CN113751704B - 一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金及制备和打印方法 - Google Patents

一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金及制备和打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造研究领域，特别提供了一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金及制备和打印方法。该方法首先功能化的碳纳米管与聚酰胺复合，并通过溶解沉淀的方法将其覆膜在钨合金粉末上，将所得粒料进行研磨制备出用于选区激光烧结打印的粉料。因使用了功能化的碳纳米管，增加了改性粉末对激光的吸收率，采用30‑40W的激光功率便可对其进行打印，即可制备出形状复杂的钨基合金零件；坯体强度可达15‑25MPa。烧结后其致密度可达95％，本发明为钨合金零件的增材制造提供了新的思路，具有可以低成本制备单件或小批量零件的优点。

Description

一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金及制备和打印方法
技术领域
本发明属于增材制造研究领域，具体涉及一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金及制备和打印方法。
背景技术
钨基高密度合金，也被称作“高比重合金”。由于其密度高、强度高、延性好、韧性好、热膨胀系数小等一系列优异特性而被广泛应用于信息、能源、冶金、航空航天、国防军工和核工业等领域。但目前，对钨基合金零件的定制化要求更高，但由于该类材料的本征脆性限制了其加工方式，且制备成本高。而使用间接选取激光烧结3D打印技术，从而可低成本制备出高性能的钨基高密度合金。
发明内容
为了克服钨基高密度合金的加工脆性高的问题，本发明提供了一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金及制备和打印方法，该方法结合了传统覆膜工艺与增材制造的近净成形的优点，同时提供了足够的坯体强度，具有重要的商业推广价值。
本发明采用的技术方案：一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金，所述覆膜钨合的各个组分比例为：钨合金粉末：96-98wt％，功能化复合材料：2-4wt％。
进一步，所述功能化复合材料包括：功能化的碳纳米管和聚酰胺，二者之间的比例为1-9:1-10。
本发明的另一目的是提供一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1)制备功能化碳纳米管；
S2)将S1)制备的到能化碳纳米管、钨合金粉末、聚酰胺和混合溶剂按照一定的比例混合，通过溶解沉淀的方式获得由功能化碳纳米管-聚酰胺复合材料覆膜的钨合金粉末。
进一步，所述S1)的具体步骤为：
S1.1)按照份数比为1:1的比例将碳纳米管加入到对氨基苯甲酸中使碳纳米管酸化；
S1.2)将)酸化后的碳纳米管与100份聚邻苯二甲酰胺混合，在135-145℃下搅拌2-4h；通入氮气作为保护气体，加入15-25份五氧化二磷，充分反应24-48h。将所得产物进行反复抽滤，即得到功能化的碳纳米管。
进一步，所述S2)的具体步骤为：
S2.1)将40-50份钨合金粉末、50-60份聚酰胺颗粒、混合溶剂和10-20份功能化碳纳米管加入反应器中；
S2.2)将S1)所述反应器抽真空并加入氮气保护，加热至140-150℃，以400-500rpm的搅拌速度搅拌溶液；
S2.3)以5-10℃/h的冷却速度冷却溶液至105℃，保温，烘干；
S2.4)将所得的沉淀物进行研磨，即得到功能化的碳纳米管-聚酰胺复合覆膜的钨合金粉末，覆膜层厚度为10-20μm。
进一步，所述聚酰胺包括：尼龙12、尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙11和尼龙12。
进一步，所述混合溶剂为：正丁醇：二甲苯按照比例为1：7wt/wt混合而成。
本发明还一种采用上述的覆膜钨合金打印复杂形状的钨基合金零件的方法，所述方法的步骤如下：
将覆膜钨合金粉末按照所需零件形状进行铺粉，加入选区激光烧结设备中，采用一定的激光功率对其进行打印，即可制备出形状复杂的钨基合金零件从而得到兼具复杂形状和一定强度的打印坯体；
在进行脱脂烧结，即得到复杂形状的钨基合金零件。
