CN100432025C - 一种金属/陶瓷激光烧结制件的后处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属/陶瓷激光烧结制件的后处理方法。先对待处理的金属/陶瓷激光烧结制件进行脱脂处理和高温烧结；再将高温烧结后的制件附上包套，再放入冷等静压炉，进行加压处理；附包套的方法为：将制件浸入硅橡胶溶液中，在表面均匀附着一层液体后，进行加热烘干处理，使液体在制件表面形成封闭的保护膜；最后对近净成形得到的零件进行后续加工，使零件几何尺寸和形状符合要求。本发明将快速成形技术中的选择性激光烧结(SLS)技术与冷等静压(CIP)技术结合起来，可以成形复杂形状结构、高性能的制件。采用SLS技术，可以成形复杂形状结构的制件，特别是具有复杂的曲面和内部有孔的制件。
Description
技术领域
本发明属于快速成形技术领域，具体为一种金属/陶瓷激光烧结制件的后处理方法。
背景技术
选择性激光烧结(SLS)技术是近年来发展非常迅速的一种快速成形技术，它采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成形的固化层叠加，生成所需形状的制件，可以成形金属、陶瓷、高分子材料等多种粉末材料。SLS技术具有加工周期短、可以成形复杂形状结构的制件、材料利用率高(可达100％)、成本低等优点。利用SLS技术成形金属/陶瓷制件时，需加入熔点较低的高分子粉末材料作为粘结剂，得到的SLS原型件依次通过脱脂和高温烧结除去粘结剂，并使金属/陶瓷颗粒之间建立初步的连接。高温烧结后，原型件已具有一定的机械性能，但内部还有很多孔隙，致密度较低，机械性能还不能完全达到使用要求，必须把这种多孔的制件致密化，提高其机械性能。
冷等静压(CIP)技术通过施加外来压力，使粉末颗粒发生位移、变形或碎裂，缩短颗粒间的距离，扩大粉末颗粒间的接触面积，增强颗粒间机械啮合的程度，具有压坯均匀性好、可以成形复杂形状的压坯、机加工量少、节省原料等优点。冷等静压技术具有的这些优点，可以用来对金属/陶瓷SLS制件进行后处理，提高制件的致密度和机械性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属/陶瓷激光烧结制件的后处理方法，该方法工艺过程简单易行、低耗高效。
本发明提供的一种金属/陶瓷激光烧结制件的后处理方法，其步骤为：
(1)对待处理的金属/陶瓷激光烧结制件进行脱脂处理和高温烧结；
(2)将高温烧结后的制件附上包套，再放入冷等静压炉，进行加压处理；附包套的方法如下：
将制件浸入硅橡胶溶液中，在制件表面均匀附着一层液体后，对制件进行加热烘干处理，使液体在制件表面形成封闭的保护膜；
(3)对近净成形得到的零件进行后续加工，使零件几何尺寸和形状符合要求。
本发明将快速成形技术中的选择性激光烧结(SLS)与冷等静压(CIP)技术结合起来，这种复合方法具备以下优点：
(1)采用SLS技术，可以成形复杂形状结构的制件，特别是具有复杂的曲面和内部有孔的制件。
(2)经冷等静压，制件可以获得均匀的致密度。
(3)因经高温烧结的SLS制件已经具有一定的密度和强度，冷等静压(CIP)的生产效率明显提高，可提高50％～90％。
(4)冷等静压(HIP)过程采用的包套很简单，免去了设计包套带来的偏差。
(5)工艺过程简单易行，低耗高效。
附图说明
图1为本发明金属/陶瓷制件的选择性激光-热等静压复合制造方法的工艺流程图，其中，图1(a)为激光扫描切片处粉末；图1(b)为激光选择性烧结成形的制件；图1(c)为经脱脂和高温烧结后的制件；图1(d)为冷等静压；图1(e)为最终制件。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的具体过程作进一步详细的阐述：
(1)对待处理的金属/陶瓷激光烧结制件(即SLS制件)进行脱脂处理和高温烧结，其目的是除去制件中的高分子粘结剂，同时使粉末颗粒之间建立联结，提高制件的致密度和强度。
(2)为高温烧结后的SLS制件附上包套后，即可放入冷等静压炉，进行加压处理。包套的设计方法如下：将制件浸入包套溶液中，在制件表面均匀附着一层液体后，对制件进行加热烘干处理，使液体在制件表面形成封闭的保护膜，在冷等静压时起包套的作用。这里的液体材料需具有如下特点：a)与金属/陶瓷有一定的润湿性，可以附着在制件表面，且经加热烘干可以固化形成封闭的保护膜；b)形成的保护膜具有很好的弹性和抗撕裂性，在冷等静压过程中不会破裂。
包套溶液采用硅橡胶溶液，其中硅橡胶与有机溶剂的体积比约为1∶(0.8-1.5)，固化剂与硅橡胶溶液的体积百分比为1∶100-2∶100，其中，有机溶剂可以采用乙酸乙酯等可以将硅橡胶溶解的任一种有机溶剂，固化剂可以为室温脂肪胺固化剂或环氧树脂耐高温固化剂等常规的硅橡胶溶液所使用的固化剂。
(3)对近净成形得到的零件进行后续加工，如简单机加工或表面处理，使零件几何尺寸和形状完全满足要求。
金属/陶瓷激光烧结制件的制备可以采用现有技术，可以采用下述处理步骤进行：
(1)采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLS快速成形系统。
(2)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.02-0.2mm厚度的待加工粉末(粒径约为10-60μm)。
