[发明专利]一种送浆式金属部件增材制造方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种金属部件增材制造方法及装置，更具体地说，涉及一种送浆式金属部件的增材制造方法及装置。

背景技术

增材制造技术是近年来材料科学、机械科学、信息科学等多学科交叉而快速发展起来的一项新兴制造技术，具有低成本、高性能、短周期、不受部件几何形状影响、无需模具等特点，被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。对于金属增材制造，目前的主要方法是依据CAD数据，利用热源(如激光、等离子弧、电子束等)加热金属材料，使其熔化再凝固，通过逐层累加材料熔层制造实体零件，材料由点、线、面、体顺序累积成型，实现自下而上构件制造。

而金属构件增材制造采用的同步添加材料主要有两种：粉末和丝材。其中，粉末材料加工成本相对较低，受材料性能影响较小；同时，易于熔化，对热源能量密度要求低，熔池形态易于控制，加工过程稳定，但采用粉末进行填充时有如下缺点：

(1)粉末在输运过程中以及同热源交互作用的烧损过程容易导致粉末利用率低，仅为20％-30％。

(2)存在粉尘污染，对环境及工人身体健康造成危害。

(3)送粉过程对粉末的外形和粒度要求较高，只有具有接近圆形粒度始终的粉末才能获得较为稳定的送粉过程，当采用纳米材料时由于材料本身较高的团聚和吸附性能，粉末常常会吸附在管壁上造成送粉过程的失败。

(4)送粉量调节响应效果差，从送分量调整到喷嘴出粉需要一定响应时间。

相比较于粉末材料，采用丝材时，材料利用率高，可达90％以上，而且送丝调节响应快，无粉尘污染，但其同样存在有如下缺点：

(1)采用丝材需要较高成本的丝材制造设备进行丝材拉拔。

(2)塑性较差的金属合金难以制造成丝材。

(3)丝材添加时对位置适应性差，一般仅适用于水平位置。

(4)丝材金属难于熔化，需要较高能量密度热源，且热源与送丝的协调性要求严格，易出现粘丝、顶丝等问题。

综上可见，常用的送粉式和送丝式金属增材制造技术各有优缺点，但共同的是都无法较好地适应实际生产要求。而将金属粉末与粘结剂及有机溶剂调制为浆状材料，作为金属增材制造的添加材料，则可克服粉末与丝材的缺点，同时又可综合两者的优点，具有材料利用率高、材料制作成本相对较低、无粉尘污染、送料过程稳定可控且调节响应快等特点。目前浆状材料主要用于金属粉末注射成形技术，但该技术是首先将料浆注入模具成形，然后对成形后的材料进行脱脂、烧结来制造金属部件；其对注浆设备要求较高，且部件成形仍需借助模具。而将浆状材料应用于三维金属部件增材制造的研究尚未开展，也未见提出或进行相似工作的相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有金属增材制造技术存在的问题和缺陷，提供一种送浆式金属增材制造方法及装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种送浆式金属部件增材制造方法，包括以下步骤：

(1)将金属粉末进行球磨至粉末粒径为100nm～100μm；

(2)将步骤(1)获得的金属粉末与粘结剂按质量比20:1～1:1进行调和；

(3)将步骤(2)调和获得的材料与有机溶剂按质量比10:1～1:1进行调制成浆状材料；

(4)将步骤(3)获得的料浆置于送浆装置中，将送浆装置中的喷嘴及热源通过支架安置于基板上表面，其中喷嘴中心轴线与基板表面的夹角α为50～70°，热源中心线与基板表面的夹角β为60～90°；热源中心线和喷嘴中心轴线与基板表面交点的距离d为0～5mm；通过送浆装置的喷嘴将料浆以1～8m/min的送浆速度喷于连有热源的基板上进行加热熔化形成熔池；喷嘴与热源同时移动，按设计要求在基板上完成第一道料浆层的加工；

(5)将喷嘴与热源移至预定位置，按设计要求完成第二道料浆层的加工；

(6)重复步骤(5)，直至完成三维金属部件的制造。

上述步骤(1)中所述的金属粉末为碳钢、合金钢、不锈钢、铝/铝合金、铜/铜合金、钛/钛合金中的任一种。

上述步骤(2)中所述的粘结剂按质量百分比含量由聚乙烯醇缩丁醛树脂为1～20％，聚乙二醇为1～20％，余量为酒精混合而成。

上述步骤(3)中所述的有机溶剂为酒精或丙酮。

上述步骤(4)中所述的热源可为激光或等离子弧热源。

为了达到上述目的，本发明采用的另一个技术方案是：