一種金屬/陶瓷雷射燒結製件的後處理方法
2023-05-08 05:21:16
專利名稱：一種金屬/陶瓷雷射燒結製件的後處理方法
技術領域：
本發明屬於快速成形技術領域，具體為一種金屬/陶瓷雷射燒結製件的後處理方法。
背景技術：
選擇性雷射燒結(SLS)技術是近年來發展非常迅速的一種快速成形技術，它採用雷射有選擇地分層燒結固體粉末，並使燒結成形的固化層疊加，生成所需形狀的製件，可以成形金屬、陶瓷、高分子材料等多種粉末材料。SLS技術具有加工周期短、可以成形複雜形狀結構的製件、材料利用率高(可達100％)、成本低等優點。利用SLS技術成形金屬/陶瓷製件時，需加入熔點較低的高分子粉末材料作為粘結劑，得到的SLS原型件依次通過脫脂和高溫燒結除去粘結劑，並使金屬/陶瓷顆粒之間建立初步的連接。高溫燒結後，原型件已具有一定的機械性能，但內部還有很多孔隙，緻密度較低，機械性能還不能完全達到使用要求，必須把這種多孔的製件緻密化，提高其機械性能。
冷等靜壓(CIP)技術通過施加外來壓力，使粉末顆粒發生位移、變形或碎裂，縮短顆粒間的距離，擴大粉末顆粒間的接觸面積，增強顆粒間機械嚙合的程度，具有壓坯均勻性好、可以成形複雜形狀的壓坯、機加工量少、節省原料等優點。冷等靜壓技術具有的這些優點，可以用來對金屬/陶瓷SLS製件進行後處理，提高製件的緻密度呵機械性能。
發明內容
本發明的目的在於提供一種金屬/陶瓷雷射燒結製件的後處理方法，該方法工藝過程簡單易行、低耗高效。
本發明提供的一種金屬/陶瓷雷射燒結製件的後處理方法，其步驟為
(1)對待處理的金屬/陶瓷雷射燒結製件進行脫脂處理和高溫燒結；(2)將高溫燒結後的製件附上包套，再放入冷等靜壓爐，進行加壓處理；附包套的方法如下將製件浸入矽橡膠溶液中，在製件表面均勻附著一層液體後，對製件進行加熱烘乾處理，使液體在製件表面形成封閉的保護膜；(3)對近淨成形得到的零件進行後續加工，使零件幾何尺寸和形狀符合要求。
本發明將快速成形技術中的選擇性雷射燒結(SLS)與冷等靜壓(CIP)技術結合起來，這種複合方法具備以下優點(1)採用SLS技術，可以成形複雜形狀結構的製件，特別是具有複雜的曲面和內部有孔的製件。
(2)經冷等靜壓，製件可以獲得均勻的緻密度。
(3)因經高溫燒結的SLS製件已經具有一定的密度和強度，冷等靜壓(CIP)的生產效率明顯提高，可提高50％～90％。
(4)冷等靜壓(HIP)過程採用的包套很簡單，免去了設計包套帶來的偏差。
(5)工藝過程簡單易行，低耗高效。
圖1為本發明金屬/陶瓷製件的選擇性雷射-熱等靜壓複合製造方法的工藝流程圖，其中，圖1(a)為雷射掃描切片處粉末；圖1(b)為雷射選擇性燒結成形的製件；圖1(c)為經脫脂和高溫燒結後的製件；圖1(d)為冷等靜壓；圖1(e)為最終製件。
具體實施例方式
下面結合附圖和實例對本發明的具體過程作進一步詳細的闡述(1)對待處理的金屬/陶瓷雷射燒結製件(即SLS製件)進行脫脂處理和高溫燒結，其目的是除去製件中的高分子粘結劑，同時使粉末顆粒之間建立聯結，提高製件的緻密度和強度。
(2)為高溫燒結後的SLS製件附上包套後，即可放入冷等靜壓爐，進行加壓處理。包套的設計方法如下將製件浸入包套溶液中，在製件表面均勻附著一層液體後，對製件進行加熱烘乾處理，使液體在製件表面形成封閉的保護膜，在冷等靜壓時起包套的作用。這裡的液體材料需具有如下特點a)與金屬/陶瓷有一定的潤溼性，可以附著在製件表面，且經加熱烘乾可以固化形成封閉的保護膜；b)形成的保護膜具有很好的彈性和抗撕裂性，在冷等靜壓過程中不會破裂。