(3)采用激光功率大于等于50W的半导体泵浦YAG激光器、光纤激光器或CO2激光器，激光光斑为10-250μm，扫描间距为0.04-0.2mm，扫描速度为500-3000mm/s，对位于该层切片的粉末进行扫描烧结。
(4)重复上述步骤(2)-(3)，直至制成所需形状的原型件。
本发明的实质是将冷等静压(CIP)技术应用到快速成形领域，对金属选择性激光烧结(SLS)制件进行后处理加工，可以提高制件的致密度和强度。同时冷等静压时包套设计简单易行，免去了设计包套所带来的偏差。因此，结合选择性激光烧结(SLS)技术和冷等静压(CIP)技术，可以成形复杂形状结构、高性能的零件。
实例1
(1)首先根据SLM制件经过热等静压后可能出现的变形情况，利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出零件热等静压前的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM快速成形系统。
(2)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.1mm厚的已添加粘结剂的不锈钢粉末(粒径约为20μm)，粘结剂为环氧树脂，含量约4％。
(3)采用激光功率大于等于50W的半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器，激光光斑直径约为50μm，扫描速度约为2000mm/s，扫描间距约为0.1mm，对位于该层切片粉末进行扫描。
(4)重复上述步骤(2)-(3)，直至制成一个整体的、形状符合需求的SLS制件。
(5)将SLS制件转移到真空脱脂炉，抽真空，设定脱脂工艺路线为：在室温下经1小时升温至200℃，1.5小时升温至400℃，2.5小时升温至460℃，2小时升温至750℃，1小时升温至950℃，保温半小时后随炉冷却至室温，出炉。
(6)将SLS制件转移到真空烧结炉，抽真空，设定工艺路线为：室温下经1小时升温至1100℃，保温3小时，然后半小时升温至1200℃，保温2小时，冷却到室温出炉。
(7)将高温烧结后的SLS制件浸入硅橡胶溶液中，使制件表面附着一层硅橡胶，转移制件至烘干炉，30℃～40℃下烘7～9小时，使硅橡胶在制件表面形成一层保护膜。其中，硅橡胶溶液的成分为：室温脂肪胺固化剂的体积分数为1.5％，硅橡胶与乙酸乙酯的体积比为1∶1。
(8)检查保护膜是否封闭。若不是完全封闭，重复步骤(7)，直至制件表面形成一层完全封闭的保护膜。
(9)将表面已附着封闭保护膜的的制件转移至冷等静压炉，以煤油和汽油等混合液态油为介质，快速加压至2GPa，保压5min。在压力的作用下，SLS制件致密度和机械性能大大提高，且几何尺寸和形状都基本符合要求。
(10)最后，对近净成形得到的零件进行后续加工，使零件几何尺寸和形状完全满足要求。
实例2
(1)首先根据SLM制件经过热等静压后可能出现的变形情况，利用三维造型软件(如UG、Pro/E等)设计出零件热等静压前的CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM快速成形系统。
(2)送粉机构在工作平台上平铺一层约为0.1mm厚的已添加粘结剂的陶瓷粉末(主要成分为氧化铝，粒径约为80μm)，粘结剂为环氧树脂，含量约5％。
(3)采用激光功率大于等于50W的半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器，激光光斑约为50μm，扫描速度约为2000mm/s，扫描间距约为0.1mm，对位于该层切片粉末进行扫描。
(4)重复上述步骤(2)-(3)，直至制成一个整体的、形状符合需求的SLS制件。
(5)将SLS制件转移到真空炉，抽真空，进行脱脂和高温烧结处理。设定脱脂工艺路线为：在室温下经1小时升温至200℃，1小时升温至450℃，1小时升温至550℃，3小时升温至1400℃，保温6小时后随炉冷却至室温，出炉。
(6)将高温烧结后的SLS制件浸入硅溶胶溶液中，使制件表面附着一层硅溶胶，转移制件至烘干炉，80℃～100℃下烘7～9小时，使硅橡胶在制件表面形成一层保护膜。其中，硅橡胶溶液的成分为：环氧树脂耐高温固化剂的体积分数为1.5％，硅橡胶与乙酸乙酯的体积比为1∶1。
(7)检查保护膜是否封闭。若不是完全封闭，重复步骤(7)，直至制件表面形成一层完全封闭的保护膜。
(8)将表面已附着封闭保护膜的的制件转移至冷等静压炉，以煤油和汽油等混合液态油为介质，快速加压至3GPa，保压6min。在压力的作用下，SLS制件致密度和机械性能大大提高，且几何尺寸和形状都基本符合要求。
(9)最后，对近净成形得到的零件进行后续加工，使零件几何尺寸和形状完全满足要求。
Claims (2)
1、一种金属/陶瓷激光烧结制件的后处理方法，其步骤包括：
(1)对待处理的金属/陶瓷激光烧结制件进行脱脂处理和高温烧结；
(2)将高温烧结后的制件附上包套，再放入冷等静压炉，进行加压处理；附包套的方法如下：
将制件浸入硅橡胶溶液中，在制件表面均匀附着一层液体后，对制件进行加热烘干处理，使液体在制件表面形成封闭的保护膜；
(3)对近净成形得到的零件进行后续加工，使零件几何尺寸和形状符合要求。
2、根据权利要求1所述的后处理方法，其特征在于：步骤(2)中硅橡胶溶液中，其中硅橡胶与有机溶剂的体积比为1∶0.8-1∶1.5，固化剂与硅橡胶溶液的体积百分比为1∶100-2∶100。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20081112 |