一定量之後就會形成脆性的tcp相；hf的主要作用是改善合金的鑄造性；b、zr在合金中主要起強化晶界的作用，但是降低了合金的初熔溫度；微量的v能夠賦予鎳基高溫合金一些特殊的機能，例如提高抗張強度和屈服點；稀土元素能夠有效改善鎳基合金的部分性能。通過上述成分組成的相互作用，例如mo、w能夠減慢al、ti以及cr的高溫擴散，增加擴散激活能；稀土元素與ru相配合，可增強組織穩定性，降低共晶含量，提升高溫蠕變性能等，既能夠顯著提高鎳基合金的高溫性能，又能夠有效避免有害相和鑄造缺陷的出現，同時具有優秀的鑄造性能，明顯超過現有鎳基合金的性能以及製備工藝性，通過以上成分配比組成的鎳基合金粉末，不僅製備工藝簡單，同時由於其本身具有的優秀的高溫強度、抗疲勞性能、抗高溫腐蝕性和高溫合金組織穩定性以及優異承溫能力，確保經過製備獲得的3d列印材料成品依然具有如上特性。本發明中的輔助劑由穩定劑、增韌劑、架橋劑、安定劑以及分散劑組成，穩定劑能夠保持整體化學平衡，降低所獲得的3d列印材料成品的表面張力，能夠有效防止其分解、氧化以及開裂；增韌劑能夠顯著降低本發明所獲得產品的脆性，增強韌性，有效避免裂紋的產生，提高承載強度；架橋劑能夠在本發明各成分之間起到良好的內交聯作用，提高各成分之間的附著力，提高整體耐磨以及力學機械性能；安定劑能夠有效提高本發明在製備以及通過本發明製得成品之後的整體熱安定性，有效抵抗高溫分解；分散劑能夠顯著降低本發明在製備時，各成分完成分散過程所需的時間，並且提升各成分有效分散性，確保通過本發明製得管件的整體性能的均衡。

進一步地，其製造方法為：

（1）取用粘土料，烘乾後進行研磨，並過200～300目篩，獲得粘土粉末；

（2）將無鹼玻璃纖維進行阻燃處理，連同輔助劑添加至粘土粉末中，並攪拌均勻，獲得基底粘土；

（3）將納米二氧化鋯以及鎳基合金粉末進行研磨後添加至基底粘土中，並進行均質；

（4）對步驟（3）中經過均質的基底粘土捏合3～5h後，冷卻至室溫後擠壓造粒，獲得3d列印材料成品。

進一步地，粘土料的組成成分以及各成分所佔質量百分比為：木節粘土：33～58%、膨潤土：19～27%、火山凝灰巖：7～14%、膨脹石墨：5～14%、尖晶石：5～12%。

本發明中粘土料由木節粘土、膨潤土、火山凝灰巖、膨脹石墨以及尖晶石組成；木節粘土具有優秀的耐火性，同時具有優秀的可塑性；添加膨潤土與木節粘土相結合，能夠提高3d列印材料整體的吸附性，成型後整體性能得到有效提升。

進一步地，阻燃處理的具體步驟為：

（2-1）準備無鹼玻璃纖維，水洗乾燥後備用；（2-2）取用聚乙烯吡咯烷酮溶於水中，升溫至220～230℃生成聚乙烯吡咯烷酮蒸汽，

同時以惰性氣體為載氣，使聚乙烯吡咯烷酮蒸汽與水洗乾燥後的無鹼玻璃纖維相接觸；（2-3）進一步升溫至620～950℃，保溫2～5h後開始降溫，同時停止導入聚乙烯吡咯

烷酮蒸汽，待溫度降至室溫後，取出無鹼玻璃纖維；

（2-4）將酚醛樹脂、多羥基丙烯酸樹脂、表面活性劑以及阻燃劑混合，並溶解於間對甲酚中，升溫至52～60℃並攪拌均勻後保溫；再將炭化劑添加至其中，攪拌均勻，得到液態阻燃基底；

（2-5）將步驟（2-3）中得到的經過處理的無鹼玻璃纖維浸泡至液態阻燃基底中48～72h後取出，完成阻燃處理。

本發明將無鹼玻璃纖維進行阻燃處理時，首先通過聚乙烯吡咯烷酮蒸汽對無鹼玻璃纖維進行活化，再通過製備液態阻燃基底，與活化的無鹼玻璃纖維相混合，完成阻燃處理。進一步地，輔助劑中各成分所佔質量份數分別為：穩定劑：7～12份、增韌劑：2～5份、架橋劑：3～5份、安定劑：2～5份、分散劑：4～7份。

進一步地，步驟（4）的具體方法為：將步驟（3）中經過均質的基底粘土升溫至150～170℃，在48～65r/min的轉速下捏合3～5h後，冷卻至室溫後，按照與水4～7：1的比例添加水，攪拌均勻後導入擠壓成型機中，在溫度為120～135℃，轉速為102～120r/min下進行擠壓造粒，獲得3d列印材料成品。

