顧永華　樂其河

[摘 要]探討基于凝膠注模技術(shù)的分段增減材復(fù)合工藝以制備復(fù)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度可達(dá)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(fù)合工藝是制備復(fù)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(shù)。

[關(guān)鍵詞]凝膠注模；增材制造；分段；

中圖分類號：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”的制造方法，俗稱3D打印技術(shù)[1]。近三十年來，AM技術(shù)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(yīng)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(shù)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(yù)為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)，是大批量制造模式向個(gè)性化制造模式發(fā)展的引領(lǐng)技術(shù)之一[2]-[5]。

凝膠注模（gel-casting）是一種近凈成形技術(shù)，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(shù)相結(jié)合，提出一種基于凝膠注模的分段增減材復(fù)合成型工藝，用以成形復(fù)雜金屬工件。

2.工藝原理與試驗(yàn)

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(fù)合廣義增材制造工藝[12]。首先對零件進(jìn)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(yīng)的“負(fù)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(shí)現(xiàn)零件的成型。

在DIS的基礎(chǔ)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(fù)雜形狀凝膠坯，燒結(jié)后得到最終金屬件。

為驗(yàn)證工藝可行性，設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)暮Ｔ逅徕c，得到預(yù)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(dòng)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(jìn)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(fù)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(yīng)在1000mPa·s以下，同時(shí)要求高的固相含量。實(shí)驗(yàn)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(dāng)分散劑的量達(dá)到一定值時(shí)，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(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)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(qiáng)度關(guān)系曲線可知抗彎強(qiáng)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(guān)系曲線可以得出要獲得分散效果好，有一定強(qiáng)度的坯體以及適宜澆注的漿料，應(yīng)該選擇海藻酸鈉的含量為1.6%。實(shí)驗(yàn)表明在攪拌4min鐘后，溶液表觀粘度在24mPa·s左右波動(dòng)，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(shí)驗(yàn)，漿料的表觀粘度和坯體的抗彎強(qiáng)度都隨著粘結(jié)劑明膠含量的增加而增加。當(dāng)明膠的含量超過1.4%時(shí)，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(qiáng)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(fù)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(gè)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(qiáng)度，漿料又具有良好的流動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(fù)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(xiàn)

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基金項(xiàng)目

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014J01190），泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)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。