[发明专利]一种3D打印-冷等静压制备钛合金多级齿轮的方法

说明书

一种3D打印‑冷等静压制备钛合金多级齿轮的方法。先利用光固化打印机或熔融沉积成型(FDM)3D打印机打印出实体模具再制备空腔模具或直接打印出空腔模具，然后将钛合金粉装填在空腔模具中，经一定压力和保压时间的冷等静压成型制得密度均匀的生坯，最后经脱模、真空烧结和精加工制得所需的钛合金多级齿轮。该方法的优点是：选择了性能优异的钛合金粉作为生产多级齿轮的原料，且结合了3D打印技术在成形上的优势和粉末冶金冷等静压技术、烧结技术在性能上的优势，可制备尺寸精度高的钛合金多级齿轮，通过控氧、不添加有机物粘结剂成型，制备的多级齿轮杂质含量少、无组织偏析、性能优异，且本工艺耗时短、效率高、成本低，具有广泛的社会意义和经济效益。

技术领域

本发明涉及一种3D打印-冷等静压制备钛合金多级齿轮的方法，属于3D打印技术领域及金属粉末成形领域。

背景技术

钛合金是继钢、铝之后重要的金属结构材料，具有密度低、比强度高、耐热性强、耐蚀性好、生物相容性优异等性能，且当氧、氢、氮等含量较低时，在超低温条件下仍具有良好的延展性和韧性。其还被誉为“21世纪的金属”，是极具发展前景的结构材料。钛及其合金不仅在航空航天领域有着十分重要的应用，在化工、石油、轻工、冶金、汽车、生物医疗、体育休闲等行业也有着广泛的应用前景，并已成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料。目前，主要采用传统的切削加工工艺制备多级齿轮，即采用棒料毛坯(直径较大的采用锻造毛坯)，经车端面、钻孔、车内外圈、滚齿、剃齿及热处理等多道工序成形。该方法加工难度大、生产效率低、组织结构不均匀、浪费原材料，使企业的效益受到影响；并因为在加工时材料的组织结构容易被破坏，使齿轮强度不高，影响其承载能力。而虽然3D打印技术中的选区激光烧结技术可以直接打印钛合金，完成一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构节约材料，适用于定制，小批量生产，但该技术的成本极高，对原料的要求高，仅球形钛合金粉原料的成本就高达3000～6000元/kg，且打印效率低，打印精度不高。因此，开发钛合金多级齿轮新的成型工艺具有广泛的社会意义和经济效益。

粉末冶金是以粉末作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料及各类型制品的工艺技术。与铸造法相比，粉末冶金技术能够最大限度地减少合金成分偏析，消除粗大、不均匀的铸造组织，提高制品性能；能够实现近净成形和自动化批量生产，有效降低资源和能源消耗。而且粉末冶金技术不通过熔化金属而制取高性能致密材料，解决了熔铸法制备金属材料时遇到的难题。但在异形件的直接成形上，使用的注射成形技术需加入质量分数高达20％的有机物，造成脱脂过程繁琐，粘结剂的熔化或挥发使坯体的强度降低，易形成缺陷甚至倒塌，降低了其质量的稳定性，且生坯烧结后致密度低，孔隙率高约有18％～25％，影响了高强度合金的应用。而冷等静压技术成型钛合金多级齿轮中的粉末不需添加任何有机物，能制造干净、高性能、高复杂形状的钛合金多级齿轮，且成型的钛合金多级齿轮只需进一步少量加工甚至不需进一步加工，节省材料和时间。

本发明提供了一种3D打印-冷等静压制备钛合金多级齿轮及其方法，首先利用3D打印技术打印热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、石蜡等软丝材料的空腔模具或打印实体模具，然后涂刷弹性材料制备薄的内层模具，再在内层模具外浇常温有一定强度但冷等静压过程中可以均匀收缩的热塑性材料如石蜡，最后经过脱模、冷等静压、烧结工艺制备钛合金多级齿轮。利用光固化或熔融沉积成型(FDM)原理的3D打印技术和粉末冶金冷等静压技术复合成型钛合金多级齿轮，并优化其形状尺寸及性能、降低生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印-冷等静压成型制备的钛合金多级齿轮及其方法。即，先利用3D打印技术打印出空腔模具或打印出任意材料、低填充率的实体模具，再制备空腔模具；然后选择合适的钛合金粉装填在空腔模具中；最后冷等静压制备钛合金多级齿轮生坯，经脱模、真空烧结和精加工后可获得强度高、尺寸精度高的钛合金多级齿轮。本发明的优势在于选择了性能优异的钛合金作为生产多级齿轮的原料，且结合了3D打印技术在成形上的优势和冷等静压技术、烧结技术在性能方面的优势，高效率、低成本地制造出了复杂形状的钛合金多级齿轮。选择的钛合金烧结致密度能达到99％左右，整个制备工艺流程时间仅需2～3小时。