基于凝膠注模的金屬件分段增材制造工藝研究

顧永華　樂其河

[摘 要]探討基于凝膠注模技術的分段增減材復合工藝以制備復雜金屬件。根據(jù)零件的成型約束將工件分為若干段，每段通過注模和雕刻相結(jié)合的方法，經(jīng)多次注模和雕刻制得金屬粉末成型坯體，燒結(jié)后獲得金屬件。實驗表明：以1.6%海藻酸鈉為分散劑、1.4%明膠為粘結(jié)劑、固相含量56%HDH鈦粉可以配制成粘度低于1000mPa·s的凝膠漿料體系，凝膠坯經(jīng)真空冷凍干燥后抗彎強度可達6.94MPa；微波燒結(jié)后凝膠連接界面消失，獲得致密金屬件。凝膠注模與分段雕刻相結(jié)合的復合工藝是制備復雜金屬件的一種有效方法，是一種綠色、低成本、高可靠的金屬成形技術。

[關鍵詞]凝膠注模；增材制造；分段；

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）15-0099-01

1.引言

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料切削加工技術，是一種“自下而上”的制造方法，俗稱3D打印技術[1]。近三十年來，AM技術取得了快速發(fā)展，其優(yōu)勢在于三維結(jié)構(gòu)的快速和自由制造，被廣泛應用于新品開發(fā)、單件小批量制造。AM已經(jīng)成為制造業(yè)技術創(chuàng)新的一種有效手段，并且符合綠色制造的發(fā)展方向，被譽為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術，是大批量制造模式向個性化制造模式發(fā)展的引領技術之一[2]-[5]。

凝膠注模（gel-casting）是一種近凈成形技術，可用于陶瓷成形和粉末冶金[6]-[11]，本研究將增材制造與凝膠注模技術相結(jié)合，提出一種基于凝膠注模的分段增減材復合成型工藝，用以成形復雜金屬工件。

2.工藝原理與試驗

有別于典型增材制造工藝的離散單元自由堆積，分段增材制造采用離散單元約束成型與連接，分段注射/雕刻（Decomposed Injection Sculpturing，簡稱DIS）工藝是一種增減材復合廣義增材制造工藝[12]。首先對零件進行三維離散，將零件分成若干“段”。在切削直接加工“段”，不能直接加工的“段”則通過注射支撐材料并加工出相應的“負型”，然后注射工件材料，通過注射工件材料/支撐材料、數(shù)控加工交替過程，實現(xiàn)零件的成型。

在DIS的基礎上，以金屬粉末凝膠漿料做為工件材料，經(jīng)凝膠注模/數(shù)控切削多次交互后獲得復雜形狀凝膠坯，燒結(jié)后得到最終金屬件。

為驗證工藝可行性，設計了整體分為兩段凝膠注模成型的測試件。金屬粉末采用粒度在48μm～380μm之間的HDH鈦粉（寶雞泉興鈦業(yè)有限公司），支撐材料采用石蠟。凝膠體系以海藻酸鈉為分散劑，明膠為粘結(jié)劑。

將明膠與去離子水混合，加入適當?shù)暮Ｔ逅徕c，得到預混液，再加入HDH鈦粉末攪拌，得到高固相含量并具有一定流動性的漿料，將漿料注入石蠟切削后獲得型腔中，漿料固化形成凝膠，經(jīng)真空冷凍干燥獲得一次注模坯，坯體經(jīng)數(shù)控加工整形后進行二次凝膠注模，最終制得分段金屬粉末坯體，經(jīng)坯體采用微波燒結(jié)完成金屬測試件成形。

3.結(jié)果與分析

3.1 凝膠體系的影響

為了制備金屬復雜件，凝膠漿料的表觀粘度越低越好，適宜漿料澆注的表觀粘度應在1000mPa·s以下，同時要求高的固相含量。實驗表明過多和過少的分散劑含量都不利于凝膠注模的成型。在一定范圍內(nèi)增加分散劑的含量，漿料的粘度通常變化范圍不大，當分散劑的量達到一定值時，反而會起到增加液相中聚電解質(zhì)含量的作用，過剩的聚電解質(zhì)相互橋聯(lián)構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)極大的限制了粉末顆粒間的運動，從而導致漿料混凝，粘度增大。因此，必須加入適量的分散劑，使得漿料具有粘度低、高分散效果。通過海藻酸鈉含量與抗彎強度關系曲線可知抗彎強度隨著分散劑含量的增加而增加，結(jié)合表觀粘度與海藻酸鈉關系曲線可以得出要獲得分散效果好，有一定強度的坯體以及適宜澆注的漿料，應該選擇海藻酸鈉的含量為1.6%。實驗表明在攪拌4min鐘后，溶液表觀粘度在24mPa·s左右波動，可以獲取穩(wěn)定的分散體系。

3.2 凝膠粘結(jié)體系的影響

通過實驗，漿料的表觀粘度和坯體的抗彎強度都隨著粘結(jié)劑明膠含量的增加而增加。當明膠的含量超過1.4%時，漿料的表觀粘度急劇增加，且超過了1000mPa·s，不利于澆注。

3.3 固相含量的影響

為了使坯體具有足夠的強度，必須提高漿料的固相含量，固相含量的提高也使得漿料表觀粘度的顯著升高。然而為了能夠制造復雜的薄壁零件，要求漿料的表觀粘度越低越好，因此，高固相含量和低的表觀粘度是一個矛盾體，在保證適宜的澆注條件下選取盡量高的固相含量。56%固相含量既能滿足生坯的強度，漿料又具有良好的流動性。

3.4 分段凝膠

為了研究分段凝膠的特性，通過在模具里分次配制、分段澆注鈦粉漿料，并研究坯體干燥燒結(jié)后界面的結(jié)合情況。

3.5 微波燒結(jié)

凝膠坯體通過1050℃、30min真空微波燒結(jié)（長沙隆泰微波熱工有限公司，HAMiLab-HV3型真空微波實驗爐）。燒結(jié)后的顯微金相圖表明：試件燒結(jié)后存在較多孔隙，不是完全致密化金屬，但無論是端部還是心部，微波燒結(jié)后分段凝膠的分界面已消失，可見基于分段凝膠注模的增材制造工藝，可以通過多次注模制得復雜坯體，燒結(jié)后獲得完整金屬件。

結(jié)論

1）基于凝膠注模的分段增材制造工藝是一種綠色、高效的金屬件制備工藝方法。

2）采用固相含量56%HDH鈦，海藻酸鈉含量1.6%，明膠含量1.4%可以制備澆注性能優(yōu)良的凝膠注模漿料。

3）HDH鈦二次凝膠注模的界面在微波燒結(jié)后消失，坯體多次澆注連接對燒結(jié)的整體性不構(gòu)成影響。

參考文獻

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[12] 趙寶民，江開勇，顧永華.分段沉積雕銑成形工藝的材料選擇問題[J].華僑大學學報自然科學版，2005.26（4）：401-403.

基金項目

福建省自然科學基金資助項目（2014J01190），泉州市科技計劃項目（2015Z126）。

作者簡介

顧永華（1977- ），講師，博士研究生，研究方向：增材制造。

Email：yh_gu@vip.163.com。