进一步，所述激光功率为：30-40W，铺粉厚度为50-200μm，扫描速度为600-1000mm/s的打印参数，对其选区粘结，从而得到兼具复杂形状和一定强度的打印坯体。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明的方法通过溶解沉淀的方法复合材料覆膜在钨合金粉末上，复合材料中功能化的碳纳米管，增加了改性粉末对激光的吸收率，采用30-40W的激光功率便可对其进行打印，复合材料中的聚酰胺使坯体强度达到15-25MPa。烧结后其致密度可达95％，本发明为钨合金零件的增材制造提供了新的思路，具有可以低成本制备单件或小批量零件的优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例第本发明的技术方案做进一步说明。
本发明一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金，所述覆膜钨合的各个组分比例为：钨合金粉末：96-98wt％，功能化复合材料：2-4wt％。
所述功能化复合材料包括：功能化的碳纳米管和聚酰胺，二者之间的比例为1-9:1-10。
本发明的另一目的是提供一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1)制备功能化碳纳米管；
S2)将S1)制备的到能化碳纳米管、钨合金粉末、聚酰胺和混合溶剂按照一定的比例混合，通过溶解沉淀的方式获得由功能化碳纳米管-聚酰胺复合材料覆膜的钨合金粉末。
所述S1)的具体步骤为：
S1.1)按照份数比为1：1的比例将碳纳米管加入到对氨基苯甲酸中使碳纳米管酸化；
S1.2)将)酸化后的碳纳米管与100份聚邻苯二甲酰胺混合，在135-145℃下搅拌2-4h；通入氮气作为保护气体，加入15-25份五氧化二磷，充分反应24-48h。将所得产物进行反复抽滤，即得到功能化的碳纳米管。
所述S2)的具体步骤为：
S2.1)将40-50份钨合金粉末、50-60份聚酰胺颗粒、混合溶剂和10-20份功能化碳纳米管加入反应器中；
S2.2)将S1)所述反应器抽真空并加入氮气保护，加热至140-150℃，以400-500rpm的搅拌速度搅拌溶液；
S2.3)以5-10℃/h的冷却速度冷却溶液至105℃，保温，烘干；
S2.4)将所得的沉淀物进行研磨，即得到功能化的碳纳米管-聚酰胺复合覆膜的钨合金粉末，覆膜层厚度为10-20μm。
所述聚酰胺包括：聚酰胺12、尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙11和尼龙12。
所述混合溶剂为：正丁醇：二甲苯按照比例为1：7wt/wt混合而成。
本发明还一种采用上述的覆膜钨合金打印复杂形状的钨基合金零件的方法，所述方法的步骤如下：
将覆膜钨合金粉末按照所需零件形状进行铺粉，加入选区激光烧结设备中，采用一定的激光功率对其进行打印，即可制备出形状复杂的钨基合金零件从而得到兼具复杂形状和一定强度的打印坯体；
在进行脱脂烧结，即得到复杂形状的钨基合金零件。
所述粉料加入选区激光烧结设备中，采用30-40W的激光功率，铺粉厚度为50-200μm，扫描速度为600-800mm/s的打印参数，对其选区粘结，打印坯体的强度为15-25MPa，烧结后复杂形状的钨基合金零件的致密度能够达到95％以上。
实施例1
向2.5份对氨基苯甲酸中加入2.5份碳纳米管，使碳纳米管酸化。将酸化后的碳纳米管与100份聚邻苯二甲酰胺混合，在140℃下搅拌2h；通入氮气作为保护气体，加入15份五氧化二磷，充分反应24h。并对其进行抽滤，即可得到功能化的碳纳米管。再将50份钨合金粉末、50份聚酰胺12颗粒、混合溶剂(1：7wt/wt)及功能化碳纳米管加入反应器中；对反应器抽真空并加入氮气保护反应物不被氧化；将温度升至145℃以彻底溶解聚酰胺12颗粒；以400rpm的搅拌速度搅拌溶液；以5℃/h的冷却速度冷却溶液至105℃，以使聚酰胺12沉淀覆膜在钨合金粉末上，保温至混合溶剂，对其进行烘干；将所得的沉淀物进行研磨，即得到功能化的碳纳米管与聚酰胺复合覆膜的钨合金粉末。将所得的沉淀物进行研磨，即得到功能化的碳纳米管与聚酰胺复合覆膜的钨合金粉末。再将所制备的粉料，加入选区激光烧结设备中，采用40W的激光功率对其选区粘结，从而得到兼具复杂形状和强度为15MPa的打印坯体。
实施例2