包套溶液採用矽橡膠溶液，其中矽橡膠與有機溶劑的體積比約為1∶(0.8-1.5)，固化劑與矽橡膠溶液的體積百分比為1％-2％，其中，有機溶劑可以採用乙酸乙酯等可以將矽橡膠溶解的任一種有機溶劑，固化劑可以為室溫脂肪胺固化劑或環氧樹脂耐高溫固化劑等常規的矽橡膠溶液所使用的固化劑。
(3)對近淨成形得到的零件進行後續加工，如簡單機加工或表面處理，使零件幾何尺寸和形狀完全滿足要求。
金屬/陶瓷雷射燒結製件的製備可以採用現有技術，可以採用下述處理步驟進行(1)採用三維造型軟體設計出零件CAD三維模型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到SLS快速成形系統。
(2)送粉機構在工作平臺上平鋪一層約為0.02-0.2mm厚度的待加工粉末(粒徑約為10-60μm)。
(3)採用雷射功率大於等於50W的半導體泵浦YAG雷射器、光纖雷射器或CO2雷射器，雷射光斑為10-250μm，掃描間距為0.04-0.2mm，掃描速度為500-3000mm/s，對位於該層切片的粉末進行掃描燒結。
(4)重複上述步驟(2)-(3)，直至製成所需形狀的原型件。
本發明的實質是將熱等靜壓(CIP)技術應用到快速成形領域，對金屬選擇性雷射燒結(SLS)製件進行後處理加工，可以提高製件的緻密度和強度。同時冷等靜壓時包套設計簡單易行，免去了設計包套所帶來的偏差。因此，結合選擇性雷射燒結(SLS)技術和冷等靜壓(CIP)技術，可以成形複雜形狀結構、高性能的零件。
實例1(1)首先根據SLM製件經過熱等靜壓後可能出現的變形情況，利用三維造型軟體(如UG、Pro/E等)設計出零件熱等靜壓前的CAD三維模型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到SLM快速成形系統。
(2)送粉機構在工作平臺上平鋪一層約為0.1mm厚的已添加粘結劑的不鏽鋼粉末(粒徑約為20μm)，粘結劑為環氧樹脂，含量約4％。
(3)採用雷射功率大於等於50W的半導體泵浦YAG雷射器或光纖雷射器，雷射光斑直徑約為50μm，掃描速度約為2000mm/s，掃描間距約為0.1mm，對位於該層切片粉末進行掃描。
(4)重複上述步驟(2)-(3)，直至製成一個整體的、形狀符合需求的SLS製件。
(5)將SLS製件轉移到真空脫脂爐，抽真空，設定脫脂工藝路線為在室溫下經1小時升溫至200℃，1.5小時升溫至400℃，2.5小時升溫至460℃，2小時升溫至750℃，1小時升溫至950℃，保溫半小時後隨爐冷卻至室溫，出爐。
(6)將SLS製件轉移到真空燒結爐，抽真空，設定工藝路線為室溫下經1小時升溫至1100℃，保溫3小時，然後半小時升溫至1200℃，保溫2小時，冷卻到室溫出爐。
(7)將高溫燒結後的SLS製件浸入矽橡膠溶液中，使製件表面附著一層矽橡膠，轉移製件至烘乾爐，30℃～40℃下烘7～9小時，使矽橡膠在製件表面形成一層保護膜。其中，矽橡膠溶液的成分為室溫脂肪胺固化劑的體積分數為1.5％，矽橡膠與乙酸乙酯的體積比為1∶1。
(8)檢查保護膜是否封閉。若不是完全封閉，重複步驟(7)，直至製件表面形成一層完全封閉的保護膜。
(9)將表面已附著封閉保護膜的的製件轉移至冷等靜壓爐，以煤油和汽油等混合液態油為介質，快速加壓至2GPa，保壓5min。在壓力的作用下，SLS製件緻密度和機械性能大大提高，且幾何尺寸和形狀都基本符合要求。
(10)最後，對近淨成形得到的零件進行後續加工，使零件幾何尺寸和形狀完全滿足要求。