進一步地，鎳基合金粉末的組成成分以及各成分所佔鎳基合金粉末質量百分比分別為：cr：1.3～1.4%、co＜2.5%、mo：2.9～3.5%、re：5.5～7%、ru＜0.5%、w：5.5～6%、al：3.5～5.2%、ti＜2%、ta：5.5～7.5%、nb＜0.1%、hf：0.05～0.1%、v＜0.5%、稀土元素＜0.15%、其他為ni。

進一步地，稀土元素為y、ce以及lu中的任意一種或者任意幾種的組合。

本發明與現有技術相比，具有優秀的高溫強度、抗疲勞性能、抗高溫腐蝕性和高溫合金組織穩定性以及優異承溫能力，通過3d列印成型後還具有優秀的機械強度，經久耐用，適用於熱鑄工藝中各種特殊管件的生產。

具體實施方式

以下將結合具體實施例對本發明提供的技術方案進行詳細說明，應理解下述具體實施方式僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。

實施例1：

一種用於熱鑄工藝中管件的3d列印材料，其組成成分以及各成分所佔質量份數分別為：粘土料：33%、無鹼玻璃纖維：28%、納米二氧化鋯：18%、鎳基合金粉末：12%、輔助劑：5～9%。

粘土料的組成成分以及各成分所佔質量百分比為：木節粘土：33%、膨潤土：27%、火山凝灰巖：14%、膨脹石墨：14%、尖晶石：12%。

鎳基合金粉末的組成成分以及各成分所佔鎳基合金粉末質量百分比分別為：cr：1.75%、co：3%、mo：2.8%、re：4.2%、ru：2.4%、w：5.5%、al：7%、ti：1%、ta：5.2%、nb：0.13%、hf：0.15%、b：0.04%、v：0.75%、稀土元素：0.14%、其他為ni；稀土元素為y。

輔助劑中各成分以及所佔質量份數分別為：穩定劑：7份、增韌劑：5份、架橋劑：5份、安定劑：5份、分散劑：7份。

其製造方法為：

（1）取用粘土料，烘乾後進行研磨，並過200目篩，獲得粘土粉末；

（2-1）準備無鹼玻璃纖維，水洗乾燥後備用；

（2-2）取用聚乙烯吡咯烷酮溶於水中，升溫至220℃生成聚乙烯吡咯烷酮蒸汽，同時以惰性氣體為載氣，使聚乙烯吡咯烷酮蒸汽與水洗乾燥後的無鹼玻璃纖維相接觸；（2-3）進一步升溫至620℃，保溫2h後開始降溫，同時停止導入聚乙烯吡咯烷酮蒸汽，待溫度降至室溫後，取出無鹼玻璃纖維；

（2-4）將酚醛樹脂、多羥基丙烯酸樹脂、表面活性劑以及阻燃劑混合，並溶解於間對甲酚中，升溫至52℃並攪拌均勻後保溫；再將炭化劑添加至其中，攪拌均勻，得到液態阻燃基底；

（2-5）將步驟（2-3）中得到的經過處理的無鹼玻璃纖維浸泡至液態阻燃基底中48h後取出，完成阻燃處理；

（3）將納米二氧化鋯以及鎳基合金粉末進行研磨後添加至基底粘土中，並進行均質；

（4）將步驟（3）中經過均質的基底粘土升溫至150℃，在48r/min的轉速下捏合3h後，冷卻至室溫後，按照與水4：1的比例添加水，攪拌均勻後導入擠壓成型機中，在溫度為120～135℃，轉速為102r/min下進行擠壓造粒，獲得3d列印材料成品。

實施例2：

一種用於熱鑄工藝中管件的3d列印材料，其組成成分以及各成分所佔質量份數分別為：粘土料：45%、無鹼玻璃纖維：19%、納米二氧化鋯：18%、鎳基合金粉末：9%、輔助劑：9。

粘土料的組成成分以及各成分所佔質量百分比為：木節粘土：58%、膨潤土：19%、火山凝灰巖：8%、膨脹石墨：8%、尖晶石：7%。

鎳基合金粉末的組成成分以及各成分所佔鎳基合金粉末質量百分比分別為：cr：1.3%、co：2%、mo：3.5%、re：7.5%、ru：0.5%、w：7%、al：4%、ti：1.9%、ta：8%、nb：0.07%、hf：0.03%、b：0.01%、v：0.3%、稀土元素：0.1%、其他為ni；稀土元素為y、ce的組合。