向4份对氨基苯甲酸中加入4份碳纳米管，使碳纳米管酸化。将酸化后的碳纳米管与100份聚邻苯二甲酰胺混合，在140℃下搅拌3h；通入氮气作为保护气体，加入20份五氧化二磷，充分反应36h。并对其进行抽滤，即可得到功能化的碳纳米管。再将45份钨合金粉末、55份聚酰胺12颗粒、混合溶剂(1：7wt/wt)功能化碳纳米管加入反应器中；对反应器抽真空并加入氮气保护反应物不被氧化；将温度升至145℃以彻底溶解聚酰胺12颗粒；以450rpm的搅拌速度搅拌溶液；以7℃/h的冷却速度冷却溶液至105℃，以使聚酰胺12沉淀覆膜在钨合金粉末上，保温至混合溶剂，对其进行烘干；将所得的沉淀物进行研磨，即得到功能化的碳纳米管与聚酰胺复合覆膜的钨合金粉末。将所得的沉淀物进行研磨，即得到功能化的碳纳米管与聚酰胺复合覆膜的钨合金粉末。再将所制备的粉料，加入选区激光烧结设备中，采用35W的激光功率对其选区粘结，从而得到兼具复杂形状和强度为20MPa的打印坯体。
实施例3
向5份对氨基苯甲酸中加入5份碳纳米管，使碳纳米管酸化。将酸化后的碳纳米管与100份聚邻苯二甲酰胺混合，在140℃下搅拌4h；通入氮气作为保护气体，加入25份五氧化二磷，充分反应48h。并对其进行抽滤，即可得到功能化的碳纳米管。再将50份钨合金粉末、50份聚酰胺12颗粒、混合溶剂(1：7wt/wt)及功能化碳纳米管加入反应器中；对反应器抽真空并加入氮气保护反应物不被氧化；将温度升至145℃以彻底溶解聚酰胺12颗粒；以500rpm的搅拌速度搅拌溶液；以10℃/h的冷却速度冷却溶液至105℃，以使聚酰胺12沉淀覆膜在钨合金粉末上，保温至混合溶剂，对其进行烘干；将所得的沉淀物进行研磨，即得到功能化的碳纳米管与聚酰胺复合覆膜的钨合金粉末。将所得的沉淀物进行研磨，即得到功能化的碳纳米管与聚酰胺复合覆膜的钨合金粉末。再将所制备的粉料，加入选区激光烧结设备中，采用30W的激光功率对其选区粘结，从而得到兼具复杂形状和强度为20MPa的打印坯体。
以上对本申请实施例所提供的一种用于选区激光烧结打印覆膜钨合金及制备和打印方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (3)

1.一种采用覆膜钨合金打印复杂形状的钨基合金零件的方法，将覆膜钨合金粉末加入选区激光烧结设备中，按照所需零件形状进行铺粉，按照铺粉的厚度为50-200μm，扫描的速度为600-1000mm/s,激光功率为30-40W的参数对其进行打印，即可制备出形状复杂的钨基合金零件的打印坯体；再对打印坯体进行脱脂烧结，即得到复杂形状的钨基合金零件，其特征在于，所述覆膜钨合金粉末的制备方法具体包括以下步骤：
S1）制备功能化碳纳米管，
具体为：
S1.1)按照份数比为1:1的比例将碳纳米管加入到对氨基苯甲酸中使碳纳米管酸化，
S1.2)将S1.1)酸化后的10-25份碳纳米管与100份聚邻苯二甲酰胺混合，在135-145℃下搅拌2-4h；通入氮气作为保护气体，加入15-25份五氧化二磷，充分反应24-48h，将所得产物进行反复抽滤，即得到功能化碳纳米管；
S2)将S1)制备的功能化碳纳米管、钨合金粉末、聚酰胺和混合溶剂按照一定的比例混合，通过溶解沉淀的方式获得由功能化碳纳米管-聚酰胺复合材料覆膜的钨合金粉末；
具体为：
S2.1）将40-50份钨合金粉末、50-60份聚酰胺颗粒、90-110份混合溶剂和10-20份功能化碳纳米管加入反应器中，
所述聚酰胺为：尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙11或尼龙12；
所述混合溶剂为：正丁醇：二甲苯按照比例为1：7 wt/wt混合而成；
S2.2）将S2.1）所述反应器抽真空并加入氮气保护，加热至140-150℃，以400-500 rpm的搅拌速度搅拌溶液，
S2.3）以5-10℃/h的冷却速度冷却溶液至105℃，保温，烘干，得到沉淀物；
S2.4）将所得的沉淀物进行研磨，即得到功能化碳纳米管-聚酰胺复合材料覆膜的钨合金粉末，覆膜层厚度为10-20 μm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功能化碳纳米管-聚酰胺复合材料覆膜的钨合金粉末的各个组分比例为：钨合金粉末：96-98wt%,功能化复合材料：2-4wt%；所述功能化复合材料包括：功能化碳纳米管和聚酰胺，二者之间的份数比为1-9:1-10。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打印坯体的强度为15-25 MPa，烧结后复杂形状的钨基合金零件的致密度能够达到95%以上。
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