實例2(1)首先根據SLM製件經過熱等靜壓後可能出現的變形情況，利用三維造型軟體(如UG、Pro/E等)設計出零件熱等靜壓前的CAD三維模型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到SLM快速成形系統。
(2)送粉機構在工作平臺上平鋪一層約為0.1mm厚的已添加粘結劑的陶瓷粉末(主要成分為氧化鋁，粒徑約為80μm)，粘結劑為環氧樹脂，含量約5％。
(3)採用雷射功率大於等於50W的半導體泵浦YAG雷射器或光纖雷射器，雷射光斑約為50μm，掃描速度約為2000mm/s，掃描間距約為0.1mm，對位於該層切片粉末進行掃描。
(4)重複上述步驟(2)-(3)，直至製成一個整體的、形狀符合需求的SLS製件。
(5)將SLS製件轉移到真空爐，抽真空，進行脫脂和高溫燒結處理。設定脫脂工藝路線為在室溫下經1小時升溫至200℃，1小時升溫至450℃，1小時升溫至550℃，3小時升溫至1400℃，保溫6小時後隨爐冷卻至室溫，出爐。
(6)將高溫燒結後的SLS製件浸入矽溶膠溶液中，使製件表面附著一層矽溶膠，轉移製件至烘乾爐，80℃～100℃下烘7～9小時，使矽橡膠在製件表面形成一層保護膜。其中，矽橡膠溶液的成分為環氧樹脂耐高溫固化劑的體積分數為1.5％，矽橡膠與乙酸乙酯的體積比為1∶1。
(7)檢查保護膜是否封閉。若不是完全封閉，重複步驟(7)，直至製件表面形成一層完全封閉的保護膜。
(8)將表面已附著封閉保護膜的的製件轉移至冷等靜壓爐，以煤油和汽油等混合液態油為介質，快速加壓至3GPa，保壓6min。在壓力的作用下，SLS製件緻密度和機械性能大大提高，且幾何尺寸和形狀都基本符合要求。
(9)最後，對近淨成形得到的零件進行後續加工，使零件幾何尺寸和形狀完全滿足要求。
權利要求
1.一種金屬/陶瓷雷射燒結製件的後處理方法，其步驟包括(1)對待處理的金屬/陶瓷雷射燒結製件進行脫脂處理和高溫燒結；(2)將高溫燒結後的製件附上包套，再放入冷等靜壓爐，進行加壓處理；附包套的方法如下將製件浸入矽橡膠溶液中，在製件表面均勻附著一層液體後，對製件進行加熱烘乾處理，使液體在製件表面形成封閉的保護膜；(3)對近淨成形得到的零件進行後續加工，使零件幾何尺寸和形狀符合要求。
2.根據權利要求1所述的後處理方法，其特徵在於步驟(2)中矽橡膠溶液中，其中矽橡膠與有機溶劑的體積比為1∶0.8-1∶1.5，固化劑與矽橡膠溶液的體積百分比為1％-2％。
全文摘要
本發明公開了一種金屬/陶瓷雷射燒結製件的後處理方法。先對待處理的金屬/陶瓷雷射燒結製件進行脫脂處理和高溫燒結；再將高溫燒結後的製件附上包套，再放入冷等靜壓爐，進行加壓處理；附包套的方法為將製件浸入矽橡膠溶液中，在表面均勻附著一層液體後，進行加熱烘乾處理，使液體在製件表面形成封閉的保護膜；最後對近淨成形得到的零件進行後續加工，使零件幾何尺寸和形狀符合要求。本發明將快速成形技術中的選擇性雷射燒結(SLS)技術與冷等靜壓(CIP)技術結合起來，可以成形複雜形狀結構、高性能的製件。採用SLS技術，可以成形複雜形狀結構的製件，特別是具有複雜的曲面和內部有孔的製件。
文檔編號C04B41/45GK1970503SQ20061012522
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月1日 優先權日2006年12月1日
發明者史玉升, 黃樹槐, 劉錦輝, 張晶 申請人:華中科技大學