輔助劑中各成分以及所佔質量份數分別為：穩定劑：12份、增韌劑：2份、架橋劑：3份、安定劑：5份、分散劑：4份。

其製造方法為：

（1）取用粘土料，烘乾後進行研磨，並過300目篩，獲得粘土粉末；

（2-1）準備無鹼玻璃纖維，水洗乾燥後備用；（2-2）取用聚乙烯吡咯烷酮溶於水中，升溫至230℃生成聚乙烯吡咯烷酮蒸汽，同時以

惰性氣體為載氣，使聚乙烯吡咯烷酮蒸汽與水洗乾燥後的無鹼玻璃纖維相接觸；（2-3）進一步升溫至950℃，保溫5h後開始降溫，同時停止導入聚乙烯吡咯烷酮蒸汽，

待溫度降至室溫後，取出無鹼玻璃纖維；

（2-4）將酚醛樹脂、多羥基丙烯酸樹脂、表面活性劑以及阻燃劑混合，並溶解於間對甲酚中，升溫至60℃並攪拌均勻後保溫；再將炭化劑添加至其中，攪拌均勻，得到液態阻燃基底；

（2-5）將步驟（2-3）中得到的經過處理的無鹼玻璃纖維浸泡至液態阻燃基底中72h後取出，完成阻燃處理；

（3）將納米二氧化鋯以及鎳基合金粉末進行研磨後添加至基底粘土中，並進行均質；

（4）將步驟（3）中經過均質的基底粘土升溫至170℃，在65r/min的轉速下捏合5h後，冷卻至室溫後，按照與水7：1的比例添加水，攪拌均勻後導入擠壓成型機中，在溫度為135℃，轉速為120r/min下進行擠壓造粒，獲得3d列印材料成品。

實施例3：

一種用於熱鑄工藝中管件的3d列印材料，其組成成分以及各成分所佔質量份數分別為：粘土料：39%、無鹼玻璃纖維：24%、納米二氧化鋯：16%、鎳基合金粉末：11%、輔助劑：10%。

粘土料的組成成分以及各成分所佔質量百分比為：木節粘土：50%、膨潤土：24%、火山凝灰巖：11%、膨脹石墨：7%、尖晶石：8%。

鎳基合金粉末的組成成分以及各成分所佔鎳基合金粉末質量百分比分別為：cr：1.4%、co：2.4%、mo：3.2%、re：6.2%、ru：0.2%、w：5.7%、al：4.3%、ti：0.2%、ta：6.5%、nb：0.05%、hf：0.07%、v：0.3%、稀土元素：0.03%、其他為ni；稀土元素為y、ce以及lu的組合。

輔助劑中各成分以及所佔質量份數分別為：穩定劑：10份、增韌劑：4份、架橋劑：4份、安定劑：3份、分散劑：6份。

其製造方法為：

（1）取用粘土料，烘乾後進行研磨，並過250目篩，獲得粘土粉末；

（2-1）準備無鹼玻璃纖維，水洗乾燥後備用；（2-2）取用聚乙烯吡咯烷酮溶於水中，升溫至225℃生成聚乙烯吡咯烷酮蒸汽，同時以

惰性氣體為載氣，使聚乙烯吡咯烷酮蒸汽與水洗乾燥後的無鹼玻璃纖維相接觸；（2-3）進一步升溫至830℃，保溫4h後開始降溫，同時停止導入聚乙烯吡咯烷酮蒸汽，

待溫度降至室溫後，取出無鹼玻璃纖維；

（2-4）將酚醛樹脂、多羥基丙烯酸樹脂、表面活性劑以及阻燃劑混合，並溶解於間對甲酚中，升溫至55℃並攪拌均勻後保溫；再將炭化劑添加至其中，攪拌均勻，得到液態阻燃基底；

（2-5）將步驟（2-3）中得到的經過處理的無鹼玻璃纖維浸泡至液態阻燃基底中60h後取出，完成阻燃處理；

（3）將納米二氧化鋯以及鎳基合金粉末進行研磨後添加至基底粘土中，並進行均質；

（4）將步驟（3）中經過均質的基底粘土升溫至162℃，在58r/min的轉速下捏合4h後，冷卻至室溫後，按照與水5：1的比例添加水，攪拌均勻後導入擠壓成型機中，在溫度為128℃，轉速為115r/min下進行擠壓造粒，獲得3d列印材料成品。分別通過以上3個實施例製備3d列印材料成品，並通過3d列印材料成品製備熱鑄管件進行機械性能測試以及熱試驗，實施例1獲得的熱鑄管件相對於現有通過模具澆鑄獲得的管件，在製備精度更高的同時，機械性能整體提升約26.73%，並且在熱試驗中沒有發生開裂、變形、斷裂等；實施例2獲得的熱鑄管件相對於現有通過模具澆鑄獲得的管件，在製備精度更高的同時，機械性能整體提升約41.13%，並且在熱試驗中沒有發生開裂、變形、斷裂等；實施例3獲得的熱鑄管件相對於現有通過模具澆鑄獲得的管件，在製備精度更高的同時，機械性能整體提升約69.57%，並且在熱試驗中沒有發生開裂、變形、斷裂等。實施例3中提供的參數更優，實施例3為最優實施例。

最後需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制性技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。