[发明专利]一种采用光固化3D打印制备三维结构硬质合金的方法

说明书

提供了一种采用光固化3D打印制备三维结构硬质合金的方法，采用水溶性钨盐作为钨源、水溶性钴盐作为钴源制备可打印的墨水，并运用光固化3D打印成型三维结构的坯体，再结合高温后处理工艺进行处理，最后获得三维结构硬质合金。该方法制备策略巧妙，3D打印的硬质合金表面质量高，对原材料要求低，成本低，适宜于工业生产应用。

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种采用光固化3D打印制备三维结构硬质合金的方法。

背景技术

硬质合金是以一种或多种难熔金属的碳化物(如WC或TiC)为基体，以过渡族金属(如Fe、Co、Ni及其合金)为粘结相的多相复合材料。因其较高的硬度、强度、弹性模量、韧性和耐磨性，以及良好的耐腐蚀性和抗热冲击性等优异的综合性能，硬质合金的应用已经从加工工具的金属切削拓展到石油钻井、采矿工程和电子通讯等诸多领域，并且长期占据着重要地位，被誉为“工业的牙齿”。

目前，硬质合金主要采用粉末冶金方法生产，即先混合、研磨原料粉末，再压制成形零部件坯体，然后排胶并烧结致密化为硬质合金部件，最后根据产品外形和精度的要求，打磨、侵蚀或抛光烧结体，获得硬质合金成品。该方法工艺虽然成熟、稳定，被用于大规模生产，但是仅适合于制备形状和结构较为简单的产品。此外，粉末冶金工艺中所采用的模具需根据产品外形和尺寸要求进行设计、加工。这导致产品研发和生产周期冗长，并且随着产品形状复杂度的增加而急剧延长。对于某些复杂异性的产品，复杂模具的制备异常困难甚至无法制备。然而，随着硬质合金应用领域的拓展，越来越多复杂结构的硬质合金异形制品因应用环境和使用需求而被提出。

3D打印技术(3D Printing)的出现为复杂异形硬质合金产品的制造提供了解决途径。目前，用于研究硬质合金3D打印的方法主要有：基于高能束的激光选区熔化(SelectiveLaser Melting,SLM)/激光选区烧结(Selective Laser Sintering,SLS)/激光工程化净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)；基于挤出成型的熔丝制造(Fused FilamentFabrication,FFF)/直写成型(Direct Ink Writing,DIW)；以及基于喷射的粘结剂喷射打印(Binder Jet Printing,BJP)等。

但是这些3D打印方法均存在诸多问题。例如：

基于高能束的SLM/SLS/LENS等方法不仅对原材料粉体性能要求高(纯度高、粒径细小、粒度分布窄、球形度高、流动性好和松装密度高等)，而且在打印过程中WC相在高能光束的照射下极易失碳转变为W₂C导致物相不纯；

基于挤出成型的DIW和FFF3D所打印的硬质合金表面质量较差，存在明细的层间痕迹，局部内部有不连续的大孔洞和弥散分别的小孔洞；

与基于高能束的SLS/SLM等方法相同，基于喷射的BJP方法也对硬质合金粉体性能有要求，且成型的硬质合金部件形状简单。

由此，亟需一种新的3D打印制备三维结构硬质合金的方法来解决上述技术问题。

发明内容

为此，本发明提供了一种采用光固化3D打印制备三维结构硬质合金的方法，其中，采用水溶性钨盐作为钨源、水溶性钴盐作为钴源制备可打印的墨水，并运用光固化3D打印成型三维结构的坯体，再结合高温后处理工艺进行处理，最后获得三维结构硬质合金。

本发明提供了一种光固化3D打印制备三维结构硬质合金的方法，包括：

(1)制备墨水：将一定比例的溶剂、水溶性钨盐、水溶性钴盐、有机功能单体以及光引发剂进行混合，制得打印墨水；

(2)光固化3D打印：将步骤(1)制得的打印墨水装入光固化3D打印机中进行光固化3D打印，得到三维结构的前驱体；

(3)干燥后处理：对步骤(3)得到的三维结构前驱体进行干燥处理，得到干燥前驱体；